Лабораторія високочастотних іонних двигунів

  1. Головна
  2. Організації

Лабораторія високочастотних іонних двигунів

Лабораторія високочастотних іонних двигунів МАІ (ВЧ ВД МАІ) під керівництвом професора Хорста Леба створена для наукових досліджень та розробок за напрямом «Дослідження та розробка космічних високоімпульсних високочастотних електроракетних іонних двигунів». Програма робіт лабораторії має на меті дослідження та створення електричних ракетних двигунів (ЕРД) нового покоління високочастотних іонних двигунів (ВЧІД), відновлення технологій їх створення в Україні. Ці двигуни дозволять підвищити ефективність функціонування космічних апаратів (КА) нового покоління та забезпечити виконання цими КА програм на якісно новому рівні.

Основними завданнями проекту є: - модернізація експериментального комплексу для забезпечення дослідження та випробувань іонних двигунів на сучасному рівні; розробка фізико-математичних моделей ВЧІД та їх основних вузлів; розробка методик, проведення фундаментальних, пошукових та прикладних досліджень та випробувань ВЧІД та іонних джерел на їх основі, що дозволяють створити ВЧ іонні двигуни з найбільш високими для сучасних ЕРД тягово-енергетичними показниками; дослідження електрофізичних властивостей плазмового струменя двигуна та власного електромагнітного випромінювання ВЧІД; вивчення проблем застосування ВЧІД у різних космічних проектах на основі проектно-балістичних досліджень.

На підставі проведених досліджень мають бути розроблені лабораторні моделі ВЧІД нового покоління та їх підсистем.

Для виконання вищезазначених завдань має бути сформований науковий колектив із пріоритетом на омолодження штатного складу.

Область науки - «Космічні дослідження татехнології».

Хорст Вольфганг Льоб, керівник робіт

Провідним вченим (керівником) цього наукового дослідження за напрямом «Дослідження та розробка космічних високоімпульсних високочастотних плазмодинамічних електроракетних іонних двигунів» став професор Гіссенського університету (Німеччина) Хорст Вольфганг Льоб. Професор Х.Леб більше 50 років працює в галузі дослідження та розробки плазмодинамічних систем, високочастотних іонних двигунів (ВЧ ВД) космічних апаратів та іонно-плазмових технологічних джерел, а також іонно-плазмових інжекторів, призначених для термоядерних досліджень. У лабораторії Гіссенського університету, керованої проф. Х.Лебом, проводилися роботи з дослідження, розробки та створення зазначених двигунів та іонно-плазмових технологічних джерел; крім того, була розроблена фізико-математична модель процесу високочастотного нагріву плазми у розрядній камері іонних джерел, прискорення іонів у електростатичному прискорювальному каналі.

На основі теоретичних та експериментальних робіт, проведених у Гіссенському університеті під керівництвом проф. Х. Леба за підтримки Уряду Німеччини, зокрема Космічного агентства Німеччини (DLR) та європейських фірм (MBB, Astrium), створено сімейства ВЧ іонних двигунів (RIT), технологічних ВЧ іонних джерел (RIM), інжекторів дейтерію в термоядерний реактор типу TOКАMAK [ ASDEX Upgrade].

Іонні джерела на основі ВЧ нагріву плазми широко використовуються як високоефективні інжектори іонів у сучасних промислових технологіях, пов'язаних з нанесенням різноманітних покриттів, що значно покращують експлуатаційні характеристики технологічних матеріалів.

ВЧ ВД технології можуть розглядатися як технології,суттєво розширюючі можливості космічних транспортних систем. Їх використання як маршових двигунів і двигунів виконавчих органів управління рухом космічних апаратів дозволить суттєво підвищити ефективність вирішення багатьох наукових та комерційних завдань.

Загальне визнання у світі знайшли роботи професора Х. Леба у сфері обґрунтування доцільності використання електроракетних двигунів різного типу для вирішення завдань міжорбітального та міжпланетного перельоту, обґрунтування ефективності транспортних космічних систем на базі такого типу двигунів. Його статті та доповіді є піонерськими, новаторськими та визначають перспективи використання електроракетних двигунів та напрями їх розвитку, діапазони доцільних характеристик цих перспективних двигунів.

Ранні роботи професора Х.Леба (такі як «High-Energy Interplanetary Mission with Nuclear-Electric Propulsion», Proposal for ESA Scientific Program Post Horizon 2000 Giessen, October 1993; «Ein electrostatisches Raketentriebwerk mit Hoch , 1962; «Nuclear Energy in Space», Earth-Oriented Appl. Space Technology, Vol. 2, No 1, pp. двигунів та їх використання для реалізації багатьох космічних проектів.

Список публікацій професора Леба перевищує 200 найменувань. За безпосередньою участю, а також під керівництвом професора Леба зареєстровано 3 патенти. Без сумніву, професор Х.Леб є основоположником і визнаним у світі фахівцем у вищезазначених галузях науки і техніки.

Термін дії договору 2010 – 2012 рр.

Напрями робіт у 2010р.

Для виконання договору у МАІ організовано спеціальну лабораторію «Дослідження та розробка космічних високоімпульсних високочастотних плазмодинамічних електроракетних іонних двигунів» (Лабораторія ВЧ ВД МАІ).

  1. Розробка проекту модернізації стендів щодо експериментальних досліджень високочастотних іонних двигунів (ВЧ ВД).
  2. Аналіз перспектив застосування високочастотних іонних двигунів у найближчих завданнях дослідження об'єктів сонячної системи.
  3. Дослідження особливостей введення та перетворення енергії в умовах високочастотного розряду у плазмі.
  4. Аналіз базових фізичних процесів функціонування ВЛ джерел плазми.
  5. Постановка завдання дослідження власного електромагнітного випромінювання ВЧ ВД.

У 2011–2012 роках. під керівництвом професора Хорста Леба планується проведення широкого спектра робіт з теоретичних та експериментальних досліджень, пов'язаних із розробкою нового покоління іонних двигунів з високочастотним нагріванням плазми. Створення таких двигунів дозволить вирішити низку перспективних завдань пов'язаних із освоєнням ближнього та далекого космосу.

Результати діяльності

Здійснено модернізацію трьох стендів Лабораторії. Стенди оснащені сучасним високовакуумним безмасляним обладнанням та спеціалізованими системами електроживлення та контролю параметрів ВЧІД та джерел іонів потужністю від 0,35 до 35 кВт. Створено експериментальний комплекс світового рівня для дослідження фізичних процесів та випробувань іонних двигунів підвищеної потужності зі швидкістю відкачування до 235 тис. л/с. Це єдиний в Україні стенд, який оснащується безеховой камерою для дослідження та вимірювання власного електромагнітного випромінювання.електроракетних двигунів Проведено експериментальне дослідження інтегральних характеристик лабораторних модельних зразків ВЧІД та досліджено розподіл локальних параметрів плазми у струмені двигуна.

На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень розроблено конструкції:

  • двигуна ВЧІД-45, призначеного для транспортно-енергетичного модуля (ТЕМ) з ядерною енергоруховою установкою, який розробляється відповідно до Президентської програми модернізації промисловості в частині космічної техніки;
  • двигуна ВЧІД-16, призначеного для корекції орбіт телекомунікаційних геостаціонарних супутників зв'язку.
Розроблено основи технологічних процесів виготовлення критичних елементів конструкції ВЧІД із спеціальних сплавів, композитних та керамічних матеріалів. Проведено апробацію зразків цих елементів у складі лабораторних моделей ВЧІД малої розмірності. Розроблено комплекс фізико-математичних моделей основних вузлів ВЧІД, розроблено фізико-технічні засади проектних та конструкторських робіт при створенні ВЧІД.

Виконано проектно-балістичний аналіз використання ВЧІД великої потужності у складі транспортних енергетичних модулів для:

  • польотів космічних апаратів на високоенергетичні орбіти ближнього космосу, місій дослідження планет та його супутників, включаючи пілотовані марсіанські експедиції;
  • корекції орбіт небезпечних Землі астероїдів;
  • виконання програм «Многоразовий міжорбітальний буксир», «Многоразовий місячний буксир» та інших.

Результати роботи Лабораторії використані при виконанні таких значущих космічних проектів як ДКР з тем «ТЕМ з ядерною енергоруховою установкою», «Інтергеліо-зонд» таНДР на теми «Балістичний аналіз схем міжпланетних перельотів у рамках програми освоєння Місяця і Марса», «Вплив ЕРД на елементи конструкції та бортові радіосистеми КА». Ці та інші НДДКР виконували Лабораторія ВЧ ВД за договорами МАІ з головними підприємствами Роскосмосу: ІЦ ім. М.В. Келдиша, ЦНДІмаш та НУО ім. С. А. Лавочкіна.

Сформовано колектив Лабораторії із значною часткою молодих співробітників — інженерів, аспірантів, студентів.

Перспективи комерційного використання робіт Лабораторії

  • конструкторський та технологічний доробки, отримані при розробці ВЧІД-45, планується використовувати при створенні транспортно-енергетичного модуля з ядерною енергоруховою установкою мегаватного рівня потужності. Для реалізації цього проекту буде потрібно виготовлення кількох десятків найпотужніших на сьогоднішній день ЕРД — іонних двигунів, що забезпечить замовленнями підприємства Роскосмосу та інших відомств;
  • розроблений у Лабораторії проект ВЧИД-16 покладено основою конструкції льотних зразків двигунів корекції орбіт космічних геостаціонарних супутників зв'язку, зокрема комерційних телекомунікаційних супутників, ринок яких постійно розвивається;
  • наявність у Лабораторії унікальної стендової бази світового рівня відкриває можливості для її комерційного використання при виконанні кваліфікаційних, ресурсних та сертифікаційних випробувань електроракетних двигунів та їх випробувань на електромагнітну сумісність із системами КА.