Комплексная оптимизация космических аппаратов для сверхнизких орбит планет с моделированием физических процессов в прямоточном воздушном электрореактивном двигателе

Проект посвящен решению комплекса фундаментальных 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. 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 сильноразреженного 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 определения оптимальной 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. Планируется исследование способов управления ориентацией и динамики КА в нетрадиционных для современных КА условиях использования ПВЭРД, существенных аэродинамических сил и моментов и значительных изменений плотности и состава ионосферы вследствие солнечной активности и неоднородности гравитационного поля. Предполагается проведение исследований 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 детальной 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»). Одной из задач проекта является разработка программ и способов оптимизации КА с ПВЭРД с учетом возможностей управления вектором тяги и ориентацией солнечных батарей и КА на основе объективных математических методов теории оптимального управления.