Двигательные установки на выставке ILA-2012
Лишь бы выдала как надо КДУ поток огня…
Ю.И. Визбор
Двигатель НЕМР - новый конкурент СПД-100
Год подходит к концу, пора завершать незавершенные дела и дописывать задуманные посты. Вот и я добрался до заключительного поста про Германию, точнее - про аэрокосмический салон, а еще точнее - про представленные там электрореактивные двигательные установки.
Дело в том, что на выставку нас посылали не просто посмотреть на мир, но ещё - ознакомиться с новейшими западными разработками, прикинуть - что можно купить, какие технические решения внедрить у себя самим и вообще - с чем отрасль столкнется лет через несколько, когда завершится отработка и летные аналоги экспонатов выйдут на орбиту.
Моя же сфера деятельности - электрореактивные двигательные установки низкоорбитальных космических аппаратов (в основном, дистанционного зондирования Земли). На выставке внимание привлекли всего четверо экспонатов, это совсем немного (у коллеги-конструктора «трофеев» на порядок больше). Про увиденное и попробую написать, попутно сравнив с российскими аналогами.
Не знаю, насколько широк потенциальный круг читателей, но даже если buchwurm и i_sobolev увидят что-то для себя полезное - уже не зря. Как водится, попытаюсь писать не на матером техническом языке руководящих документов, а пободрее и понятнее.
НЕМР
1. Плазменный двигатель HEMP (High-Efficiency Multi-stage Plasma thruster) разработки Thales Alenia Space. Двигатель пока работает в вакуумной камере на земле, четыре двигателя HEMP предполагается использовать в составе двигательной установки перспективного европейского геостационарного связного КА SmallGEO (запуск в 2014 г.) На платформе SmallGEO (разработчик - OHB System) также будут построены метеорологические спутники третьего поколения MTG-I (всего 4 КА, запуск первого - в 2017 г.) и MTG-S (всего 2 КА, запуск первого - в 2019 г.).
Надо сказать, что Европейское космическое агентство озаботилось разработкой собственного плазменного двигателя неспроста. Дело в том, что с середины восьмидесятых на геостационарных спутниках сибирской фирмы ИСС им. М.Ф. Решетнёва работают стационарные плазменные двигатели СПД-70 и СПД-100, выпускаемые ОКБ «Факел», город Калининград . «Сотка» получилась настолько удачной, что европейцы после совместного с ИСС спутника SESAT захотели применить двигатель у себя. И «Факел» начал зарабатывать неплохие деньги на поставке двигателей для платформ LS-1300 , Eurostar 3000 и Spacebus 4000 (если пойти по последней ссылке, можно встретить обозначение PPS-1350 - это тот же СПД-100, но выпускаемый совместно с французской фирмой Snecma).
СПД-100
Нельзя сказать, что ЕКА решило заняться новым двигателем только потому, что покупать двигатели в России как-то зазорно - дело в том, что для геостационарных спутников с большим сроком активного существования удельного импульса СПД-100 уже не хватает: спутникостроители мечтают об импульсе 2700 с и более. Что могу сказать - хорошо им, там, на стационарной орбите. Тень - максимум на час в сутки, да и то далеко не всегда, солнечные батареи - огромные, нужно же питать приемопередатчики полезной нагрузки. Вполне можно себе позволить тратить больше электроэнергии на коррекцию и экономить ксенон, а следовательно - и массу спутника. О том, что творится на низких орбитах расскажу чуть ниже, а пока - сравнение характеристик нашего двигателя и НЕМР:
А у нас на орбитах высотой до 1000 км длительность одного витка находится в районе 100 минут, т.е. 15 витков в сутки. Значит, аккумуляторная батарея имеет в сутки 15 циклов заряд-разряд, т.е. 5,5 тысяч в год. Чтобы батарея отработала гарантийный срок (пять, а лучше 7 лет) глубину разряда ограничивают 25%, что сразу ограничивает максимальную мощность потребления. Это с одной стороны. С другой - орбита нам нужна круговая, значит, при коррекции любого параметра орбиты на витке должны быть два симметричных включения, одно из которых - правильно, в тени (иначе - крышка, круг превратится в эллипс). Полезная нагрузка у нас не сказать чтобы очень мощная (кроме радаров, но они - редкость), поэтому с энергетикой ситуация всегда непростая. На этом фоне становится понятно, что нам хорошо бы побольше тягу (меньше время работы двигателя, быстрее проведем маневр и вернемся к наблюдению Земли) и поменьше бы мощность разряда. А что придется везти в космос больше ксенона (на 36%, кстати, это немало) - переживём.
2. Система преобразования и управления для ионного двигателя КА GOCE, разработанная в EADS Astrium. Реально самая совершенная из разработанных к настоящему времени, обеспечивает управление ионным двигателем QinetiQ T5mkV с регулированием тяги. Интерфейс управления двигателем и передачи телеметрической информации - MIL-STD-1553. В России систем питания и управления с этим интерфейсом пока нет (хотя работы ведутся).
Модуль силового преобразователя для GOCE.
Конкретно это изделие предназначено для наземной отработки - видны элементы в пластмассовых корпусах.
Кратенько о ДУ на спутнике GOCE. Аппарат предназначен для гравитационных измерений и летает на очень низкой орбите (260 км). Двигательная установка должна компенсировать силу атмосферного торможения. Согласно требованиям к двигательной установке тяга ионного двигателя должна была регулироваться в пределах от 0,6 до 20,6 мН с шагом 12 мкН, реально использовался диапазон тяг от 1 до 7 мН, точность поддержания тяги составила 5%. При этом мощность, потребляемая ионным двигателем составляет от 100 Вт при тяге 2 мН до 500 Вт при тяге 16 мН. Максимальная мощность составляет 770 Вт, а КПД цепи разряда 92…95%. Результаты летных испытаний двигательной установки с регулируемой тягой признаны полностью успешными, о чем нам говорит доклад IEPС-2011-327, сделанный на конференции по ЭРДУ в сентябре 2011 года.
Аналогичный силовой модуль предполагается применять для двигательной установки с двигателем HEMP.
Отечественных аналогов системы преобразования и управления, обеспечивающих регулирование тяги электрореактивного двигателя нет. Системы преобразования и управления для стационарных плазменных двигателей, обеспечивающие один заданный уровень тяги производят (г. Томск) ОАО «НПЦ «Полюс» и ОАО «АВЭКС» (г. Москва). Еще на рынок пытается выйти ТЕХКОМ , причем через Сколково - посмотрим, что получится.
С другой стороны, как говаривал Баралгин: «а нафига нам король? Гондурас республика!» В том смысле, что обычному КА дистанционного зондирования регулирование тяги с точностью 12 мкН вообще говоря не слишком нужно. Нам бы и трёх уровней хватило: повышенная тяга чтобы быстро провести коррекцию ошибок выведения и ввести спутник в бой эксплуатацию, нормальная - чтобы поддерживать параметры орбиты и не слишком много требовать от системы энергоснабжения и пониженная - чтобы топить снижать высоту орбиты КА при утилизации, когда система энергоснабжения порядком деградирует.
А вот тот самый интерфейс 1553 - он нужен, и если кто у нас такую штуку в металле осуществит - есть шанс, что оторвут с руками.
Как итог: Астриум большие молодцы, у них есть чему учиться. У нас тоже всё неплохо, но равняться нужно на СПУ от GOCE.
3. Композитный блок хранения ксенона разработки MT AEROSPACE AG (входит в состав OHB System AG). Не смотря на то, что MT AEROSPACE AG производит широкий ассортимент блоков хранения гидразина (порядка 20% от всех запущенных КА укомплектованы блоками хранения MT AEROSPACE, включая геостационарные КА на платформах Eurostar и Alphabus), в её ассортимент входит всего один блок хранения ксенона, созданный для КА Artemis. Емкость бака 30 л, что позволяет его сравнить с блоком хранения ксенона, разработанным в НИИМашиностроения (г. Нижняя Салда):
Картинки бака нет, т.к. на выставку фирма привезла только бак для питьевой воды, предназначенный для пассажирских самолетов. В целом идея простая: делается лейнер из титана, вокруг мотается композит из углеволокна. Как видно, импортный бак слегка лучше нашего, но если учесть, что у нас вся арматура (заправочная горловина, штуцеры, пироклапаны) унифицирована и понятна, лучше не искать добра от добра и прикупить бак в Салде. Мы, наверное, именно так и сделаем.
4. Малая спутниковая платформа TET-XL, разработанная в Astro- und Feinwerktechnik Adlershof GmbH и оснащенная двигательной установкой на экологически чистом рабочем теле. Платформа предназначена для технологических исследований перспективных компонентов и систем. Особенностями являются малые габаритные размеры (800х800х1000 мм), неориентируемые солнечные батареи, относительно невысокая орбита. Для обеспечения перевода КА на орбиту утилизации разработчик применил двигательную установку фирмы ECAPS (Swedish Space Corporation), работающую на экологически чистом топливе ADN. Система включает два двигателя тягой 1Н, удельный импульс - 230 с. Система подачи - вытеснительная, запас рабочего тела - 5,5 кг (и 1,5 л гелия для наддува), суммарное приращение скорости 62 м/с, диаметр блока хранения - 230 мм. Аналогичная система применялась на КА PRISMA.
Данная система представляет интерес в первую очередь как альтернатива токсичному гидразину. На КА, разрабатываемые нашей фирмой такие установки не применяются по причине низкого удельного импульса (гидразина или его AND нужно как минимум в пять раз больше, плюс газ наддува). Однако развитие малых космических аппаратов, как правило, не обладающих резервами электрической мощности на борту, может поставить и такую задачу. Тут вот еще какой момент: геостационарные "Экспрессы-АМ" имели в своём составе две двигательных установки: СПД-100 для коррекции орбиты и гидразиновые К50-10.1 для разгрузки двигателей-маховиков системы ориентации. А почему бы и нет, Ватсон: у гидразина в плюсах постоянная готовность к выдаче импульса, большая тяга, практически нулевое энергопотребление, а суммарный импульс для разгрузки нужен небольшой. Вот тут ADN вполне сыграет. Наши же низкоорбитальные объекты имеют системы разгрузки на базе электромагнитов, взаимодействующих с магнитным полем Земли.
Фотографии снова нет - платформа была представлена только в буклете разработчика.
Вот и все картинки с выставки. Как водится, вопросы и критика приветствуются.
P.S. А с эпиграфом получилось забавно: у Визбора КДУ - это комплексная двигательная установка "Союза", которая отвечает за все маневры сразу (коррекция орбиты, ориентация корабля, торможение при спуске с орбиты), у нас же КДУ - корректирующая двигательная установка, которая предназначена только для коррекций параметров орбиты. Помню, при первом прослушивании песни было интересно, что же значит эта аббревиатура. Мечты, как водится, сбылись в полном объёме.