Лаборатория высокочастотных ионных двигателей

Уровень выше ОБОСОБЛЕННЫЕ СТРУКТУРНЫЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЯ
Корпус (МАИ) 7


Лаборатория высокочастотных ионных двигателей МАИ (ВЧ ИД МАИ) под руководством профессора Хорста Лёба создана для научных исследований и разработок по направлению «Исследования и разработка космических высоко-импульсных высокочастотных электроракетных ионных двигателей». Программа работ лаборатории имеет целью исследование и создание электрических ракетных двигателей (ЭРД) нового поколения высокочастотных ионных двигателей (ВЧИД), восстановлению технологий их создания в России. Эти двигатели позволят повысить эффективность функционирования космических аппаратов (КА) нового поколения и обеспечить выполнение этими КА программ на качественно новом уровне.

Основными задачами проекта являются: модернизация экспериментального комплекса для обеспечения исследования и испытаний ионных двигателей на современном уровне; разработка физико-математических моделей ВЧИД и их основных узлов; разработка методик, проведения фундаментальных, поисковых и прикладных исследований и испытаний ВЧИД и ионных источников на их основе, позволяющих создать ВЧ ионные двигатели с наиболее высокими для современных ЭРД тягово-энергетическими показателями; исследование электрофизических свойств плазменной струи двигателя и собственного электромагнитного излучения ВЧИД; изучение проблем применения ВЧИД в различных космических проектах на основе проектно-баллистических исследований.

На основании проведенных исследований должны быть разработаны лабораторные модели ВЧИД нового поколения и их подсистем.

Для выполнения вышеперечисленных задач должен быть сформирован научный коллектив с приоритетом на омоложение штатного состава.

В 2010г. Московский авиационный институт подавал заявку на участие в конкурсе на получение гранта Правительства Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования, в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 220 «О мерах по привлечению ведущих ученых в российские образовательные учреждения высшего профессионального образования».

Область науки — «Космические исследования и технологии».

Решением Совета по грантам Правительства Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования (протокол от 29 октября 2010 г. № 3) Московский авиационный институт был включен в список победителей конкурса, и вузу был выделен грант Правительства Российской Федерации.

Хорст Вольфганг Лёб, руководитель работ

Ведущим ученым (руководителем) данного научного исследования по направлению «Исследования и разработка космических высокоимпульсных высокочастотных плазмодинамических электроракетных ионных двигателей» стал профессор Гиссенского университета (Германия) Хорст Вольфганг Лёб. Профессор Х.Лёб более 50 лет работает в области исследования и разработки плазмодинамических систем, высокочастотных ионных двигателей (ВЧ ИД) космических аппаратов и ионно-плазменным технологическим источникам, а также ионно-плазменным инжекторам, предназначенным для термоядерных исследований. В лаборатории Гиссенского университета, руководимой проф. Х.Лёбом, проводились работы по исследованию, разработке и созданию указанных двигателей и ионно-плазменных технологических источников; кроме того, была разработана физико-математическая модель процесса высокочастотного нагрева плазмы в разрядной камере ионных источников, ускорения ионов в ускорительном электростатическом канале.

На основе теоретических и экспериментальных работ, проведенных в Гиссенском университете под руководством проф. Х. Лёба при поддержке Правительства Германии, в частности Космического агентства Германии (DLR) и европейских фирм (MBB, Astrium), созданы семейства ВЧ ионных двигателей (RIT), технологических ВЧ ионных источников (RIM), инжекторов дейтерия в термоядерный реактор типа TOКАMAK [ASDEX Upgrade].

Ионные источники на основе ВЧ нагрева плазмы широко используются в качестве высокоэффективных инжекторов ионов в современных промышленных технологиях, связанных с нанесением различного рода покрытий, значительно улучшающих эксплуатационные характеристики технологических материалов.

ВЧ ИД технологии могут рассматриваться как технологии, существенно расширяющие возможности космических транспортных систем. Их использование в качестве маршевых двигателей и двигателей исполнительных органов управления движением космических аппаратов позволит существенно повысить эффективность решения многих научных и коммерческих задач.

Общее признание в мире нашли работы профессора Х. Лёба в области обоснования целесообразности использования электроракетных двигателей разного типа для решения задач межорбитального и межпланетного перелета, обоснования эффективности транспортных космических систем на базе такого типа двигателей. Его статьи и доклады являются пионерскими, новаторскими и определяют перспективы использования электроракетных двигателей и направления их развития, диапазоны целесообразных характеристик этих перспективных двигателей.

Ранние работы профессора Х.Леба (такие как «High-Energy Interplanetary Mission with Nuclear-Electric Propulsion», Proposal for the ESA Scientific Program Post Horizon 2000 Giessen, October 1993; «Ein electrostatisches Raketentriebwerk mit Hochfrequenzionenquelle» , Astronautica Acta V111, 1, 1962; «Nuclear Energy in Space», Earth-Oriented Appl. Space Technology, Vol. 2, No 1, pp. 1-16, 1982) можно рассматривать как базовые исследования, положившие начала обоснованию целесообразности развития направления, связанного с созданием нового типа двигателей и их использования для реализации многих космических проектов.

Список публикаций профессора Лёба превышает 200 наименований. При непосредственном участии, а также под руководством профессора Лёба зарегистрировано 3 патента. Без сомнения профессор Х.Лёб является основоположником и признанным в мире специалистом в вышеперечисленных областях науки и техники.

25 ноября 2010 г. был заключен трехсторонний договор № 11.G34.31.0022 между Министерством образования и науки Российской Федерации, МАИ и Х.Лёбом о государственной поддержке проводимых в МАИ научно — исследовательских работ по разработке высокочастотных ионных двигателей (ВЧ ИД) следующего поколения.

Срок действия договора 2010 — 2012 гг.

Направления работ в 2010г.:

Для выполнения договора в МАИ организована специальная лаборатория «Исследования и разработка космических высокоимпульсных высокочастотных плазмодинамических электроракетных ионных двигателей» (Лаборатория ВЧ ИД МАИ).

  1. Разработка проекта модернизации стендов для проведения экспериментальных исследований высокочастотных ионных двигателей (ВЧ ИД).
  2. Анализ перспектив применения высокочастотных ионных двигателей в ближайших задачах по исследованию объектов солнечной системы.
  3. Исследования особенностей ввода и преобразования энергии в условиях высокочастотного разряда в плазме.
  4. Анализ базовых физических процессов функционирования ВЧ источников плазмы.
  5. Постановка задачи исследования собственного электромагнитного излучения ВЧ ИД.

В 2011–2012 гг. под руководством профессора Хорста Лёба планируется проведение широкого спектра работ по теоретическим и экспериментальным исследованиям, связанным с разработкой нового поколения ионных двигателей с высокочастотным нагревом плазмы. Создание таких двигателей позволит решить ряд перспективных задач связанных с освоением ближнего и дальнего космоса.

Результаты деятельности

Осуществлена модернизация трех стендов Лаборатории. Стенды оснащены современным высоковакуумным безмасляным оборудованием и специализированными системами электропитания и контроля параметров ВЧИД и источников ионов мощностью от 0,35 до 35 кВт. Создан экспериментальный комплекс мирового уровня для исследования физических процессов и испытаний ионных двигателей повышенной мощности со скоростью откачки до 235 тыс. л/с. Это единственный в России стенд, который оснащается безэховой камерой для исследования и измерения собственного электромагнитного излучения электроракетных двигателей. Проведено экспериментальное исследование интегральных характеристик лабораторных модельных образцов ВЧИД и исследовано распределение локальных параметров плазмы в струе двигателя.

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны конструкции:

  • двигателя ВЧИД-45, предназначенного для транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) с ядерной энергодвигательной установкой, который разрабатывается в соответствии с Президентской программой по модернизации промышленности в части космической техники;
  • двигателя ВЧИД-16, предназначенного для коррекции орбит телекоммуникационных геостационарных спутников связи.
Разработаны основы технологических процессов изготовления критичных элементов конструкции ВЧИД из специальных сплавов, композитных и керамических материалов. Проведена апробация образцов этих элементов в составе лабораторных моделей ВЧИД малой размерности. Разработан комплекс физико-математических моделей основных узлов ВЧИД, разработаны физико-технические основы проектных и конструкторских работ при создании ВЧИД.

Выполнен проектно-баллистический анализ использования ВЧИД большой мощности в составе транспортных энергетических модулей для:

  • полетов космических аппаратов на высокоэнергетические орбиты ближнего космоса, миссий для исследования планет и их спутников, включая пилотируемые марсианские экспедиции;
  • коррекции орбит опасных для Земли астероидов;
  • выполнения программ «Многоразовый межорбитальный буксир», «Многоразовый лунный буксир» и других.

Результаты работы Лаборатории использованы при выполнении таких значимых космических проектов как ОКР по темам «ТЭМ с ядерной энергодвигательной установкой», «Интергелио-зонд», и НИР по темам «Баллистический анализ схем межпланетных перелетов в рамках программы освоения Луны и Марса», «Воздействие ЭРД на элементы конструкции и бортовые радиосистемы КА». Эти и другие НИОКР выполнялись Лабораторией ВЧ ИД по договорам МАИ с головными предприятиями Роскосмоса: ИЦ им. М.В. Келдыша, ЦНИИмаш и НПО им. С. А. Лавочкина.

Сформирован коллектив Лаборатории со значительной долей молодых сотрудников — инженеров, аспирантов, студентов.

Перспективы коммерческого использования работ Лаборатории

  • конструкторский и технологический заделы, полученные при разработке ВЧИД-45, планируется использовать при создании транспортно-энергетического модуля с ядерной энергодвигательной установкой мегаваттного уровня мощности. Для реализации этого проекта потребуется изготовление нескольких десятков самых мощных на сегодняшний день ЭРД — ионных двигателей, что обеспечит заказами предприятия Роскосмоса и других ведомоств;
  • разработанный в Лаборатории проект ВЧИД-16 положен в основу конструкции лётных образцов двигателей коррекции орбит космических геостационарных спутников связи, в том числе коммерческих телекоммуникационных спутников, рынок которых постоянно развивается;
  • наличие в Лаборатории уникальной стендовой базы мирового уровня открывает возможности для её коммерческого использования при выполнении квалификационных, ресурсных и сертификационных испытаний электроракетных двигателей и их испытаний на электромагнитную совместимость с системами КА. 

Документ ТипГодНомер
Аннотация проведенных научных исследований в 2011 году Сборник 2011
Приказы об организации работы ВЧ ИД МАИ Приказ 2010 415