Жидкий апогейный двигатель - Liquid apogee engine

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

А жидкостный апогейный двигатель (LAE), или же апогей двигатель, относится к типу химического ракетный двигатель обычно используется как главный двигатель космического корабля.

Название апогей двигатель зависит от типа маневра, для которого обычно используется двигатель, т.е. дельта-v изменение внесено в апогей эллиптической орбиты, чтобы сделать ее круговой. За геостационарные спутники, Этот тип орбитальный маневр выполняется для перехода от геостационарная переходная орбита и поместите спутник на станцию ​​по круговой геостационарная орбита. Несмотря на название, апогейный двигатель можно использовать для ряда других маневров, например, для снятия с орбиты в конце срока службы,[1] Выход на околоземную орбиту, вывод на планетарную орбиту[2][3] и планетарный спуск / восхождение.[4]

В некоторых областях космической промышленности LAE также называют жидкий апогей мотор (ЛАМ), а жидкий апогейный двигатель (LAT) и, в зависимости от топлива, двухрежимный жидкостный апогейный двигатель (ДМЛАТ). Несмотря на неоднозначность использования двигатель и мотор во всех этих названиях используется жидкое топливо. An апогей удар двигателя (AKM) или апогейный двигатель (ABM), такой как Свиристель однако использует твердое топливо.[5][ненадежный источник? ] Эти твердотопливные версии не используются на спутниках нового поколения.[5][6]

История

Апогейный двигатель восходит к началу 1960-х годов, когда такие компании, как Аэроджет, Rocketdyne, Моторы реакции, Bell Aerosystems, TRW Inc. и компания Marquardt принимали участие в разработке двигателей для различных спутников и космических кораблей.[7]

Производные от этих оригинальных двигателей до сих пор используются и постоянно развиваются.[8][9][10] и адаптирован для новых приложений.[11]

Макет

Типичная схема жидкостного апогейного двигателя может быть определена[12] как двигатель с:

  • подача гиперголического жидкого двухкомпонентного топлива с регулируемым давлением,
  • теплоизолированные электромагнитные клапаны или клапаны с моментным двигателем,
  • узел форсунки, содержащий (хотя и зависит от форсунки) центральный канал для окислителя и внешний канал для топлива,
  • камера сгорания с радиационным и пленочным охлаждением,
  • характеристическая скорость ограничено термической способностью материала камеры сгорания,
  • Коэффициент тяги ограничен сверхзвуковой площадью расширительного сопла.

Чтобы защитить космический корабль от теплового излучения камеры сгорания, эти двигатели обычно устанавливаются вместе с тепловой экран.[нужна цитата ]

Пропеллент

В двигателях Apogee обычно используется одно топливо и один окислитель. Этот пропеллент обычно, но не ограничивается,[7] а гиперголичный комбинация, такая как:

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

Во многих случаях смешанные оксиды азота (MON), например MON-3 (N
2О
4 с 3% масс. НЕТ ), используется как заменитель чистого N
2О
4.[13]

Использование N
2ЧАС
4 находится под угрозой в Европе из-за ДОСТИГАТЬ нормативно-правовые акты. В 2011 году рамочное законодательство REACH было добавлено N
2ЧАС
4 в свой список кандидатов вещества, вызывающие очень серьезную озабоченность. Этот шаг увеличивает риск того, что использование N
2ЧАС
4 будут запрещены или ограничены в ближайшей или среднесрочной перспективе.[14][15]

Исключения изыскиваются, чтобы разрешить N
2ЧАС
4 для использования в космосе, однако, чтобы снизить этот риск, компании исследуют альтернативные виды топлива и конструкции двигателей.[16] Переход на эти альтернативные виды топлива непрост, и такие вопросы, как производительность, надежность и совместимость (например, спутниковая двигательная установка и инфраструктура стартовой площадки) требуют изучения.[15]

Спектакль

Производительность апогейного двигателя обычно выражается в вакууме. удельный импульс и вакуумная тяга. Однако есть много других деталей, которые влияют на производительность:

  • На характеристическую скорость влияют такие детали конструкции, как комбинация пороха, давление подачи пороха, температура пороха и соотношение компонентов пороха.
  • На коэффициент тяги в первую очередь влияет сверхзвуковая площадь сопла.

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

Хотя эти двигатели предназначены для обеспечения определенной номинальной тяги и номинального удельного импульса при номинальных условиях подачи топлива, эти двигатели на самом деле проходят тщательные испытания, в ходе которых характеристики оцениваются в диапазоне рабочих условий, прежде чем их можно будет считать. квалифицированный. Это означает, что серийный двигатель, соответствующий требованиям к полетам, может быть настроен (в пределах разумного) производителем для удовлетворения конкретных требований миссии, таких как более высокая тяга.[21]

Операция

Большинство апогейных двигателей работают в двухпозиционном режиме при фиксированном уровне тяги. Это связано с тем, что используемые клапаны имеют только два положения: открытое или закрытое.[22]

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

Двигатели также могут обеспечивать максимальную совокупную продолжительность горения, иногда называемую совокупный расход топлива. Срок службы двигателя при определенном уровне производительности определяется сроком службы материалов конструкции, в первую очередь тех, которые используются для камеры сгорания.[12]

Приложения

Упрощенное разделение можно провести между апогейными двигателями, используемыми для телекоммуникационных и исследовательских миссий:

  1. Современные платформы телекоммуникационных космических аппаратов, как правило, больше выигрывают от высокого удельного импульса, чем от большой тяги.[23] Чем меньше топлива расходуется на выход на орбиту, тем больше остается для удержания на станции. Это увеличение количества оставшегося топлива может быть напрямую переведено на увеличение срока службы спутника, увеличивая финансовую отдачу от этих миссий.
  2. Космические аппараты для исследования планет, особенно большие, как правило, больше выигрывают от высокой тяги, чем от высокого удельного импульса.[24] Чем быстрее высокая дельта-v маневр может быть выполнен, чем выше эффективность этого маневра и тем меньше топлива требуется. Это сокращение требуемого топлива может быть напрямую переведено на увеличение массы автобуса и полезной нагрузки (на стадии проектирования), что позволяет повысить эффективность научных исследований в этих миссиях.[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


Рекомендации

  1. ^ а б «Единая двигательная установка - предыстория». Airbus Defense and Space. Архивировано из оригинал в 2014-09-25. Получено 29 января 2015.
  2. ^ Амос, Джонатан (04.09.2012). "Зонд" Юнона Юпитер "получает поддержку Великобритании". Новости BBC. Получено 29 января 2015.
  3. ^ Domingue, D. L .; Рассел, К. Т. (19 декабря 2007 г.). Миссия MESSENGER на Меркурий. Springer Science & Business Media. п.197. ISBN  978-0-387-77214-1.
  4. ^ «Комитет промышленной политики, план роботизированных исследований, программа работы на 2009-2014 годы и соответствующий план закупок» (PDF). Европейское космическое агентство. Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-03-03. Получено 25 января 2015.
  5. ^ а б Поча, Дж. Дж. (1987). «Апогейный маневр». Библиотека космических технологий Том 1. Введение в разработку миссий для геостационарных спутников. Глава 4: Маневр апогея. Springer. С. 51–66. Дои:10.1007/978-94-009-3857-1_4. ISBN  978-94-010-8215-0.
  6. ^ Лей, Уилфред; Виттманн, Клаус; Халльманн, Вилли, ред. (2009). Справочник по космической технике. John Wiley & Sons, Ltd., стр.323 –324. ISBN  978-0-470-69739-9.
  7. ^ а б c Стечман, Карл; Харпер, Стив (2010). «Улучшение характеристик малых ракетных двигателей с возможностью хранения на земле - эпоха приближения к теории». 46-я Конференция по совместным двигательным установкам AIAA / ASME / SAE / ASEE (2010–6884).
  8. ^ «ЕКА исследует ALM для двигателей космических спутников». LayerWise. Архивировано из оригинал в 2014-11-29. Получено 15 ноября 2014.
  9. ^ Гайд, Саймон (2012). «Конструкция камеры сгорания для аддитивного производства». Конференция Space Propulsion 2012, Бордо, Франция.
  10. ^ Гайд, Саймон (2012). «Исследование оптимизации конструкции типового двухкомпонентного инжектора для аддитивного производства». Конференция Space Propulsion 2012, Бордо, Франция.
  11. ^ Вернер, Дебра (2013-07-15). «Космическая силовая установка - Муг считает, что жидкостный ракетный двигатель с большей тягой подходит для полетов на Марс». www.spacenews.com. Получено 15 ноября 2014.
  12. ^ а б c Найкер, Лолан; Уолл, Ронан; Дэвид, Периго (2014). «Обзор тестирования опытно-конструкторской модели двигателя LEROS 4 High Thrust Apogee Engine». Конференция Space Propulsion 2014, Кельн, Германия (2969298).
  13. ^ Райт, А.С. (февраль 1977 г.). Справочники USAF по топливу: окислители азотной кислоты / тетроксида азота (Ред. AFRPL-TR-76-76). Martin Marietta Corporation. п. 2.3–3.
  14. ^ «С учетом движения спутника без гидразина». ЕКА. Получено 15 ноября 2014.
  15. ^ а б Валенсия-Бель, Ферран (2012). «Замена обычного топлива космических аппаратов на зеленое топливо». Конференция Space Propulsion 2012, Бордо, Франция.
  16. ^ «Зеленая пропульсация». www.sscspace.com. Архивировано из оригинал 29 ноября 2014 г.. Получено 15 ноября 2014.
  17. ^ "Апогей / Разгонные двигатели". www.moog.com. Архивировано из оригинал на 2015-03-02. Получено 15 ноября 2014.
  18. ^ "400 N Bipropellant Apogee Motors". Astrium Space Propulsion. Архивировано из оригинал на 2014-04-26. Получено 15 ноября 2014.
  19. ^ «Двухкомпонентные ракетные двигатели». www.rocket.com. Получено 15 ноября 2014.
  20. ^ «Спутниковая двигательная установка». www.ihi.co.jp. Архивировано из оригинал 24 ноября 2014 г.. Получено 15 ноября 2014.
  21. ^ "Двигатель LEROS приводит в движение космический корабль Juno в его историческом путешествии к Юпитеру". Получено 15 ноября 2014.
  22. ^ Хьюстон, Мартин; Смит, Пит; Найкер, Лолан; Периго, Дэвид; Уолл, Ронан (2014). «Электромагнитный клапан апогейного двигателя с высоким расходом для следующего поколения планетарных миссий ESA». Конференция Space Propulsion 2014, Кельн, Германия (2962486).
  23. ^ а б Найкер, Лолан; Бейкер, Адам; Коксхилл, Ян; Хаммонд, Джефф; Мартин, Хьюстон; Периго, Дэвид; Солуэй, Ник; Уолл, Ронан (2012). «Прогресс в создании двигателя с апогеем 1,1 кН для межпланетной тяги». Space Propulsion 2012, Бордо, Франция (2394092).
  24. ^ Периго, Дэвид (2012). «Движущая сила спутника большой платформы с акцентом на исследовательские приложения». Конференция Space Propulsion 2012, Сан-Себастьян, Испания.