| Elektrisk raketmotor | |
|---|---|
| Användande | |
| Utveckling | lämplig för flygningar till solsystemets yttre planeter [ 1] |
| Vikt- och storleksegenskaper |
|
| Driftsegenskaper | |
En elektrisk raketmotor (EP) är en raketmotor , vars funktionsprincip bygger på omvandlingen av elektrisk energi till riktad kinetisk energi av partiklar [2] . Det finns också namn som innehåller orden jet och framdrivning .
Komplexet, som består av en uppsättning elektriska framdrivningsmotorer, ett system för lagring och tillförsel av en arbetsvätska (SHiP), ett automatiskt styrsystem (ACS), ett strömförsörjningssystem (EPS), kallas ett elektriskt raketframdrivningssystem (EPP). ) .
Idén att använda elektrisk energi i jetmotorer för acceleration uppstod nästan i början av utvecklingen av raketteknik. Det är känt att en sådan idé uttrycktes av K. E. Tsiolkovsky . 1916 - 1917 genomförde R. Goddard de första experimenten, och på 30-talet av 1900 -talet skapades en av de första fungerande elektriska framdrivningsmotorerna i Sovjetunionen under ledning av V.P. Glushko .
Redan från början antogs det att separationen av energikällan och det accelererade ämnet skulle ge en hög hastighet av arbetsvätskans (RT) utflöde, såväl som en lägre massa av rymdfarkosten (SC) genom att minska massan av den lagrade arbetsvätskan . I jämförelse med andra raketmotorer kan ERE faktiskt öka rymdfarkostens aktiva livslängd (SAS) avsevärt, samtidigt som den avsevärt minskar framdrivningssystemets massa (PS), vilket följaktligen gör att du kan öka nyttolasten eller förbättra vikten och storleksegenskaper för själva rymdfarkosten [3] .
Beräkningar visar att användningen av en elektrisk framdrivningsmotor kommer att göra det möjligt att minska varaktigheten av en flygning till avlägsna planeter (i vissa fall även göra sådana flygningar möjliga) eller, med samma flyglängd, öka nyttolasten.
Från mitten av 1960-talet började fullskaliga tester av elektriska framdrivningsmotorer i USSR och USA , och i början av 1970-talet började elektriska framdrivningsmotorer användas som standardframdrivningssystem.
För närvarande används ERE i stor utsträckning både i framdrivningssystem för jordsatelliter och i framdrivningssystem för interplanetära rymdfarkoster.
Klassificeringen av EJE har inte fastställts, men i den ryskspråkiga litteraturen är det vanligtvis vanligt att klassificera EJE enligt den dominerande mekanismen för partikelacceleration. Särskilj följande typer av motorer :
ETD är i sin tur uppdelade i elvärme (END) och elektriska ljusbågsmotorer (EDD).
Elektrostatiska thrustrar är uppdelade i jon (inklusive kolloidala) thrusters (ID, KD) - partikelacceleratorer i en unipolär stråle, och partikelacceleratorer i en kvasi-neutral plasma. De senare inkluderar acceleratorer med en sluten elektrondrift och en utökad (USDA) eller förkortad (USDA) accelerationszon. De förra brukar kallas stationära plasmapropeller (SPD), namnet finns också (allt mer sällsynt) - en linjär Hall-propeller (LHD), i västerländsk litteratur kallas den för en Hall-propeller . SPL:er kallas vanligtvis anodbäddsaccelerationsmotorer ( ALS).
Högströmsmotorer (magnetoplasmatisk, magnetodynamisk) inkluderar motorer med eget magnetfält och motorer med externt magnetfält (till exempel en ändhallmotor - THD).
Pulsmotorer använder den kinetiska energin hos gaser som uppstår när en fast kropp avdunstar i en elektrisk urladdning.
Alla vätskor och gaser , såväl som deras blandningar, kan användas som en arbetsvätska i en elektrisk framdrivningsmotor. Men för varje typ av motor finns det arbetsvätskor, vars användning gör att du kan uppnå de bästa resultaten. För ETD används traditionellt ammoniak , för elektrostatisk - xenon , för högströms- litium , för puls - fluoroplast .
Nackdelen med xenon är dess kostnad, på grund av den lilla årliga produktionen (mindre än 10 ton per år över hela världen), vilket tvingar forskare att leta efter andra RT som liknar egenskaper men billigare. Argon anses vara den främsta ersättningskandidaten . Det är också en inert gas, men till skillnad från xenon har den en högre joniseringsenergi med en lägre atommassa (energin som spenderas på jonisering per enhet accelererad massa är en av källorna till effektivitetsförluster ) .
EJE kännetecknas av en låg massflödeshastighet för RT och en hög hastighet för det accelererade partikelflödet. Den nedre gränsen för utflödeshastigheten sammanfaller ungefär med den övre gränsen för den kemiska motorstrålens utflödeshastighet och är cirka 3 000 m/s. Den övre gränsen är teoretiskt obegränsad (inom ljusets hastighet), men för avancerade modeller av motorer övervägs en hastighet som inte överstiger 200 000 m/s. För närvarande, för motorer av olika slag, anses avgashastigheten från 16 000 till 60 000 m/s vara optimal.
På grund av det faktum att accelerationsprocessen i EJE sker vid ett lågt tryck i accelerationskanalen (partikelkoncentrationen överstiger inte 1020 partiklar /m³), är dragkraftdensiteten ganska låg, vilket begränsar användningen av EJE: den externa trycket bör inte överstiga trycket i accelerationskanalen, och rymdfarkostens acceleration är mycket liten (tiondelar eller till och med hundradelar av g ). Ett undantag från denna regel kan vara EDD på små rymdfarkoster.
Den elektriska effekten hos en elektrisk framdrivningsmotor varierar från hundratals watt till megawatt. EJE:er som för närvarande används på rymdfarkoster har en effekt på 800 till 2000 W.
EJE kännetecknas av effektivitet - från 30 till 80%.
1964, i det sovjetiska rymdskeppet Zond-2s attitydkontrollsystem, fungerade sex erosiva impulstaxibanor som drivs på fluoroplast i 70 minuter ; de resulterande plasmabuntarna hade en temperatur på ~ 30 000 K och exploderade med en hastighet på upp till 16 km / s (kondensatorbanken hade en kapacitet på 100 μF , driftspänningen var ~ 1 kV). I USA utfördes liknande tester 1968 på rymdfarkosten LES-6. 1961 utvecklade en nypimpulsraketmotor från det amerikanska företaget Republic Aviation en dragkraft på 45 mN vid en avgashastighet på 10–70 km/s.
Den 1 oktober 1966 lanserades Yantar-1 automatiska jonosfäriska laboratorium till en höjd av 400 km av en trestegs 1Ya2TA geofysisk raket för att studera interaktionen mellan jetströmmen från en elektrisk raketmotor (EPR), som arbetar på argon, med jonosfäriskt plasma. Den experimentella plasmajonen EJE slogs först på på en höjd av 160 km, och under den efterföljande flygningen genomfördes 11 cykler av dess drift. En jetströmshastighet på cirka 40 km/s uppnåddes. Yantar-laboratoriet nådde målflyghöjden på 400 km, flygningen varade i 10 minuter, EJE arbetade stadigt och utvecklade en designkraft på fem gram kraft. Det vetenskapliga samfundet lärde sig om den sovjetiska vetenskapens prestationer från en TASS- rapport .
Kväve användes i den andra serien av experiment . Avgashastigheten höjdes till 120 km/s. Under 1966 - 1971 lanserades fyra sådana enheter (enligt andra källor, fram till 1970 och sex enheter).
Hösten 1970 klarade den framgångsrikt tester i verklig flygning med en direktflödesluftdriven elektrisk framdrivningsmotor . I oktober 1970, vid Internationella astronomiska federationens XXI kongress, sovjetiska vetenskapsmän - professor G. Grodzovsky , kandidater för tekniska vetenskaper Yu. Danilov och N. Kravtsov, kandidater för fysikaliska och matematiska vetenskaper M. Marov och V. Nikitin, doktor i Tekniska vetenskaper V. Utkin - rapporterade om testning av ett luftframdrivningssystem. Den registrerade hastigheten för jetströmmen nådde 140 km/s.
1971, i korrigeringssystemet för den sovjetiska meteorologiska satelliten Meteor , två stationära plasmamotorer utvecklade av Institute of Atomic Energy. I. V. Kurchatov och Design Bureau Fakel, som var och en med en strömförsörjning på ~ 0,4 kW utvecklade en dragkraft på 18–23 mN och en avgashastighet på över 8 km/s. RD hade en storlek på 108 × 114 × 190 mm, en massa på 32,5 kg och ett lager av RT (komprimerat xenon) på 2,4 kg. Under en av indragningarna arbetade en av motorerna kontinuerligt i 140 h. Detta elektriska framdrivningssystem visas i figuren.
Dessutom används elektriska raketmotorer i Dawn -uppdraget och i BepiColombo- projektet .
Även om elektriska raketmotorer har låg dragkraft jämfört med raketer med flytande bränsle , kan de fungera under lång tid och utföra långsamma flygningar över långa avstånd [4] [1] . De mest avancerade elektriska raketmotorerna hittills har ΔV upp till 100 km/s och, när de använder kärnkraftskällor, är de lämpliga för flygningar till de yttre planeterna i solsystemet , men inte tillräckligt kraftfulla för interstellär flygning [4] [1] . Om vi pratar om interstellär flygning, så övervägdes en elektrisk raketmotor med en kärnreaktor för Daedalus-projektet , men avvisades på grund av låg dragkraft, den stora vikt som behövs för att omvandla kärnenergi till elektrisk energi, utrustning och som ett resultat, en liten acceleration som skulle ta århundraden att nå önskad hastighet [5] [6] [7] . Den elektriska raketmetoden för interstellär flygning är dock teoretiskt möjlig med en extern strömförsörjning genom en laser till rymdfarkostens solbatterier [8] [9] [10] .
För närvarande undersöker många länder skapandet av bemannade interplanetära rymdfarkoster med elektriska framdrivningssystem. Befintliga EJE:er är inte optimala för användning som framdrivningsmotorer för sådana fartyg, och därför bör vi inom en snar framtid förvänta oss ett förnyat intresse för utvecklingen av högströms EJE:er baserade på flytande metall RT ( vismut , litium , kalium , cesium ) med en elektrisk effekt på upp till 1 MW, kan arbeta under lång tid vid strömmar upp till 5-10 kA. Dessa raketmotorer bör utveckla dragkraft upp till 20-30 N och en 30% eller merverkningsgrad20-30 km/s med enpåavgashastighet
Förutom Ryssland och USA är Storbritannien , Tyskland , Frankrike , Japan och Italien också engagerade i forskning och utveckling av elektrisk framdrivning . De huvudsakliga verksamhetsområdena för dessa länder är: ID (utvecklingen i Storbritannien och Tyskland är de mest framgångsrika, särskilt gemensamma); SPD och DAS (Japan, Frankrike); ETD (Frankrike). I grund och botten är dessa motorer designade för satelliter.
| Motorer | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| se även evighetsmaskin Kuggväxelmotor gummimotor | |||||||||||||||||
| Sovjetiska och ryska raketmotorer | ||
|---|---|---|
| raketmotorer på låg höjd | ||
| raketmotorer på hög höjd | ||
| GÅRD | RD-0410 | |