Способ усовершенствования ионных двигателей придумали в Перми | Новости науки
Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) придумали, как можно усовершенствовать ионные двигатели для космических роботов, кораблей и станций. Они рассчитали математическую модель, которая позволит доработать конструкцию отечественного ионного двигателя на этапе проектирования и снизить риск разрушения электродов во время его работы, сообщила пресс-служба вуза.
Орбитальные спутники помогают исследовать другие планеты, проводить научные эксперименты, отслеживать изменения климата и природные катаклизмы, а также обеспечивать Землю связью. Для управления их ориентацией и положением в космическом пространстве применяют ионный двигатель. Он создает реактивную тягу, позволяющую аппарату подниматься в небо, а ключевую роль в этом процессе играют электроды — тонкие круглые перфорированные пластины. При выводе объекта на околоземную орбиту они могут соударяться из-за воздействующей вибрации, что в дальнейшем ведет к их разрушению и влияет на работу двигателя. Ученые Пермского Политеха разработали математическую модель и с ее помощью проанализировали, как повреждаемость материала влияет на прочность и величину амплитуды колебаний электродов. Это поможет доработать отечественную конструкцию двигателя на этапе проектирования и не допустить разрушений. Исследование вносит вклад в развитие российской космической отрасли.
Чем выше удельный импульс двигателя, тем больше полезного груза при том же количестве топлива может вынести объект. Этот показатель наиболее высок у ионного двигателя, который используют для орбитальных спутников в качестве основного движителя для малых космических роботов, кораблей и станций.
Такой тип разгоняет ионы до скорости в десять раз выше, чем это могут сделать современные химические двигатели. Например, автоматическая межпланетная станция Dawn (запущена в 2007 году НАСА) стала одной из самых энергоэффективных за всю историю космонавтики, для ее полета было необходимо всего 3,25 мг топлива в секунду, при этом она установила рекорд скорости, разогнавшись до 39 900 км/час (11,1 км/с). Сейчас в России активно ведут работы по конструированию отечественных космических аппаратов с аналогичной технологией.
Принцип работы ионного двигателя заключается в ионизации газа, который разгоняется электростатическим полем для получения реактивной тяги и разгона космического корабля. В газоразрядную камеру подается топливо (газ), затем туда запускают высокоэнергетические электроны. Так образуется смесь из положительно заряженных ионов и отрицательных электронов. Ионы извлекаются системой, в общем случае состоящей из двух электродов. В результате ускоренный электростатическими силами пучок ионов создает тягу.
Электроды ионного двигателя представляют собой пластины, изготовленные из углерод-углеродного композиционного материала. Их малая толщина может привести к повреждению материала и снижению упругих характеристик в результате случайных вибраций, которые возникают при выводе космического аппарата на орбиту. В это время пары электродов соударяются, что в итоге приводит к их разрушению. Если рассмотреть этот процесс на уровне структуры (зерен) материала, то даже при невысоких напряжениях, в том числе вибрациях, зерна испытывают повреждения, а их свойства изменяются, что негативно сказывается на состоянии композита в целом.
Ученые Пермского Политеха разработали математическую модель, которая позволяет изучить изменения структуры материала электродов при возникающих во время полета космического аппарата нагрузках. Это поможет доработать ионно-оптическую систему электродов ионного двигателя на этапе проектирования, чтобы избежать разрушения в дальнейшем.
«Для анализа повреждаемости материала электродов и прогнозирования влияния деградации упругих свойств на амплитуду колебаний мы создали двухуровневую расчетную модель. Первый уровень позволяет найти вероятности повреждений зерен и их объемные доли, а затем перерасчитать упругие свойства композита. На втором компьютерная модель электрода нагружается и определяются поля распределения макронапряжений и макродеформаций. На каждом шаге решения идет обмен информацией между этими уровнями и становится видно, как в зависимости от накопленных повреждений изменяются свойства материала. Исследование демонстрирует, что моделирование структуры необходимо для прогнозирования его поведения на макроуровне», — рассказал Егор Разумовский, аспирант кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ.
После перерасчета в областях изменения упругих свойств материала электрода показатель макронапряжений упал на 9,54%. Однако площадь распространения областей с возможными повреждениями выросла на 8,1%. Политехники сравнили полученные данные с результатами неповрежденного электрода и обнаружили, что из-за снижения жесткости электродов амплитуда перемещений увеличивается. Это, в конечном счете, и приводит к их разрушению. Для правильного проектирования необходимо учитывать свойства материала на уровне зерен.
«При построении графика мы определили, что изменение амплитуды перемещений центральной точки электрода для двухуровневой модели составило 6,781% или 0,153 мм. Такое отклонение является существенной величиной по причине малого зазора между электродами. Превышение величины с учетом отклонения приведет к их соударению и разрушению. Это показывает важность прикладного применения разработанной теории и ее валидацию с реальными конструкциями», — отметил Вячеслав Шавшуков, доцент кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Исследование ученых Пермского Политеха позволит доработать конструкцию отечественного ионного двигателя на этапе проектирования и снизить риск разрушения электродов во время работы космических роботов, кораблей и станций.
Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника» за 2024 год. Исследование проведено по программе стратегического академического лидерства «Приоритет 2030» национального проекта «Наука и университеты».