Оценка критических границ компоновочных схем космических аппаратов по уровню теплового и эрозионного воздействий плазменных струй электроракетных двигателей

Аннотация

Предложен инженерный метод учета теплового и эрозионного воздействий плазменных струй электроракетных двигателей на элементы конструкции космического аппарата. Метод основан на применении критических границ, определяющих область пространства, в которой размещение элементов конструкции космического аппарата является недопустимым из-за воздействия плазменной струи электроракетного двигателя. Критическая граница представляет собой поверхность, на которой показатели воздействия равны допустимому значению, внутри границы --- превышают допустимые значения (область критического воздействия), а снаружи --- меньше допустимых значений (область допустимого воздействия). Если элементы космического аппарата попадают в область критического воздействия, то положение электроракетных двигателей на космическом аппарате необходимо корректировать. В качестве показателя теплового воздействия используется равновесная температура поверхности, которая не должна превышать заданного допустимого значения. Показателем эрозионного воздействия является глубина эрозии. Допустимый уровень эрозионного воздействия зависит от материала и характеристик распыляемого элемента конструкции. Рассмотренные показатели определяют по плотности ионного тока в заданной точке пространства для наихудшего случая без учета угла падения ионов струи на поверхность. Определены критические границы для теплового и эрозионного воздействий струи стационарного плазменного двигателя СПД-100 на различные материалы. Показано, что в отличие от традиционно применяемого ограничения по углу расходимости струи метод критических границ позволяет значительно повысить точность оценок и снизить вероятность ошибок при компоновке современных космических аппаратов

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Надирадзе А.Б., Дудунов А.А. Оценка критических границ компоновочных схем космических аппаратов по уровню теплового и эрозионного воздействий плазменных струй электроракетных двигателей. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2023, № 1 (144), c. 38--51. DOI: https://doi.org/10.18698/0236-3941-2023-1-38-51

Литература

[1] Ким В.П., Надирадзе А.Б., Попов Г.А. и др. Проблемы применения электроракетных двигателей на космических аппаратах. В кн.: Модель космоса. Т. 2. Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. М., Университет, 2007, с. 615--659.

[2] Райкунов Г.Г., ред. Вопросы защиты космических аппаратов от электрофизического воздействия. Системная баллистика и эффективность космических систем дистанционного зондирования Земли. М., НИИ "ЭНЦИТЕХ", 2012.

[3] Ходненко В.П. Влияние стационарных плазменных двигателей на работоспособность КА "Электро-М" и КА "Электро-М1". Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ, 2018, т. 164, № 3, с. 44--46.

[4] Goebel D.M., Katz I. Fundamentals of electric propulsion. New York, John Wiley & Sons, 2008.

[5] Краев М.В., Ермошкин Ю.М., Чугунов А.Е. Оптимизация компоновки двигателей коррекции наклонения орбиты на космическом аппарате. Известия вузов. Авиационная техника, 2001, № 3, с. 64--66.

[6] Толстель О.В. Проектирование и оптимизация блоков космических аппаратов на основе генетических алгоритмов. Известия вузов. Авиационная техника, 2005, № 4, c. 41--45.

[7] Феоктистов К.П., ред. Космические аппараты. М., Воениздат, 1983.

[8] Absalamov S.K., Andreev V.B., Colbert T., et al. Measurement of plasma parameters in the stationary plasma thruster (SPT-100) plume and its effect on spacecraft components. AIAA Meet. Pap., 1992, no. 92--3156. DOI: https://doi.org/10.2514/6.1992-3156

[9] Pagano D., Scaranzin S., Meniconi G., et al. Performance and plume characterization of the SPT-100В thruster. Joint Conf. 30 ISTS, 34 IEPC and 6 NSAT, 2015, art. IEPC-2015-010.

[10] Шувалов В.А. Об аккомодации энергии газовых ионов на поверхностях поликристаллов. ПМТФ, 1983, № 6, с. 17--25.

[11] Шувалов В.А. О влиянии атомного веса мишени на величину коэффициента аккомодации энергии ионов потока частично ионизированного газа. ПМТФ, 1979, № 3, с. 83--87.

[12] ASTM E1559-09. Standard test method for contamination outgassing characteristics of spacecraft materials. West Conshohocken, ASTM, 2016.

[13] Акишин А.И., Новиков Л.С. Воздействие окружающей среды на материалы космических аппаратов. М., Знание, 1983.

[14] Khartov S.A., Nadiradze A.B., Yakubov A.M., et al. Some remarks about published data concerning the SPT-100 jet parameters distribution. Proc. 2nd Europ. Spacecraft Conf., 1997, vol. IEPC-97-152, pp. 937--941.

[15] Бериш Р., ред. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. М., Мир, 1984.