stringtranslate.com

Жидкостный апогейный двигатель

400-Н гиперголический жидкостный двигатель апогея, включая тепловой экран и монтажную конструкцию, представленный в центре посетителей DLR, Лампольдсхаузен, Германия. Двигатель был разработан для использования на спутниках Symphonie . Это были первые трехосные стабилизированные спутники связи на геостационарной орбите, в которых использовался жидкостный двухкомпонентный двигатель апогея для вывода на орбиту. [1]

Жидкостный апогейный двигатель ( LAE ) или апогейный двигатель относится к типу химического ракетного двигателя, обычно используемого в качестве основного двигателя в космических кораблях .

Название двигателя апогея происходит от типа маневра, для которого двигатель обычно используется, то есть изменение дельта- v в космосе , выполняемое в апогее эллиптической орбиты для ее круговой трансформации. Для геостационарных спутников этот тип орбитального маневра выполняется для перехода с геостационарной переходной орбиты и размещения спутника на станции на круговой геостационарной орбите . Несмотря на название, двигатель апогея может использоваться для ряда других маневров, таких как спуск с орбиты в конце срока службы, [1] выход с околоземной орбиты, выход на планетарную орбиту [2] [3] и спуск/подъем планеты. [4]

В некоторых частях космической отрасли LAE также называют жидкостным апогеевым двигателем (LAM), жидкостным апогеевым двигателем (LAT) и, в зависимости от топлива, двухрежимным жидкостным апогеевым двигателем (DMLAT). Несмотря на неоднозначность в отношении использования слова двигатель и мотор в этих названиях, все они используют жидкое топливо. Однако двигатель апогея (AKM) или апогея разгонный двигатель (ABM), такой как Waxwing , использует твердое топливо. [5] [ ненадежный источник? ] Эти твердотопливные версии не используются на спутниках нового поколения. [5] [6]

История

Двигатель апогея берет свое начало в начале 1960-х годов, когда такие компании, как Aerojet , Rocketdyne , Reaction Motors , Bell Aerosystems , TRW Inc. и The Marquardt Company, принимали участие в разработке двигателей для различных спутников и космических аппаратов. [7]

Производные этих оригинальных двигателей используются и сегодня, постоянно совершенствуются [8] [9] [10] и адаптируются для новых применений. [11]

Макет

Типичную схему жидкостного апогея двигателя можно определить [12] как двигатель с:

Для защиты космического корабля от теплового излучения камеры сгорания эти двигатели обычно устанавливаются вместе с тепловым экраном . [ необходима ссылка ]

Пропеллент

Двигатели Apogee обычно используют одно топливо и один окислитель. Это топливо обычно, но не ограничивается [7] , гиперголической комбинацией , такой как:

Гиперголические топливные смеси воспламеняются при контакте с камерой сгорания двигателя и обеспечивают очень высокую надежность воспламенения, а также возможность повторного воспламенения.

Во многих случаях смешанные оксиды азота (МОН), такие как МОН-3 ( N
2О
4с 3% масс. NO ), используется в качестве замены чистого N
2О
4. [13]

Использование N
2ЧАС
4находится под угрозой в Европе из-за правил REACH . В 2011 году рамочное законодательство REACH добавило N
2ЧАС
4в свой список кандидатов на вещества, вызывающие очень высокую обеспокоенность . Этот шаг увеличивает риск того, что использование N
2ЧАС
4будут запрещены или ограничены в ближайшей или среднесрочной перспективе. [14] [15]

Изъятия рассматриваются для разрешения N
2ЧАС
4для использования в космических приложениях, однако, чтобы снизить этот риск, компании изучают альтернативные виды топлива и конструкции двигателей. [16] Переход на эти альтернативные виды топлива не является простым, и такие вопросы, как производительность, надежность и совместимость (например, спутниковая двигательная установка и инфраструктура стартовой площадки) требуют исследования. [15]

Производительность

Производительность апогея двигателя обычно оценивается по вакуумному удельному импульсу и вакуумной тяге. Однако есть много других деталей, которые влияют на производительность:

Типичный гиперголический жидкостный двигатель класса 500 N имеет удельный импульс в вакууме около 320 с, [17] [18] [19] [20] с практическим пределом, оцениваемым около 335 с. [7]

Хотя эти двигатели позиционируются как обеспечивающие определенную номинальную тягу и номинальный удельный импульс при номинальных условиях подачи топлива, на самом деле они проходят строгие испытания, в ходе которых производительность отображается в диапазоне рабочих условий, прежде чем они будут признаны пригодными для полета . Это означает, что пригодный для полета серийный двигатель может быть настроен (в разумных пределах) производителем для соответствия определенным требованиям миссии, таким как более высокая тяга. [21]

Операция

Большинство двигателей апогея работают в режиме включения-выключения на фиксированном уровне тяги. Это происходит потому, что используемые клапаны имеют только два положения: открыто или закрыто. [22]

Продолжительность работы двигателя, иногда называемая продолжительностью горения , зависит как от маневра, так и от возможностей двигателя. Двигатели квалифицируются на определенную минимальную и максимальную продолжительность одиночного горения.

Двигатели также квалифицированы для обеспечения максимальной кумулятивной продолжительности горения, иногда называемой кумулятивной производительностью топлива . Полезный срок службы двигателя на определенном уровне производительности диктуется полезным сроком службы материалов конструкции, в первую очередь тех, которые используются для камеры сгорания. [12]

Приложения

Упрощенно можно разделить двигатели апогея, используемые для телекоммуникационных и исследовательских миссий:

  1. Современные телекоммуникационные космические платформы, как правило, получают больше выгоды от высокого удельного импульса, чем от высокой тяги. [23] Чем меньше топлива потребляется для выхода на орбиту, тем больше его остается для поддержания станции на станции. Это увеличение оставшегося топлива может быть напрямую переведено в увеличение срока службы спутника, увеличивая финансовую отдачу от этих миссий.
  2. Космические аппараты для исследования планет, особенно крупные, как правило, больше выигрывают от высокой тяги, чем от высокого удельного импульса. [24] Чем быстрее может быть выполнен маневр с высокой дельта- v , тем выше эффективность этого маневра и тем меньше требуется топлива. Это сокращение требуемого топлива может быть напрямую переведено в увеличение массы шины и полезной нагрузки (на этапе проектирования), что обеспечивает лучшую научную отдачу от этих миссий. [12] [23]

Фактический двигатель, выбранный для миссии, зависит от технических деталей миссии. Более практические соображения, такие как стоимость, время выполнения и экспортные ограничения (например, ITAR ), также играют роль в принятии решения.

Смотрите также


Ссылки

  1. ^ ab "Unified Propulsion System - Background". Airbus Defence and Space . Архивировано из оригинала 2014-09-25 . Получено 29 января 2015 .
  2. ^ Амос, Джонатан (2012-09-04). "Зонд Juno Jupiter получает британскую поддержку". BBC News . Получено 29 января 2015 г.
  3. ^ Доминг, DL; Рассел, CT (19 декабря 2007 г.). Миссия MESSENGER на Меркурий . Springer Science & Business Media. стр. 197. ISBN 978-0-387-77214-1.
  4. ^ "Комитет по промышленной политике, План роботизированных исследований, Программа работ на 2009-2014 годы и соответствующий План закупок" (PDF) . Европейское космическое агентство. Архивировано из оригинала (PDF) 2016-03-03 . Получено 25 января 2015 г. .
  5. ^ ab Pocha, JJ (1987). "Маневр апогея". Библиотека космических технологий, том 1. Введение в проектирование миссий для геостационарных спутников. Глава 4: Маневр апогея . Springer. стр. 51–66. doi :10.1007/978-94-009-3857-1_4. ISBN 978-94-010-8215-0.
  6. ^ Лей, Вилфред; Виттманн, Клаус; Холлманн, Вилли, ред. (2009). Справочник по космической технике . John Wiley & Sons, Ltd. стр. 323–324. ISBN 978-0-470-69739-9.
  7. ^ abc Stechman, Carl; Harper, Steve (2010). «Улучшение характеристик малых ракетных двигателей, хранящихся на земле, — эпоха приближения к теории». 46-я конференция AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference (2010–6884).
  8. ^ "ESA исследует ALM для двигателей спутников в космосе". LayerWise . Архивировано из оригинала 2014-11-29 . Получено 15 ноября 2014 .
  9. ^ Хайд, Саймон (2012). «Проектирование камеры сгорания для аддитивного производства». Конференция Space Propulsion 2012, Бордо, Франция .
  10. ^ Хайд, Саймон (2012). «Исследование оптимизации конструкции универсального двухкомпонентного инжектора для аддитивного производства». Конференция Space Propulsion 2012, Бордо, Франция .
  11. ^ Вернер, Дебра (2013-07-15). "Космическое движение - Moog считает, что жидкостный ракетный двигатель с большей тягой подходит для миссий на Марс". www.spacenews.com . Архивировано из оригинала 15 ноября 2014 г. . Получено 15 ноября 2014 г. .
  12. ^ abc Naicker, Lolan; Wall, Ronan; David, Perigo (2014). «Обзор испытаний модели разработки для двигателя LEROS 4 High Thrust Apogee». Конференция Space Propulsion 2014, Кельн, Германия (2969298).
  13. ↑ Райт, AC (февраль 1977 г.). Справочники по ракетному топливу ВВС США: окислители азотной кислоты/тетраоксида азота (ред. AFRPL-TR-76-76). Корпорация Мартин Мариетта. стр. 2.3–3.
  14. ^ "Рассмотрение спутникового движения без гидразина". ESA . Получено 15 ноября 2014 г.
  15. ^ ab Valencia-Bel, Ferran (2012). «Замена обычного топлива космических аппаратов на экологичное топливо». Конференция Space Propulsion 2012, Бордо, Франция .
  16. ^ "Green propulsion". www.sscspace.com . Архивировано из оригинала 29 ноября 2014 . Получено 15 ноября 2014 .
  17. ^ "Apogee/Upper Stage Thrusters". www.moog.com . Архивировано из оригинала 2015-03-02 . Получено 15 ноября 2014 .
  18. ^ "400 N Bipropellant Apogee Motors". Astrium Space Propulsion . Архивировано из оригинала 2014-04-26 . Получено 15 ноября 2014 .
  19. ^ "Двухкомпонентные ракетные двигатели". www.rocket.com . Получено 15 ноября 2014 г. .
  20. ^ "Satellite Propulsion System". www.ihi.co.jp . Архивировано из оригинала 24 ноября 2014 года . Получено 15 ноября 2014 года .
  21. ^ "Двигатель LEROS приводит в движение космический аппарат Juno в его историческом путешествии к Юпитеру" . Получено 15 ноября 2014 г. .
  22. ^ Хьюстон, Мартин; Смит, Пит; Найкер, Лолан; Периго, Дэвид; Уолл, Ронан (2014). «Высокоскоростной апогеевый соленоидный клапан двигателя для следующего поколения планетарных миссий ЕКА». Конференция Space Propulsion 2014, Кельн, Германия (2962486).
  23. ^ ab Naicker, Lolan; Baker, Adam; Coxhill, Ian; Hammond, Jeff; Martin, Houston; Perigo, David; Solway, Nick; Wall, Ronan (2012). «Прогресс в направлении двигателя апогея 1,1 кН для межпланетного движения». Space Propulsion 2012, Бордо, Франция (2394092).
  24. ^ Периго, Дэвид (2012). «Большая платформа спутникового движения с упором на применение в разведке». Конференция Space Propulsion 2012, Сан-Себастьян, Испания .