Экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование газодинамических процессов реактивной струи ионно-плазменного реактивного микродвигателя с ускорителем ионов на основе твёрдотельных высокочастотных элементов для космических аппаратов нанокласса

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-79-10038

НазваниеЭкспериментальное и расчетно-теоретическое исследование газодинамических процессов реактивной струи ионно-плазменного реактивного микродвигателя с ускорителем ионов на основе твёрдотельных высокочастотных элементов для космических аппаратов нанокласса

Руководитель Вавилов Игорь Сергеевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет" , Омская обл

Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-405 - Транспортная энергетика (наземного, водного, воздушного, космического транспорта)

Ключевые слова плазма, газовая струя, корректирующая двигательная установка, малый космический аппарат, ускоритель ионов, объёмный резонатор, азот, аргон, электронная температура, ионная температура, микроволновое излучение, эмиссионная спектроскопия, термовизуализация, тепловизор, ионный источник

Код ГРНТИ89.23.00; 29.27.29; 30.51.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Целью проекта является исследование проблемы высокочастотной низкотемпературной ионизации газообразных рабочих тел в реакторах на основе твёрдотельных ВЧ и СВЧ элементов в части изучения газодинамических, электрических, структурно-геометрических и тепловых параметров струи плазмы при истечении в пространство с низким фоновым давлением и создание ионно-плазменного реактивного микродвигателя с ионизацией и ускорением рабочего тела ВЧ и СВЧ воздействием. Структурно проект дифференцирован на фундаментально-научную и прикладную составляющие. Прикладная составляющая заключается в разработке прототипа ионно-плазменного микродвигателя с реактором и ускорителем ионизированного газа на основе низковаттных твердотельных ВЧ и СВЧ элементов. Данная задача отвечает требованиям Стратегии НТР РФ в части освоения и использования космического пространства. Научная составляющая проекта направлена на расширение знаний в области газовой динамики разреженного газа в части ускорения и истечения ионизированного газа в виде свободной струи с целью определения степени влияния энергетических воздействий (ВЧ и СВЧ воздействия, тепловое воздействие), геометрических параметров проточной части двигателя и объёмных резонаторов, типа излучающего устройства и пр. на выходные термогазодинамические и электрические характеристики струи. В контексте прикладной составляющей особый интерес представляет импульс струи и реактивная тяга. Решение научных задач неотрывно от решения практических задач. Разрабатываемый микродвигатель является стендовым лабораторным образцом для исследования плазменной струи. Актуальность накопления наработок и опыта в области космических микродвигателей для обеспечения управляемого движения малых космических аппаратов нанокласса (массой от 1 до 10 кг) обусловлена объективными причинами: миниатюризацией конструкции малых космических аппаратов, вследствие широкого распространения в космической сфере элементов микроэлектроники; экономической обоснованностью в условиях поиска путей удешевления космической техники и технологии при сохранении полноты решения поставленных задач; необходимостью развития отечественной научно-технической базы в области двигателестроения для аппаратов микро- и нанокласса в условиях жесткой мировой конкуренции за новые источники природных ресурсов с учётом геополитических особенностей современности. В рамках решения задач миниатюрного двигателестроения область повышенной эффективности реактивного движения смещается в сторону ионно-плазменных технологий. Данная ниша ещё не заполнена, но наблюдается повышенный интерес мирового инженерно-научного сообщества, как к мощным плазменным двигателям, так и к микродвигателям малых космических аппаратов. Проблема дальнейшего развития спутников нанокласса лежит в области обеспечения их управляемого движения. Неуправляемые аппараты имеют малый срок активного существования, а низкая энергетика аппарата не позволяет устанавливать на борту сложне оборудования научного, военного или хозяйственного назначения. Низкая надёжность МКА нанокласса компенсируется низкой стоимостью компонентов и подготовительных работ и возможностью запускать одновременно множество спутников. Без двигательной системы нельзя реализовать главное преимущество аппаратов нанокласса –способность группового решения задач путём объединения малых возможностей. Научная новизна в части инженерно-технических наук заключается в разработке методов, методик и прототипа ионно-плазменного микродвигателя мощностью до 10 Вт, в котором ионизация газифицированного рабочего тела в реакторе, работа которого основана на твердотельных ВЧ и СВЧ элементах, ускорение ионизированного газа производится в полицилиндрическом ионном ускорителе. Отличительная особенность данного устройства –отсутствие ускоряющего и фокусирующего магнитного поля, что значительно упрощает, облегчает конструкцию и снижает потребную для работы мощность. Научная новизна в части фундаментальных наук заключается в том, что будет проведено комплексное исследование плазменной струи, ускоренной в системах микродвигателя и истекающей в пространство с низким фоновым давлением. Будут получены газодинамические, теплофизические, структурно-геометрические и электрические параметры струи. Полученный массив данных позволит выделить факторы взаимного влияния параметров, выделить факторы влияния на силовые характеристики струи –импульс и реактивную тягу.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. И. С. Вавилов, В. В. Федянин, П. С. Ячменев, К. И. Жариков, А. И. Лукьянчик, П. В. Степень Обзор электроракетных двигателей с низкой потребляемой мощностью для корректирующих двигательных установок малых космических аппаратов ПРОБЛЕМЫ МАШИНОВЕДЕНИЯ Материалы IV Международной научно-технической конференции, стр. 236-248 (год публикации - 2020)

2. И. С. Вавилов, П. С. Ячменев, В. В. Федянин, П. В. Степень, А. И. Лукьянчик, К. И. Жариков Исследование характеристик ионного двигателя с СВЧ-генератором плазмы ПРОБЛЕМЫ МАШИНОВЕДЕНИЯ Материалы IV Международной научно-технической конференции, стр. 248-255 (год публикации - 2020)

3. Вавилов И.С., Федянин В.В., Ячменев П.С., Жариков К.И., Лукьянчик А.И., Степень П.В. Review of electric thrusters with low consumption power for corrective propulsion system of small space vehicles Journal of Physics: Conference Series, J. Phys.: Conf. Ser. 1546 012071 (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1546/1/012071

4. Вавилов И.С., Ячменев П.С., Федянин В.В., Степень П.В., Лукьянчик А.И., Жариков К.И. Investigation of the characteristics of an ion engine with a microwave generator plasma Journal of Physics: Conference Series, I S Vavilov et al 2020 J. Phys.: Conf. Ser. 1546 012072 (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1546/1/012072

5. Вавилов И.С., Ющенко В.А, Жариков К.И., Ячменев П.С. Определение массового расхода газа низкого давления ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ И ПОДГОТОВКИ ИНЖЕНЕРНЫХ КАДРОВ ДЛЯ АВИАКОСМИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ, Материалы XIV Всероссийской научно-технической конференции, посвященной памяти главного конструктора ПО «Полет» А. С. Клинышкова, стр. 10-14 (год публикации - 2020)

6. Вавилов И.С., Федянин В.В., Ячменев П.С., Степень П.В., Лукьянчик А.И., Жариков К.И. Investigation of plasma parameters of a single-gas ion engine using a single langmuir probe Journal of Physics: Conference Series, Journal of Physics: Conference Series, 2021, 1791(1), 012032 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/1791/1/012032

7. И. С. Вавилов, К. И. Жариков, В. В. Федянин, П. С. Ячменев, А. И. Лукьянчик, П.В. Степень Investigation of the ion-optical system of an ion thruster with a microwave plasma generator with a power of up to 10 W Acta Astronautica, Volume 189, Pages 548-558 (год публикации - 2021)
10.1016/j.actaastro.2021.09.015

8. Федянин В.В., Вавилов И.С,, Ячменев П.С., Жариков К.И., Лукьянчик А.И., Степень П.В. Determination of the ion beam velocity of an accelerator two-gap ion thruster Journal of Physics: Conference Series, Volume 2182, XV International Scientific and Technical Conference: Applied Mechanics and Systems Dynamics (AMSD 2021) 09/11/2021 - 11/11/2021 Online Citation V V Fedyanin et al 2022 J. Phys.: Conf. Ser. 2182 012051 (год публикации - 2022)
10.1088/1742-6596/2182/1/012051

9. Вавилов И.С., Ячменев П.С., Федянин В.В., Жариков К.И., Степень П.В., Лукьянчик А.И. Investigation of the operation of a microwave autogenerator with emitters of various designs Journal of Physics: Conference Series, Volume 2182, XV International Scientific and Technical Conference: Applied Mechanics and Systems Dynamics (AMSD 2021) 09/11/2021 - 11/11/2021 Online (год публикации - 2022)
10.1088/1742-6596/2182/1/012099

10. Вавилов И.С., Ячменев П.С., Жариков К.И., Федянин В.В., Лукьянчик А.И., Степень П.В. Determination of the thrust of an ion thruster by the aerodynamic method of double angle (AMαβ-method) Journal of Physics: Conference Series, Volume 2182, XV International Scientific and Technical Conference: Applied Mechanics and Systems Dynamics (AMSD 2021) 09/11/2021 - 11/11/2021 Online Citation I S Vavilov et al 2022 J. Phys.: Conf. Ser. 2182 012100 (год публикации - 2022)
10.1088/1742-6596/2182/1/012100

11. Вавилов И.С., Федянин В.В., Ячменев П.С., Жариков К.И., Лукьянчик А.И,, Степень П.В. Determination of the parameters of the microwave ion thruster by the calorimetric method Journal of Physics: Conference Series, Volume 2182, XV International Scientific and Technical Conference: Applied Mechanics and Systems Dynamics (AMSD 2021) 09/11/2021 - 11/11/2021 Online Citation I S Vavilov et al 2022 J. Phys.: Conf. Ser. 2182 012067 (год публикации - 2022)
10.1088/1742-6596/2182/1/012067

12. Вавилов И.С., Ячменев П.С., Федянин В.В., Степень П.В., Лукьянчик А.И., Жариков К.И. Determination of the thrust of an ion thruster by the resonant aerodynamic method (RAM-method) Journal of Physics: Conference Series, Volume 2182, XV International Scientific and Technical Conference: Applied Mechanics and Systems Dynamics (AMSD 2021) 09/11/2021 - 11/11/2021 Online Citation I S Vavilov et al 2022 J. Phys.: Conf. Ser. 2182 012068 (год публикации - 2022)
10.1088/1742-6596/2182/1/012068

13. И. С. Вавилов, П. С. Ячменев, В. В. Федянин, К. И. Жариков, П. В. Степень, А. И. Лукьянчик, И. А. Кузьменко ДВУХЗАЗОРНЫЙ СВЧ ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И ЕГО ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК. СЕРИЯ АВИАЦИОННО-РАКЕТНОЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ, Том: 6. Номер: 1. Год: 2022. Страницы: 109-117 (год публикации - 2022)
10.25206/2588-0373-2022-6-1-109-117

14. И. С. Вавилов, К. И. Жариков, П. С. Ячменев, В. В. Федянин, П. В. Степень, А. И. Лукьянчик, И. А. Кузьменко КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВЧ ИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК. СЕРИЯ АВИАЦИОННО-РАКЕТНОЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ, Том: 6. Номер: 1. Год: 2022. Страницы: 118-127 (год публикации - 2022)
10.25206/2588-0373-2022-6-1-118-127

Публикации