В России придумали, как усовершенствовать ионные двигатели
Российские ученые выяснили, как можно улучшить ионные двигатели, предназначенные для разгона космических аппаратов для масштабного освоения космического пространства. С этой целью они разработали математическую модель, с помощью которой можно будет дорабатывать конструкцию ионного двигателя еще на этапе проектирования. Это в свою очередь позволит снизить риск вибродинамического разрушения электродов на этапе выведения космического аппарата на околоземную орбиту.
Принцип работы ионного двигателя следующий: реактивная тяга создается путем ионизации газа до высоких скоростей в электростатическом поле. Ключевая роль в этом процессе отводится сеткам — парным электродам, обычно представляющим собой тонкие круглые перфорированные пластины. «Удельный импульс, характеризующий эффективность двигательной установки и показывающий отношение доли количества движения к условному весу отработанной (затраченной) доли рабочего тела (иногда называемого "топливом"), наиболее высок для ионного ракетного двигателя», — отметили в Пермском национальном исследовательском политехническом университете (ПНИПУ), добавив, что этот показатель напрямую зависит от геометрических характеристик ускоряющей решетки.
Но проблема в том, что электроды могут соударяться при выводе объекта на околоземную орбиту из-за вибродинамических напряжений, создаваемых ракетой-носителем. Это в свою очередь приводит к изгибам решеток, нарушению их взаимного расположения и даже разрушению пластин. В последнем случае ионный двигатель просто не сможет функционировать.
Чтобы выяснить, как может меняться структура материала электродов под вибрационной нагрузкой, российские специалисты и создали математическую модель. В частности, она позволила им оценить изменение прочности и величины амплитуды колебаний пластин в двигателе.
Расчетная модель состояла из двух уровней и применялась для решеток, изготовленных из углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ), обладающих высокими прочностными свойствами в сравнении с традиционными металлическими материалами. На первом уровне пермские ученые вычислили вероятности повреждений зерен углеродной матрицы и их объемные доли, а затем произвели перерасчет упругих свойств композита.
Второй уровень предполагал определение того, как распределяются макронапряжения и макродеформации электрода. «На каждом шаге решения идет обмен информацией между этими уровнями и становится видно, как в зависимости от накопленных повреждений изменяются свойства материала», — объяснил аспирант кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» Егор Разумовский.
По итогам эксперимента выявлены наиболее опасные состояния повреждения УУКМ и представлены предложения по возможному снижению этих параметров. Как выяснили ученые, амплитуда перемещений растет из-за снижения жесткости электродов, что и вызывает их разрушение. В этом смысле пермские ученые считают важным учитывать свойства композитного материала на уровне зерен — это необходимо для правильного проектирования.
«Это поможет доработать ионно-оптическую систему электродов ионного двигателя на этапе проектирования, чтобы избежать разрушения в дальнейшем», — резюмировали авторы работы.
Ранее российские ученые предложили создать «ионный перехватчик» для борьбы с космическим мусором. Концепцию орбитального уборщика разработали в Самаре, предложив воздействовать на обломки мусора ионным потоком. Он будет «сдувать» их с орбиты и тем самым заставлять изменять траекторию.
Самое популярное
