Длинный рассказ о космических двигателях СПД. Часть 1 - История вопроса⁠⁠

Здравствуйте, пикабушники!

Данный пост появился в следствии того, что вчера появился этот пост:

https://pikabu.ru/story/prostyim_yazyikom_o_kosmicheskikh_dv...

И я имел неосторожность оставить там комментарий, сказав, что работаю создавая и испытывая космические двигатели. Это привело к тому, что у меня вдруг появился рейтинг, достаточный для выкладывания картинок и 30 человек ждущих моего рассказа...чтож вот вам рассказ...

Как читатель может узнать из поста, ссылка на который дана выше, на данный момент существует 2 основных типа космических двигателей, и это:

1. ЖРД- это так называемые толкачи и разгонники. С их помощью мы отрываем тело от нашей планеты (попутно сжигая овер дофига тонн топлива и окислителя) и придаем этому телу достаточную для того что бы оно обратно на нас не свалилось. Большие, мощные, очень тяжелые и сложные. В них происходит химическая реакция взаимодействия топлива с окислителем.

2. ЭРД - электрореактивные двигатели. Это довольно большое семейство различных двигателей, которые имеют гораздо меньшие размеры. Однако и меньшую тягу...поэтому и не могут оторвать ничего от Земли...так? Ну если честно то эти двигатели вообще не могут работать на Земле, они работают исключительно в безвоздушном пространстве (почему это так расскажу, когда буду описывать конструкцию и подробно принцип работы). В общих чертах они все работают так: подаем рабочее тело (обычно газообразное), ионизуем его каким нибудь способом, а затем ускоряем электрическим полем.

Итак я сверх кратко написал, что же бывает. Все мои дальнейшие повествования буду об одном конкретном типе ЭРД - СПД (Стационарный плазменный двигатель), ну и немного о рядом стоящих.

Но все целесообразно начинать с истории вопроса...поэтому этот пост посвящен ему.

Впервые, возможность применения ЭРД была предсказана К.Э. Циолковским в своей рукописи 1903 года "Исследование мировых пространств реактивными приборами", а первейшие практические разработки были осуществлены В.П. Глушко в 1929-1933гг.

Однако более плотно этим занялись после 4 октября 1957 г., когда был запущен первый искусственный спутник Земли. В ОКБ-1, под руководством Королева начались разработки ЭРД. Так же Королев инициировал разработку ЭРД в ряде других организаций, среди которых было ИАЭ им. И.В. Курчатова. Первым там была разработана электроракетная двигательная установка на основе импульсных плазменных двигателей, она же первая среди ЭРД была испытана на борту КА Зонд-2 в 1964г. После того как идея показала свою состоятельность, вышло Постановление Совета Министров СССР, обязывающее ОКБ-1 и остальные организации осуществить разработку ракет-носителей, аппаратов, ядерных энергоустановок и ЭРД.

Ну против Постановления не попрешь, долго ли, коротко ли но в 1957 г. сотрудник ИАЭ А.В. Жаринов предложил конструкцию двигателя типа ДАС (двигатель с анодным слоем). Идея состояла в создании в ускорении ионов газа в узком двойном электрическом слое. Однако однако сколько уважаемый Жаринов не бился, повезло не ему, а другому сотруднику ИАЭ. ДАС так никогда в космос и не полетел, хотя от СПД отличаться не слишком кардинально.

А вот кому повезло...знакомьтесь

Алексей Иванович Морозов (1928-2009), д.ф.-м.н., лауреат гос премии СССР в области науки и техники, награжден медалью Международного общества электроракетных двигателей - высшей наградой для специалистов в области ЭРД.

Про него даже статья на вики есть...правда очень скудная.

Он в свою очередь чуть позже Жаринова предложил свою конструкцию...двигатель СПД. Почему стационарный? да потому что на соседней двери в курчатнике висела табличка "Импульсные плазменные двигатели"...вот и назвал.

Алексей Иванович, в отличае от Жаринова, сказал, что зона ускорения должна быть протяженной, а плазма для достижения большего эффекта должна фокусироваться магнитном полем. (В ДАС магнитное поле не фокусирует пучок, а только играет роль в создании анодного слоя).

Работы начались в 1962 году и к 1964 году была создана и испытана первая модель Е-1. И он не плохо так отработал на стенде:

Мощность до 6кВт, Удельный импульс тяги (скорость истечения струи) до 18 км/с и КПД до 40% (при работе на ксеноне). выглядело все примерно так: (срез двигателя справа)

Стенки разрядной камеры были сделаны из диэлектрика, а магнитные полюса сужались к срезу. Это позволяло достичь приемлемой картины силовых линий магнитного поля.

Дальше пошла оптимизация по подгонке магнитного поля и радиационному охлаждению. Следует отметить, что уже тогда эти двигатели при КПД около 30% обладали таким параметром как цена тяги (это сколько надо энергии вбухать на 1 единицу тяги) порядка 20кВт/Н, что было значительно ниже чем у всех остальных ЭРД такого класса, в том числе наиболее развитых на тот момент ионных двигателей.

Уже в 1968 г. было принято решение, что надо проводить летные испытания и это доверили ОКБ "Заря" г. Калиниград (ныне ОКБ "Факел"). Были проведены разработки и изыскания, в результате получился двигатель, спешно был создан катод. Ресурсные испытания показали, что двигательная установка проходит ресурс 1100 часов. В конце 1971 г. ИСЗ (искусственный спутник земли) "Метеор" с эксприментальным ЭРД, названной "Эол", поднялся в космос, а в 1972 г. были проведены первые летные испытания. То что улетело на борту Метеора выглядело уже так:

То, что снизу, это катодный блок. Данная конструкция имела следующие характеристики:

16-19 мН тяги при вкладываемой мощности 420-440 Вт. Ускоряющее напряжение при этом было 170-190 В, а скорость истечения струи 8-9 км/с.

В результате испытаний в космосе было получено следующее:

1. Была продемонстрирована работоспособность СПД в двигательной установке в течении примерно 200 часов при заданной ТЗ длительности работы не менне 100ч.

2. Были измерены тяга и другие параметры в космосе и проведено сопоставление с наземными испытаниями.

3. В результате работы одного двигателя в течении 170 часов была изменена высота орбиты ИСЗ с массой более 1 т. на 17 км, и спутнек вышел на условно-синхронную орбиту.

4. Была показана совместимость двигательной установки с другими системами корабля.

В результате испытания были признаны успешными, СПД как космический двигатель родился.

Дальше была поставлена задача регулярного применения СПД в космосе, но для этого требовалось решить много проблем.

Повысить ресурс двигателя, наладить разработку и производство, разобраться в физике процесса. Всвязи с этим многие организации подключились к работам в области СПД: ОКБ "Факел", МАИ, МИРЭА, ХАИ, МВТУ им. Баумана, МГУ и многие другие.

В данный момент основным и единственным изготовителем летных образцов СПД является ОКБ "Факел" г. Калиниград. Однако большую часть исследовательских и конструкторских работ проводят институт им. Келдыша, МАИ (в котором я и работаю), НИИТП и многие другие. За границей так же существуют компании занимающиеся разработкой СПД, однако все их двигатели изначально пошли от наших: европейский концерн Astrium, американская Busek, французская Snecma (их основной летный двигатель PPS1350 это кстати СПД-100 в чистом виде, они лицензию у Факела купили).

Вот такой вышел скомканный пост. Более подробно обо всем этом можно прочитать в книге "Стационарные плазменные двигатели Морозова"/ А.С. Архипов, В.П.Ким, Е.К. Сидоренко (картинки оттуда).

Я понимаю, что почти никто не понял "как это работает?", "почему ксенон?","что такое удельный импульс?" и тд., но этот пост был про историю, на все эти вопросы я постараюсь ответить в следующем посте, в котором как раз разберу типовую конструкцию СПД и объясню как и почему оно работает. Если конечно я всех слишком не разочарую этим постом.

Всем удачи!