Островский

Островский
Шифр эксперимента: Островский
Направление НПИ: 5. Технологии освоения космического пространства
Секция КНТС: Технические исследования и эксперименты
Наименование эксперимента: Исследование работы электроракетного двигателя на рабочем теле йод в космосе
Цель эксперимента:

-разработка и отработка технических решений, исследование технологий запуска и работы электроракетной двигательной установки (ЭРДУ) на рабочем теле иод в космосе;

-отработка технологии испытаний ЭРДУ в составе МКС и ТГК «Прогресс»

Описание эксперимента:

В настоящее время в качестве рабочего тела для СПД используют ксенон, имеющий большой атомный вес (131 а.е.м.) и сравнительно низкий потенциал ионизации (12,1 эВ). Он химически инертен и не конденсируется на элементах конструкции КА.

Однако ксенон имеет ряд существенных недостатков:

-1 кг ксенона стоит порядка 2 000 долларов США;

-мировое производство ксенона составляет около 20 т в год;

- при наземной отработке СПД на ксеноне требуется установка в вакуумной камере гелиевых криопанелей, что значительно повышает стоимость и усложняет испытания, особенно – ресурсные.

С увеличением срока активного существования КА, а также при решении транспортных задач дальнего космоса существенно возрастают требуемые запасы рабочего тела, а следовательно, и стоимость заправляемого ксенона. Для отработки электрореактивной двигательной установки (ЭРДУ) мегаваттного уровня затраты только на систему откачки превысят миллиард рублей. Поэтому большой практический интерес представляет использование в качестве рабочего тела ЭРДУ иода.

Необходимость проведения предлагаемого КЭ в космосе связана со сложностью и дороговизной полной имитации условий космоса на Земле, в частности имитаторов солнечного излучения и теневого захолаживания для исследования осаждения иода на элементы КА.

Второй важной особенностью КЭ является отработка в условиях космоса безрасходного катода-нейтрализатора СПД. В случае положительного результата это позволит снизить расход рабочего тела СПД (как ксенона, так и иода) примерно на 10% без изменения тяги.

Новизна эксперимента: Новизна КЭ «Островский» состоит в том, что впервые в отечественной и мировой практике в условиях реального космического полета будут исследованы процессы, происходящие в ЭРДУ на рабочем теле иод.
  
В подготовке и проведении эксперимента будут участвовать ведущие организации и специалисты (в том числе два академика РАН), обладающие значительным научно-техническим опытом. Мировой уровень работы подтверждается тем, что основные технические решения защищены патентами РФ на изобретения.
  
Проведение космического эксперимента позволит создать научно-техническую базу для разработки ЭРДУ на иоде.

Ожидаемый эффект от проведенного эксперимента состоит в возможности ввода в эксплуатацию нового типа двигательных установок, которые в течение 3-5 лет могут стать самым массовым типом космических ЭРДУ.

Не меньший эффект состоит и в том, что к проведению работ будут привлечены студенты и аспиранты ведущих ВУЗов страны. Это повысит квалификацию кадров молодых работников аэрокосмической промышленности
Научная аппаратура:

В состав НА «Островский – К» должны входить:

-внешний блок;

-внутренний блок;

-кабели.

Технические характеристики НА «Островский – К»:

-масса НА (заправленной): не более 25 кг;

-масса заправленного рабочего тела (ксенона): не более 2,3 кг.

Внешний блок НА «Островский – К» должен монтироваться космонавтами на адаптер полезной нагрузки (АДПН) при ВнуКД и через шлюзовую камеру (ШК) устанавливаться манипулятором ERA на одно из универсальных рабочих мест (УРМ) на внешней поверхности МЛМ-У.

Технические характеристики внешнего блока НА «Островский – К»:

-габаритные размеры (мм): не более 1000х500х450 мм;

-потребляемая мощность: не более 500 Вт;

-масса (заправленного): не более 21,3 кг;

-напряжение питания: 28 В.

Отвод тепловой рассеиваемой мощности должен обеспечиваться собственными радиационными панелями.

Характеристики внутреннего блока НА «Островский – К»:

-габаритные размеры (мм): не более 300х200х200 мм;

-потребляемая мощность: не более 20 Вт;

-масса: не более 1,5 кг;

-напряжение питания: 28 В.

Ожидаемые результаты:

Проведение космического эксперимента позволит создать научно-техническую базу для разработки ЭРДУ на иоде.

Ожидаемый эффект от проведенного эксперимента состоит в возможности ввода в эксплуатацию нового типа двигательных установок, которые в течение 3-5 лет могут стать самым массовым типом космических ЭРДУ.

Не меньший эффект состоит и в том, что к проведению работ будут привлечены студенты и аспиранты ведущих ВУЗов страны. Это повысит квалификацию кадров молодых работников аэрокосмической промышленности
Сроки проведения: 2019-2023 гг.
Состояние эксперимента: Введен
Организация постановщик: РКК «Энергия» имени С.П. Королёва
Организации участники: НИИ ПМЭ МАИ; ФГУП ОКБ «Факел»; МГТУ им. Н.Э. Баумана; АО «НПЦ «Полюс»;  ЦПК имени Ю.А. Гагарина, ЦУП-ЦНИИМАШ
Научный руководитель: Попов Г. А., НИИ ПМЭ МАИ, академик РАН
Публикации по эксперименту:

1 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. 43–52.

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» //Изобретения. 2006. № 19.

4 Патент RU 2309293. Российская Федерация. Электроракетный двигатель (его варианты) и способ его эксплуатации. В.Г. Островский; заявитель и патентообладатель – ОАО РКК «Энергия» // Изобретения. 2007. № 30.

5 Патент РФ № 2509228, Модель стационарного плазменного двигателя. Кропотин С.А., Бутрин А.В., Островский В.Г., Смоленцев А.А., Черашев Д.В., заявитель и патентообладатель — ОАО РКК «Энергия»// БИ № 7. 10.03.2014 г.

6 Szabo J., Robin M., Paintal S., Pote B., Hruby V., Freeman C. Iodine propellant space propulsion // 33rd International Electric Propulsion Conference, 6–10 October 2013, The George Washington University, Washington D.C., USA, IEPC-2013-311.

7 Hillier A.C., Branam R.D., Huffman R.E., Szabo J. High thrust density propellants in Hall thrusters // AIAA 2011-524.

8 Szabo J., Pote B., Paintal S., Robin M., Hillier A., Branam R.D., Huffman R.E. Performance evaluation of an iodine-vapor Hall thruster // Journal of Propulsion and Power. 2012. V. 28. № 4. P. 848–857.

9 Патент 2557789 С2. Российская Федерация. Система хранения и подачи иода. Борисенко А.А., Кропотин С.А., Островский В.Г., Смоленцев А.А., Щербина П.А. Заявитель и патентообладатель — ОАО РКК «Энергия»; заявка 2013150596; приоритет от 13.11.2013 г. // Изобретения, № 21, 27.07.2015 г.

10 C. Hillier A. C., Branam R. D., Huffman R. E. et al. Thrust Density Propellants in Hall Thrusters // AIAA 2011-5240. Florida, USA. 2011. P. 1—15.

11 Kieckhafer A., King L. B. Energetics of Propellant Options for High-Power Hall Thrusters // Proceedings of the Space Nuclear Conference, paper 1092. California, USA. 2005. P. 1—10.

12 Ali M., Kim Y. Ionization cross sections by electron impact on halogen atoms, diatomic halogen and hydrogen halide molecules // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 2008. Vol. 41. P. 145202.

13 Kurt A., Polzin, Peeples S. Iodine Hall Thruster Propellant Feed System for a CubeSat // American Institute of Aeronautics and Astronautics. 2014. P. 1—10.

Последнее обновление: 18.06.2019
Задачи эксперимента:

С помощью НА «Островский-К» необходимо отработать технологии испытаний ЭРДУ на борту МКС и основные технические решения, принятые для создания конструкции ЭРД, использующего иод в качестве рабочего тела, для чего решить следующие задачи:

- разработка и отработка на ксеноне конструкции двигателя с новыми катодами – нейтрализаторами для ЭРД на иоде, отработка режимов их совместной работы;

- отработка технологии испытаний ЭРДУ на борту РС МКС;

- отработка методик и систем для измерений параметров плазмы в струе ЭРД на иоде на Земле и в космосе.

С помощью НА «Островский-И» необходимо провести испытания экспериментального образца ЭРДУ на рабочем теле иод на ТГК «Прогресс», для чего решить следующие задачи:

- разработка и отработка режимов работы системы хранения и подачи рабочего тела иод в ЭРД;

- проверка работоспособности ЭРДУ на рабочем теле иод и оценка выходных параметров ЭРД на иоде;

- определение скорости осаждения иода на контрольные датчики;

Поскольку в настоящее время разработка ЭРД на иоде находится на самой ранней стадии, целесообразной является отработка конструкции ЭРД на иоде сначала на ксеноне, имеющем близкий к иоду массу и потенциал ионизации. Кроме того, для работы ЭРД на иоде необходимы новые катоды-нейтрализаторы, способные длительное время работать с агрессивным иодом. Отработка конструкции ЭРД на иоде с новыми катодами сначала на ксеноне позволит отработать рабочий процесс в двигателе, существенно уменьшив число решаемых проблем, и значительно ускорить разработку ЭРД на иоде.

Отдельно необходимо отметить  ограниченность возможностей ТГК «Прогресс» для проведения экспериментов с ЭРДУ на рабочем теле иод: в первую очередь это связано с непродолжительным временем существования ТГК после отделения от МКС, не более 30 суток, а с учетом ограничений на электропитание для нужд научной аппаратуры. В этих условиях возможность проведения длительных испытаний НА с новыми катодами на борту МКС позволит более полно оценить режимы работы перспективной ЭРДУ, а также при необходимости внести корректировки в режимы работы ЭРДУ на рабочем теле иод без угрозы провала миссии.

Дополнительным научным и практическим результатом является возможность доставки на Землю катодов и внешнего блока, отработавших длительное время на МКС в реальных условиях космоса.

Испытания ЭРД на МКС и ТГК «Прогресс» до настоящего времени не проводились. Поэтому отработка технологий проведения испытаний ЭРД на МКС и ТГК «Прогресс» представляет самостоятельный интерес, так как позволит существенно упростить подготовку и проведение последующих таких испытаний.

Постановщики эксперимента: Стриженко П.П.,  РКК «Энергия» имени С.П. Королёва
Страна: Россия