ИСТИНА

Проект посвящен решению комплекса проблем механики, электротехники, теории оптимизации, связанных с созданием космических аппаратов (КА) с прямоточными воздушными электрореактивными двигателями (ПВЭРД),использующими в качестве рабочего тела (РТ) газы окружающей разреженной атмосферы для обеспечения долговременного существования КА на сверхнизких орбитах. При этом ПВЭРД обладают принципиально новым свойством по сравнению с существующими электроракетными двигателями (ЭРД) – толерантностью к сильным вариациям плотности атмосферы.Размещение КА на сверхнизких околоземных орбитах с высотой перигея 150-200 км может значительно повысить эффективность решения задач дистанционного зондирования Земли, связи и телекоммуникации, так как по сравнению,например, с низкими орбитами (700-1000 км):- разрешение при той же апертуре улучшается в 5-7 раз;- объем и масса КА при том же разрешении могут быть снижены более чем на два порядка;- требуемая мощность передатчика/приемника связи снижается более чем на порядок.Размещение КА на сверхнизких орбитах, по мнению ИКИ РАН, даст уникальную возможность проведения фундаментальных исследований малоизученных свойств ионосферы на этих высотах: - процессов образования и динамики структур полярных сияний и других явлений в авроральных областях; - уточнения профилей температуры и давления; - определения химического состава (нейтральной составляющей и плазмы) на высотах Е-слоя и нижнего F-слоя; - непосредственных измерений в спорадических слоях.Для долговременного существования и маневрирования КА на сверхнизких орбитах необходимо обеспечить компенсацию аэродинамического сопротивления тягой двигательной установки (ДУ). В силу большего удельного импульса существенными преимуществами по сравнению с термохимическими обладают электроракетные двигатели(ЭРД), а ПВЭРД обеспечивают полную независимость срока активного существования КА (САС) от запаса РТ.Создание КА с ПВЭРД требует решения комплекса тесно связанных между собой новых научных задач.Необходимо исследование процессов ионизации смеси азота и кислорода (в том числе атомарного) при более низких,чем в современных ЭРД, концентрациях и в условиях сильных вариаций плотности и состава окружающей атмосферы.Будут исследованы проблемы ионизации сильно разреженного газа на основе различных физических принципов.Одной из целей проекта является определение диапазонов параметров устойчивого запуска и устойчивой работы ПВЭРД при использовании как традиционных для современных ЭРД способов ионизации, так и альтернативных,например, с применением лазеров.Принципиальным является вопрос об управлении скоростью истечения плазмы. Существующие ЭРД имеют практически фиксированную скорость истечения, и управление тягой ЭРД осуществляется путем изменения расхода массы рабочего тела. Для минимизации потребляемой электрической мощности ПВЭРД требуется управление (минимизация)скорости истечения в зависимости от вариации эффективного к.п.д. двигателя. Представляет интерес исследование похожих проблем КА с ПВЭРД для околомарсианских орбит. В частности,потребуются расчетно-экспериментальные исследования ПВЭРД на углекислом газе.Использование солнечных батарей (СБ) в качестве долгосрочного источника энергии КА определяет взаимосвязь задач разработки энергоэффективного ПВЭРД и оптимизации аэродинамической компоновки КА, так как увеличение площади СБ приводит к увеличению аэродинамического сопротивления. В проекте планируется создание модели аэродинамических сил, действующих на КА с ПВЭРД в свободномолекулярном потоке ионизированного газа. Особенности компоновки КА с ПВЭРД, предполагающей установку воздухозаборника, и значительные аэродинамические моменты, возникающие при движении КА на сверхнизких орбитах, требуют исследования динамики и различных способов управления ориентацией КА в нетрадиционных для современных КА условиях. В проекте планируются исследования эффективности плазменных исполнительных элементов, аэродинамических и магнитных систем стабилизации и управления ориентацией.Для комплексной оптимизации КА с ПВЭРД необходимо проведение детального математического моделирования полета КА с ПВЭРД на различных целевых орбитах с имитацией физических процессов в тракте двигателя и на поверхности КА. Предполагается создание и обоснование математической модели ПВЭРД на основе расчетных и экспериментальных исследований на вакуумных и ионосферных установках ЦАГИ (ВАТ-103, ИАТ-1 и др.) и МГТУ им.Н.Э. Баумана (УНУ «Пучок-М»). Обоснование возможности использования эллиптических орбит, перигей которых расположен на сверхнизких высотах, позволит существенно расширить сферу применения КА, работающих без запасенного топлива, и даст возможность одновременно поднять энерговооруженность КА и снизить аэродинамические потери.Определение оптимального компромисса между этими возможностями на основе объективных математических методов теории оптимального управления является одной из задач проекта, который предполагает разработку программ и способов оптимизации КА с ПВЭРД с учетом возможностей управления вектором тяги и ориентацией солнечных батарей и КА.

При реализации проекта ожидается получение следующих основных результатов: 1. Диапазоны давлений (концентраций) в камере ионизации, при которых возможно зажигание разряда. 2. Математическая модель ПВЭРД для использования в задачах комплексной оптимизации. 3. Оценка энергоэффективности различных способов управления ориентацией КА с ПВЭРД на сверхнизких околоземных орбитах. 4. Математическая модель КА с ПВЭРД с имитацией физических процессов в тракте двигателя и на поверхности КА на орбитах вокруг Земли и Марса. 5. Метод и численные процедуры комплексной оптимизации управления и параметров КА с ПВЭРД. 6. Максимальные области значений параметров различных типов ПВЭРД, при которых обеспечивается устойчивый процесс их функционирования (ионизации РТ) на атмосферных газах планет, в том числе с лазерным инициированием. 7. Синтез оптимального управления ориентацией КА, вектора тяги ПВЭРД, солнечных батарей для различных околопланетных орбит.8. Принципы управления скоростью истечения плазмы без существенного снижения к.п.д. двигателя.9. Области длительного существования КА с ПВЭРД в пространстве обобщенных параметров, объединяющих характеристики орбит, КА, ПВЭРД, источника энергии, системы электрообеспечения КА и материалов конструкции (для существующих и перспективных типов солнечных батарей, электрореактивных двигателей, устройств накопления и преобразования электроэнергии, конструкционных материалов).10. Обоснование возможности использования ПВЭРД для поддержания движения КА на околомарсианских орбитах.Будут представлены данные, подтвержденные расчетными и экспериментальными исследованиями, позволяющие дать объективную оценку реализуемости ПВЭРД для обеспечения длительного САС КА на сверхнизких орбитах.Уровень полученных результатов соответствует мировому или превышает его.Результаты проекта могут быть использованы при разработке КА и группировок КА различного назначения с длительным САС на сверхнизких орбитах для целей дистанционного зондирования Земли, радаров с синтезированной апертурой, телекоммуникации, фундаментальных исследований ионосферы и др.