Система хранения и подачи йода как рабочего тела электроракетных двигательных установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Система хранения и подачи иода как рабочего тела электроракетных двигательных установок

Щербина Павел Александрович,

инженер-конструктор ОАО

«Ракетно-космическая корпорация

«Энергия» им. С. П. Королёва».

Электроракетные двигатели (ЭРД) с замкнутым дрейфом электронов, такие как стационарные плазменные двигатели (СПД), двигатели с анодным слоем (ДАС), а также ионные двигатели (ИД) обычно используют плазмообразующие вещества с большой атомной массой и низким потенциалом ионизации. В качестве рабочего тела указанных ЭРД предпочтение отдают инертным газам, в частности ксенону, имеющему наибольший атомный вес (131,3 а.е.м.) и сравнительно низкий потенциал ионизации (12,1 эВ). По своим физическим свойствам и складированию он превосходит остальные газы, в то же время уступая металлам, например, ртути и висмуту. Наиболее важное эксплуатационное качество - ксенон химически инертен и не конденсируется на элементах конструкции космического аппарата (КА).

Однако ксенон дефицитен, очень дорог и его использование приводит к сложностям при наземной отработке ЭРД в вакуумных камерах, имея ввиду необходимость охлаждения стенок вакуумных камер жидким гелием.

С увеличением активного срока существования КА, а также при решении транспортных задач дальнего космоса, например, таких как экспедиция к Марсу или задач, связанных с обеспечением больших грузопотоков к Луне [1], существенно возрастают требуемые запасы рабочего тела, а, следовательно, и стоимость заправляемого ксенона. Кроме того, для отработки электроракетной двигательной установки (ЭРДУ) субмегаваттного и мегаваттного уровня мощности [2] затраты на создание большой вакуумной камеры, обеспечивающей инфраструктуры и криогенную систему откачки, будут огромны.

Таким образом, требования к рабочему телу ЭРД противоречивы. С одной стороны, необходимо, чтобы рабочее тело не конденсировалось на поверхности КА, с другой - для удешевления наземной отработки ЭРД предпочтительны конденсирующиеся рабочие тела, которые позволяют повысить производительность вакуумной системы для того, чтобы поддерживать высокий уровень вакуума при малой газовой нагрузке.

Конструкция системы хранения и подачи рабочего тела (СХП РТ) в стационарных ЭРД зависит от того, в каком состоянии это рабочее тело хранится. Инертный газ ксенон, как правило, хранится в газообразном состоянии при высоком давлении. В таком случае СХП РТ содержит баллон высокого давления, ресивер. теплообменник, клапаны, редуктор, датчики давления и температуры [2]. Ввиду небольшой плотности газа и большого количества арматуры недостатком такой СХП РТ является ее большая масса и габариты.

При использовании металлического рабочего тела габаритные размеры баков с рабочим телом могут быть уменьшены за счет большой плотности металла. В работе [2] приведен вариант пневмогидросхемы на рабочем теле ртуть. Однако от применения ртути отказались вследствие ее токсичности. Другие металлические рабочие тела, например, висмут, имеют высокие температуры фазовых переходов, что значительно усложняет СХП РТ и увеличивает интенсивность конденсации их на поверхности КА.

Поэтому большой практический интерес представляет использование йода в качестве рабочего тела мощных ЭРДУ [3, 4].

Иод (I) относится к галогенам, атомный номер 53, атомная масса 126,9 а.е.м., значения потенциалов ионизации атома иода (эВ): 10,44; 19,0; 31,4. Молекула иода (I2) состоит из двух атомов, связь между которыми ковалентная неполярная. Энергия диссоциации молекулы иода 1,54 эВ, степень термической диссоциации при 1 000 К составляет 0,28, при 2 000 К - 0,89. Плотность кристаллического иода при 293 К - 4,94 г/см3, плотность жидкого иода при 393 К - 3,96 г/см3. Температура плавления 386,6 К, температура кипения 456 К. Критические параметры: температура 826 К, давление 1 136,8·104 Па. При нагревании иод сублимируется, превращаясь в пар фиолетового цвета; при охлаждении пары иода кристаллизуются, минуя жидкую фазу. Химическая активность иода - наименьшая в ряду природных галогенов, однако он являет-ся энергичным окислителем. При обычных условиях соединяется с большинством металлов и неметаллов.

Анализ свойств иода показывает [4], что при использовании его в качестве рабочего тела ЭРДУ в условиях космического вакуума он практически не конденсируется на элементах КА, так как при окружающем давлении порядка 10-6 мм рт. ст. температура конденсации составляет 199 К.

Кроме того, в отличие от ЭРДУ на ксеноне, для наземной отработки которой требуется охлаждать криопанели вакуумных камер жидким гелием, при работе ЭРД на иоде криопанели достаточно охлаждать жидким азотом, что существенно снижает стоимость наземной отработки ЭРД и не требует создания гигантских стендовых баз.

В [3] предложена ЭРДУ, более 90 % рабочего тела которой составляет иод. СХП выполнена в виде содержащей иод емкости, снабженной нагревателем и соединенной трубопроводом с анодом ЭРД. Однако при работе в космосе при микрогравитации иод будет перемещаться по объему емкости, не прижимаясь к ее стенкам. При этом передача тепла от нагревателя будет происходить излучением, значительно снизив свою эффективность, т.е. КПД.

Рассмотрим предложенную в [5] СХП на иоде с повышенным значением КПД при работе ЭРДУ в условиях микрогравитации.

В предлагаемой системе хранения и подачи иода, содержащей снабженную нагревателем цилиндрическую емкость с иодом, которая сообщена с ЭРДУ трубопроводом с клапаном, на днище внутри цилиндрической емкости со стороны трубопровода установлена пористая шайба, контактирующая с кристаллическим иодом, причем цилиндрическая емкость со стороны противоположной трубопроводу содержит фланец и подпружиненный относительно него поршень, контактирующий с другой стороны с кристаллическим иодом, при этом нагреватель снабжен электрической изоляцией, контактирующей снаружи с днищем емкости со стороны трубопровода. Причем в системе подачи иода поршень выполнен составным в виде наружного стакана, контактирующего с цилиндром емкости, и вставленного в него внутреннего стакана, при этом днища стаканов обращены в разные стороны и между его днищами установлена пружина.

СХП иода (рис.1) состоит из цилиндрической емкости 1 с днищем 2, герметично соединенным трубопроводом 3, снабженным клапаном 4, с электроракетным двигателем. Цилиндрическая емкость 1 со стороны противоположной трубопроводу 3 содержит фланец 5 и подпружиненный относительно него поршень. Поршень выполнен составным в виде наружного стакана 6 с днищем 7, контактирующего с внутренней цилиндрической поверхностью емкости 1, и вставленного в него внутреннего стакана 8 с днищем 9, при этом днища стаканов 7 и 9 обращены в разные стороны и между ними установлена пружина 10. Днище наружного стакана 7 контактирует с кристаллическим иодом 11. Причем на днище 2 внутри емкости 1 установлена пористая шайба 12, контактирующая с кристаллическим иодом 11, при этом нагреватель 13 снабжен электрической изоляцией 14, контактирующей с днищем 2 снаружи цилиндрической емкости 1 и окруженной радиационными экранами 15.

Рис. 1. Система хранения и подачи иода

СХП иода работает следующим образом. В цилиндрической емкости 1 демонтируют фланец 5 и поршни 6 и 8 с пружиной 10. Засыпают кристаллический иод 11 в цилиндрическую емкость и вставляют наружный стакан 6 поршня днищем 7, обращенным к иоду 11. В полость наружного стакана 6 вставляют внутренний стакан 8 с пружиной 10, установленной между обращенными в разные стороны днищами 7 и 9 стаканов 6 и 8. Надавливая на днище 9 внутреннего стакана 8 фланцем 5, сжимают пружину 19. Герметизируют цилиндрическую емкость 1, и закрепляют на ней загрузочный фланец 5. Включают нагреватель 13 и нагревают днище 2, пористую шайбу 12 и прилегающий к ней слой иода до температуры (100 -110)0С, а также клапан 4 и трубопровод 3. При этом происходит испарение слоя кристаллического иода, примыкающего к пористой шайбе 12. Открывают клапан 4, при этом пар иода через клапан 4 поступает в трубопровод 3 и затем в электроракетный двигатель. По мере уменьшения объема кристаллического иода 11 под действием пружины 10 происходит перемещение наружного стакана 6 поршня, прижимающего иод 11 к поверхности пористой шайбы 12, стабилизируя режим испарения иода. При этом при полном опорожнении цилиндрической емкости 1 внутренний стакан 8 остается прижатым к фланцу 5, а наружный стакан 6 под действием пружины 10 выдвигается до упора в пористую шайбу 12, оставляя минимальным объем между стаканами 6, 8 и фланцем 5. При этом управлять расходом иода можно либо с помощью стандартного расходомера, либо оттарировав расход по подведенной мощности.

Выводы. Предложенная система хранения и подачи йода обеспечивает стабильную подачу иода при любом расположении цилиндрической емкости 1 в условиях гравитации и микрогравитации. Кроме того значительно повышается КПД за счет расхода энергии только на испарение небольшого слоя иода, а не всего иода, масса которого может составлять десятки и сотни килограмм, а также передачей тепла от нагревателя за счет теплопроводности и снижением его потерь с помощью радиационных экранов 15.

Учитывая близкие значения атомных масс ксенона и иода (131,3 и 126,9 а.е.м. соответственно) и их потенциалов ионизации (12,1 и 10,44 эВ) можно ожидать достаточно схожие характеристики ЭРД, функционирующих на таких рабочих телах.

йод двигатель электроракетный

Литература

1. Легостаев В.П., Лопота В.А., Синявский В.В. Перспективы и эффективность применения космических ядерно-энергетических установок и ядерных электроракетных двигательных установок // Космическая техника и технологии. 2013. № 1. С. 4-16.

2. Островский В.Г., Сухов Ю.И. Разработка, создание и эксплуатация ЭРД и ЭРДУ в ОКБ-1 - ЦКБЭМ - НПО «Энергия» - РКК «Энергия» (1958-2010). Королев // Сб. Ракетно-космическая техника. Труды. Сер.XII. Вып. 3-4. Королев: РКК «Энергия», 2011.

3. Патент RU 2308610. Российская Федерация. Электроракетная двигательная установка и способ ее эксплуатации. В.Г. Островский; заявитель и патентообладатель - ОАО РКК «Энергия»; заявка - 2005102446; приоритет от 01.02.2005 // Изобретения. 2006. № 19. (2007, № 29).

4. Островский В.Г., Смоленцев А.А., Соколов Б.А., Черашев Д.В Электроракетная двигательная установка на основе двигателей с замкнутым дрейфом электронов на иоде // Космическая техника и технологии. 2013. № 2. С.

5. Патент RU 2557789 C2. Российская Федерация. Система хранения и подачи иода. Островский В.Г.; Щербина П.А. Заявитель и патентообладатель - ОАО РКК «Энергия»; заявка - 2013150596/06; приоритет от 13.11.2013 // Бюллетень № 21, 27.07.2015.

Размещено на Allbest.ru