Поможет создавать экономичные и легкие космические двигатели: самарские ученые рассчитали параметры идеального «сердца» для наноспутников

Систему расчета параметров уже успешно проверили на практике. Фото: Самарский университет

Ученые Самарского университета им. Королева и Московского авиационного института рассчитали параметры импульсного газового клапана, который является «сердцем» плазменного двигателя наноспутников. Разработка поможет создавать более экономичные и легкие космические двигатели. Они позволят космическим аппаратам дольше работать на орбите. Рассказываем об экспериментальном исследовании ученых.

Помогают в космосе

Сейчас во всем мире проводят исследования и разрабатывают двигательные установки для спутников малого и сверхмалого класса. Наиболее перспективными по многим показателям становятся импульсные плазменные двигатели с газообразным рабочим телом.

«В последние годы все большее количество задач на Земле и в космосе решаются с помощью малых и сверхмалых космических аппаратов, в том числе наноспутников формата «кубсат». Работа идет эффективнее, если космические аппараты оснащены реактивными двигательными установками», – рассказал заведующий кафедрой эксплуатации авиационной техники Самарского университета Георгий Макарьянц.

Двигатели помогают компенсировать силу аэродинамического сопротивления на орбитах на высоте 300-450 км. Благодаря этому космический аппарат может служить дольше на несколько месяцев, на год и более. С помощью двигателей получается корректировать высоту рабочей орбиты и месторасположение спутника относительно других аппаратов.

Система расчета параметров

В таких двигательных установках есть импульсный клапан, который открывается на строго определенный промежуток времени, прямо как клапан в человеческом сердце. Через него газ поступает в разрядный канал, где при правильном давлении происходит электрический пробой между электродами. Газ разогревается электрической дугой, ионизируется, превращаясь в плазму, ускоряется в сопле и создает тягу двигателя.

В качестве рабочего тела использовался азот. Фото: Самарский университет

«Одним из наиболее сложных конструктивных узлов импульсного плазменного двигателя с газообразным рабочим телом является импульсный газовый клапан – он как «сердце» плазменного двигателя, от него зависит режим работы всей двигательной установки», – объяснил Георгий Макарьянц.

Чтобы сделать «сердце» идеальным, и проводилось исследование. Ученые изучили самые разные аспекты работы клапана для создания различных параметров тяги двигателя и показателей расхода газа. В результате удалось создать систему расчета параметров по рабочему давлению и быстродействию. Это смогут использовать конструктора при проектировании газового тракта таких клапанов для перспективных плазменных двигателей.

Много преимуществ

Созданные алгоритмы автоматического расчета параметров клапана позволят создавать более экономичные и легкие космические двигатели. Ими можно будет оснащать малые космические аппараты, например, наноспутники формата «кубсат». Тогда они будут дольше решать разные задачи на орбите.

По словам ученого, с помощью газа в плазменном двигателе получается избавиться от недостатков твердотельных двигателей, у которых в качестве рабочего тела используются специальные шашки из диэлектрического материала, например, фторопласта. Такие шашки сложно размещать и компоновать в ограниченных габаритах двигателя.

«Газ дает гораздо больше свободы для проектирования конструкции и позволяет уменьшить размеры двигательной установки. Также появляется возможность использовать разрядный канал, форма которого снижает величину разрядного тока. Блок накопителя электроэнергии в таком двигателе можно сделать меньше по размеру и весу, что для наноспутников очень важно», – сказал Макарьянц.

Систему расчета параметров уже успешно проверили на практике во время экспериментов на газовом клапане. В качестве рабочего тела использовался азот.

Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.