Сравнительный анализ ЭРДУ. Применение ионных плазменных двигателей малой тяги на геостационарных спутниках имеет следующие преимущества: уменьшение стартовой массы, увеличение массы полезного груза и ресурса спутника.
Сравнение ЭНД, СПД и РИД, используемых в системе стабилизации Север – Юг, проведено на рисунке 1 и рисунке 2. Рисунок 1,2. Стартовая масса спутника и зависимость сухой массы спутника от применяемой на нем двигательной установки.
Как показано на рисунке 1, стартовая масса спутника, включающая в себя сухую массу спутника (без массы ЭРДУ), составит: 4050 кг при использовании ЭНД; 3900 кг – СПД; 3670 кг – РИД. Это означает, что стартовая масса спутника при использовании РИД вместо электродугового двигателя или СПД уменьшается на 380 и 230 кг соответственно. Уменьшение массы приводит к снижению стоимости запуска.
На рис. 2 показана зависимость сухой массы спутника от массы применяемой на нем двигательной установки (стартовая масса – 4050 кг): 2090 кг при использовании ЭНД; 2170 кг – СПД; 2310 кг – РИД. Масса полезного груза может быть увеличена при использовании РИД: на 220 кг по сравнению с ЭНД; на 140 кг – с СПД. Оба преимущества: уменьшение стартовой массы и увеличение массы полезного груза приводят к уменьшению стоимости спутника.
РИД с диаметром ионизатора 10 см и тягой 10 мН был запущен на EURECA. Сейчас такой же двигатель, но с тягой 15 мН проходит квалификационные испытания для использования его на экспериментальном спутнике связи ESA Artemis.
Его вывод на орбиту планируется в 2000 году японским ракетоносителем Н-2. Коммерческая версия этого двигателя сможет создавать тягу на уровне 25 мН. РИД с диаметром ионизатора 15 см и тягой 50 мН сейчас исследуется в Гессенском университете.
РИД 26 с тягой до 200 мН разрабатывают в Dasa/ESA Technology. Планируется его использование в качестве основного движителя. 1.1 Применение ЭРД Основные задачи, выполняемые с помощью РД, на геостационарных спутниках: - переход на более высокую орбиту 1500 м/с за маневр; - системы стабилизации Север – Юг 47 м/с в год; - системы стабилизации Запад – Восток <5 м/с в год; - ориентирование ЛА <5 м/с в год; - сход с орбиты 5 м/с. Рассмотрим задачи для ЭРД, характеризующиеся большими приращениями скорости: Переход на более высокую орбиту.
При использовании химических двигателей 40% стартовой массы спутника составляет топливо. Для перевода спутника с промежуточной орбиты на гео-орбиту требуется 10 дней. Если для этого маневра использовать ЭРД, то потребуется около трех месяцев. В этом случае тяга должна быть на уровне 400 мН и более. Такая тяга может быть получена одним двигателем или связкой.
Уровень тяг ограничен мощность солнечных батарей (10 – 15 кВт). Вывод КЛА на орбиты выше геосинхронных приведет к уменьшению изменения скорости. Системы стабилизации Север – Юг. Среднее приращение скорости на 47 м/с в год приводит к общему v=750 м/с. Уровень тяги должен обеспечивать выполнение этой задачи, по крайней мере, за 3 часа в день. Это требование обусловливает необходимую тягу 25 мН и более. Учитывая современный уровень развития ионных двигателей, ввод ЭРД в эксплуатацию на коммерческих геостационарных спутниках может проводиться по следующей схеме: 1) Использовать плазменные ионные двигатели с тягой 25 мН для систем стабилизации Север – Юг. Остальные задачи, как и ранее, осуществлять с помощью химических двигателей. 2) Системы спутника используются в том виде, в каком они существуют сейчас, т.е. дополнительные разработки приостанавливаются.
Использование ЭРД для вывода спутников на орбиты потребует двигателей с большими тягами, что повлечет за собой необходимость в изменении конструкции систем спутника.
Несмотря на это, применение ЭРД для этих целей рассматривается как второй шаг в программе ввода в эксплуатацию двигателей этого типа, который потребует полного изменения систем спутника и дополнительных доработок ионных движителей. Конечная цель программы – выполнение всех космических задач с помощью ЭРД в сочетании с маховиками и карданными механизмами, «все спутники на ЭРД». Это сильно повлияет на конструкцию систем спутников, как и во втором случае. 1.2