Физические основы построения и проектирования высокотемпературных систем преобразования тока космических энергодвигательных установок

Описаны особенности рабочих процессов и функционирования высокотемпературных систем преобразования тока в энергодвигательных установках космических аппаратов, а также методы определения их основных характеристик. Рассмотрены принципы системного подхода к проектированию элементов высокотемпературных систем преобразования тока, изложены методики проектирования и экспериментального исследования их характеристик. Представлены подходы к решению оптимизационных задач создания бортовой энергоустановки, методология применения основных конструктивных принципов при разработке компоновочных схем энергоустановок с различными источниками энергии. Сформулированы требования к системам преобразования тока на базе высокотемпературных плазменных вентилей с цезиевым и бариевым наполнением и высокотемпературной бортовой кабельной сети.

Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 24.05.02 «Проектирование авиационных и ракетных двигателей» (специализация 24.05.02_05 «Проектирование электроракетных двигателей»). Может быть полезно для аспирантов, которые занимаются проблемами бортовой энергетики космических аппаратов.

Список литературы

1. Грязнов Г.М. Космическое атомное энергомашиностроение — новое направление в энергетике будущего // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1991. № 6. С. 24–33.
2. Латышев Л.А., Семашко Н.Н. Глобальная космическая энергетика // Из-вестия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1991. № 6. С. 16–23.
3. Основные направления развития и совершенствования бортовой энер-гетики космических аппаратов / А.Я. Гольдин [и др.] // Ракетно-космиче-ские двигатели и энергетические установки. 1993. Вып. 4. С. 58–68.
4. Фаворский О.Н., Фишгойт В.В., Янтовский Е.И. Основы теории космиче-ских электрореактивных двигательных установок. М.: Высшая школа, 1972. 488 с.
5. Штулингер Э. Ионные двигатели для космических полетов. М.: Мир, 1966. 618 с
6. Ultra-High Power Space Nuclear Power System. Design and Development / Rockwell International, Rocketdyne Division // Report NASA. 1989. November, no. 25808. P. 12.
7. Агеев В.П., Островский В.Г. Магнитоплазмодинамический двигатель большой мощности непрерывного действия на литии // Известия РАН. Энергетика. № 3. 2007. С. 82–95.
8. Горшков О.А., Муравлев В.А., Шагайда А.А. Холловские и ионные плаз-менные двигатели для космических аппаратов / под ред. А.С. Коротеева. М.: Машиностроение, 2008. 280 с.
9. Синявский В.В. О работах РКК «Энергия» имени С.П. Королёва в об-ласти создания ядерно-энергетических установок и ядерных электроракет-ных двигательных установок большой мощности // Ракетно-космическая техника. Труды РКК «Энергия» им. С.П. Королёва. Сер. 12. 2007. Вып. 1/2. С. 8–19
10. Technology Development Issues in Space Nuclear Power for Planetary Exploration / C.P. Bankston [et al.] // Acta Astronautica. 1991. Vol. 24, no. 1. P. 161–170.
11. Bennett G.L., Hemlet R.J., Schock A. Status Report on the US Space Nuclear Program // Acta Astronautica. 1996. Vol. 38, no. 4. P. 551–560.
12. Tikhonov V.B., Semenikhin S.A., Polk J.E. Own magneticfield impact on MPD thrusters performance with external magnetic field // Proceedings of the 26th Int. Electric Propulsion Conf. Kitakyushu, 1999. P. 1017–1023
13. Вишневский А.И., Руденко В.С., Платонов А.П. Силовые ионные и полу-проводниковые приборы. М.: Высшая школа, 1975. 343 с.
14. Каганов И.Л. Ионные приборы. М.: Энергия, 1972. 528 с
15. Козодаев А.М. Электрические управляемые вентили для формирования мощных импульсов тока. М.: Атомиздат, 1975. 64 с.
16. Лекоргийе Ж. Управляемые электрические вентили и их применение. М.: Энергия, 1971. 503 с.
17. Ситник Н.Х. Силовые кремниевые вентильные блоки. М.: Энергия, 1972. 223 с.
18. Исследование стационарного проводящего состояния сеточного ключе-вого элемента Ч. 2 /Ф.Г. Бакшт [и др.] // Журнал технической физики. 1978. Т. 48. Вып. 11. С. 2273–2294.
19. Кайбышев В.З., Кузин Г.А. Влияние третьего электрода на обрыв тока в низковольтной дуге // Журнал технической физики. 1975. Т. 45. Вып. 2. С. 320–327.
20. Глибицкий М.М. Системы питания и управления электрическими ракет-ными двигателями. М.: Машиностроение, 1981. 136 с.
21. Разработка высокотемпературных плазменных преобразователей напря-жения и тока — элементов систем согласования параметров ТРП и ЭРДУ / В.В. Онуфриев [и др.] // Ядерная энергетика в космосе: Доклад 5-й Межд. конф. Подольск, 1997. С. 443–452
22. Теория и расчет энергосиловых установок космических летательных ап-паратов / Л.А. Квасников [и др.]. М.: МАИ, 2001. 480 с.
23. Онуфриев В.В. Теплофизические параметры и энергетические характери -стики  высокотемпературных  высоковольтных  термоэмиссионных  вентилей на парах цезия и бария // Ядерная энергетика в космосе: Доклад 5-й Межд. конф. Подольск, 1997. С. 453–467.
24. Онуфриев В.В., Гришин С.Д.  Экспериментальное  исследование  электри-ческой прочности к обратному дуговому пробою термоэмиссионного диода с цезиевым наполнением // ТВТ. 1996. Т. 34, № 3. С. 482–485
25. Онуфриев В.В.,  Гришин С.Д., Синявский В.В.  Разработка  высокотемпера- турных преобразователей  напряжения  и  тока  —  элементов систем  согласо-
26. вания параметров термоэмиссионного реактора и электроракетной двига-тельной установки // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Машино-строение». 2003. № 4. С. 52–66.
27. Онуфриев В.В., Лошкарев А.И. Зажигание обратного дугового разряда в бариевом термоэмиссионном диоде // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Естественные науки». 2005. № 1. С. 72–77.
28. Онуфриев В.В., Лошкарев А.И., Синявский В.В. Электроэнергетические характеристики термоэмиссионного высоковольтного диода для космиче-ских энергодвигательных установок // Известия РАН. Энергетика. 2006. № 1. С. 87–97.
29. Энергетические характеристики высокотемпературных плазменных вентилей систем преобразования тока космических энергодвигательных установок / Е.В. Онуфриева [и др.] // Известия РАН. Энергетика. 2016. № 3. С. 1–14.
30. Оnufriyev V.V. The Results of Investigations of High Temperature High Voltage Thermion Diode // Int. Energy Conversion Engineering Conf. (IECEC 2000): Proceeding. Las Vegas (NV), 2000. P. 290–296
31. Выбор параметров систем преобразования тока в космических ЯЭУ большой мощности / В.В. Онуфриев [и др.] // Атомная энергия. 2000. Т. 89. Вып. 1. С. 78–81.
32. О массоэнергетических преимуществах высокотемпературной электро-ракетной двигательной установки / М.К. Марахтанов [и др.] // Известия РАН. Энергетика. 2003. № 3. С. 53–59
33. Характеристики высокотемпературной кабельной сети электроракетной двигательной установки с низковольтным источником тока / М.К. Марахта-нов [и др.] // Известия РАН. Энергетика. 2003. № 4. С. 71–77
34. Влияние параметров системы преобразования тока ядерной электрора-кетной двигательной установки на ее электрические и энергомассовые харак-теристики / В.В. Онуфриев [и др.] // Ракетно-космическая техника. Труды РКК «Энергия» им. С.П. Королёва. Серия XII. 2003. Вып. 1–2. С. 115–124
35. Кикоин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. М.: Наука, 1980. 208 с.
36. Марахтанов М.К., Онуфриев В.В., Синявский В.В. К расчету параметров высокотемпературных токовых шин для космических энергодвигательных установок // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2002. № 8. С. 23–29
37. Бакшт Ф.Г., Юрьев В.Г. Низковольтная дуга с накаленным катодом в парах цезия. Обзор // Журнал технической физики. 1976. Т. 46. Вып. 5. С. 905–936.
38. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток / под ред. Л.А. Сена, В.Е. Голанта. М.: Наука, 1971. 543 с.
39. Исследование стационарного проводящего состояния сеточного ключе-вого элемента Ч. 2 / Ф.Г. Бакшт [и др.] // Журнал технической физики. 1978. Т. 48. Вып. 11. С. 2275–2277.
40. Онуфриев В.В. Теплофизические параметры и энергетические характери-стики высокотемпературных высоковольтных термоэмиссионных вентилей на парах цезия и бария // Ядерная энергетика в космосе: Доклад 5-й Межд. конф. Подольск, 1997. С. 460–461.
41. Онуфриев В.В., Гришин С.Д. Экспериментальное исследование электри-ческой прочности к обратному дуговому пробою термоэмиссионного диода с цезиевым наполнением // ТВТ. 1996. Т. 34. № 3. С. 482–485.
42. Онуфриев В.В., Гришин С.Д., Пекшев П.Ю. Особенности высокотемпе-ратурных плазменных преобразователей напряжения термоэмиссионного реактора для питания высоковольтной ЭРДУ // Ракетно-космическая тех-ника. Труды РКК «Энергия» им. С.П. Королёва. Серия XII. 1998. Вып. 1/2. С. 254–268.
43. Оnufriyev V.V. The Results of Investigations of High Temperature High Voltage Thermion Diode // Int. Energy Conversion Engineering Conf. (IECEC 2000): Proceeding. Las Vegas (NV), 2000. P. 292–295.
44. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 2009. 736 с.
45. юбимов Г.А. Приэлектродные слои резкого изменения потенциала на «горячих» электродах // ТВТ. 1966. Т. 4. Вып. 1. С. 120–132
46. Онуфриев В.В., Лошкарев А.И. Зажигание обратного дугового разряда в цезиевом термоэмиссионном диоде // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Естественные науки». 2003. № 2. С. 90–102
47. О расчете характеристик разряда в высоковольтном плазменном термо-эмиссионном диоде в режиме обратного тока / Е.В. Онуфриева [и др.] // Известия РАН. Энергетика. 2017. № 6. С. 87–96
48. Смирнов Б.М. Физика слабоионизованного газа: В задачах с решениями. М.: Наука, 1985. 424 с.
49. Экспериментальное исследование влияния поперечного магнитного поля на ВАХ ТЭП в кнудсеновском режиме / Ю.А. Дунаев [и др.] // Журнал технической физики. 1970. Т. 40. Вып. 3. С. 561–566.
50. Исследование совместной работы цепи термоэмиссионный реактор — плазменный преобразователь тока — нагрузка космической энергодвигатель-ной установки / Е.В. Онуфриева [и др.] // Наука и образование: электрон-ное научно-техническое издание. 2013. № 12. С. 209–226. http://technomag. bmstu.ru/doc/669487.html DOI: 10.7463/1213.0669487
51. Мендельбаум М.А., Синявский В.В. Электромагнитное взаимодействие токонесущих электрогенерирующих сборок термоэмиссионного реактора- преобразователя // Известия РАН. Энергетика. 2009. № 2. С.133–148.
52. Мендельбаум М.А., Синявский В.В. Электромагнитные взаимодействия в термоэмиссионном электрогенерирующем элементе при изменении на-грузки // Известия РАН. Энергетика. 2009. № 2. С. 124–132
53. Мендельбаум М.А., Эськов В.Д. Термоэмиссионный преобразователь в режиме переключения нагрузки // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1983. № 6. С. 147–152.
54. Моделирование резонансных свойств и работы цепи термоэмиссион-ный реактор-преобразователь — термоэмиссионный вентиль — индуктив-ная нагрузка космической энергодвигательной установки / Е.В. Онуфриева [и др.] // Известия РАН. Энергетика. 2013. № 1. С. 68–78
55. Неустойчивый режим работы термоэмиссионного вентиля систе-мы преобразования тока космической энергодвигательной установки / Е.В. Онуфриева [и др.] // Ракетно-космическая техника. Труды РКК «Энер-гия» им. С.П. Королёва. Серия XII. 2009. Вып. 1/2. С. 39–47.
56. Онуфриев В.В., Онуфриева Е.В., Синявский В.В. Высокотемпературные системы преобразования тока перспективных космических энергодвига-тельных установок // Известия РАН. Энергетика. 2009. № 4. С. 137–144
57. Устойчивость цепи термоэмиссионный реактор-преобразователь — тер-моэмиссионный вентиль — индуктивная нагрузка космической энергодви-гательной установки / Е.В. Онуфриева [и др.] // Известия РАН. Энергетика. 2013. № 6. С. 99–108
58. Онуфриев В.В., Лошкарев А.И. Зажигание обратного дугового разряда в цезиевом термоэмиссионном диоде // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Естественные науки». 2003. № 2. С. 94–101
59. Онуфриев В.В., Лошкарев А.И., Синявский В.В. Электроэнергетические характеристики термоэмиссионного высоковольтного диода для космиче-ских энергодвигательных установок // Известия РАН. Энергетика. 2006. № 1. С. 88–94
60. Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма / под ред. Б.Я. Мойжеса и Г.Е. Пикуса. М.: Наука, 1973. 480 с.
61. Электрический пробой в электроизоляции ТЭП в парах цезия / А.П. Бе-лоусенко [и др.] // Теплофизика высоких температур. 1984. Т. 22, № 6. С. 1031–1033.