tgoop.com/IngeniumNotes/1213
Last Update:
Какой мощности двигателя хватит для работы спутника на сверхнизких орбитах?
Это одна из ключевых проблем, стоящая на пути создания данных систем.
Мощность солнечных батарей, используемых в космонавтике, находится на уровне порядка 120 Вт/м2. Условия освещения далеко не всегда будут оптимальными. Половину времени Солнца нет. Солнечные батареи со временем деградируют. Допустим, средняя мощность в четыре раза меньше - порядка 30 Вт/м2.
Соответственно, при средней мощности двигателя 300 Вт площадь солнечных батарей должна составлять порядка 10 м2, при мощности 1 кВт - 30 м2 и т.д.
А сколько вообще нужно? Год назад в СМИ говорили о том, что мощность - порядка 1 кВт. Но во-первых это СМИ, во-вторых - это очень растяжимая оценка.
Давайте попробуем изучить вопрос более строго, с опорой на вменяемые источники.
Первый источник - статья "Использование разреженных газов атмосферы земли в качестве рабочего тела для электроракетной двигательной установки" (2021 г), автор - Д.А. Бондаренко (ВНИИЭМ). План статьи следующий. Вначале строится модель атмосферы. Затем рассчитывается сопротивление атмосферы - для объекта миделем 40 см. В зависимости от высоты (от 160 км до 200 км) и условий, она меняется в пределах от 2 мН до 8 мН.
Затем вводится важнейший параметр - коэффициент эффективности сбора набегающего потока - назовем его k. Автор пишет, что хотя некоторые и берут его значение равным 0,9, сам он придерживается куда более консервативной оценки - 0,35. После чего рассчитывается необходимый удельный импульс электроракетного двигателя I. Для:
k = 0,9 - I = 820 с
k = 0,5 - I = 1480 с
k = 0,35 - I = 2100 с
Далее открываем статью журнала "Труды МАИ", посвященную стационарным плазменным двигателям (СПД) и видим, что СПД дают необходимый удельный импульс лишь при большой мощности - условно от 1,5 кВт. Но такой I достигается лишь при определенных благоприятных параметрах работы. Для того, чтобы расширить диапазон параметров - необходимо повышать мощность до уровня порядка 5 кВт.
Остаются ионные двигатели. Бондаренко закладывает в оценки КПД двигателя на уровне 50%. С учетом этого, в зависимости от условий, мощность двигателя должна составлять от 50 Вт до 150 Вт при коэффициенте сбора k = 0,35. Далее Бондаренко добавляет еще 150 Вт - на нейтрализацию потока, системы питания, управления и т.д. В итоге получается мощность 300 Вт.
Следующий источник - диссертация М.О. Суворова (МАИ) "Тяговый узел прямоточного воздушного электрореактивного двигателя" (2018 г.)
В ней он, со ссылкой на ЦАГИ, пишет, что: "Для аппарата миделем 1м2 на высоте орбиты 220 км, тяговом КПД равном 15% ... мощность, потребляемая двигателем не должна превышать 1 кВт".
Пересчет показывает, что это примерно в пять раз выше оценки, которую сделал Бондаренко.
Далее Суворов обосновывает, что использоваться может только высокочастотная схема ионного двигателя (из-за наличия кислорода).
И уже в этот момент мы нарушаем предположение, которое в своих выкладках сделал Бондаренко. Расчеты и испытания показывают, что для двигателей малой мощности (а 150 Вт - это еще малая мощность) КПД существующих ионных двигателей находится на уровне около 40%. При этом "атмосферный" двигатель большую часть времени функционировать будет далеко не на оптимальном режиме работы.
Обосновав выбор схемы, Суворов переходит к описанию устройства модели прямоточного двигателя и публикует много его фотографий. А на 138 странице диссертации - приводит график зависимости тяги от мощности, измеренной в стендовом эксперименте. Для тяги 6 мН мощность составляет 600 Вт (где-то в 5 раз выше оценки Бондаренко), для 10 мН - около 1 кВт - что согласуется с оценками ЦАГИ.
Далее. Диссертация С.В. Гордеева (МАИ) "Газоразрядная камера прямоточного высокочастотного ионного двигателя" (2022 г). В ней описание ряда особенностей таких двигателей. Один из выводов - ускоряющем напряжении в двигателе не может превышать уровня порядка 600 В из-за пробоя.
#VLEO
BY Заметки инженера - исследователя
Share with your friend now:
tgoop.com/IngeniumNotes/1213