El nuevo amanecer de los cohetes eléctricos, Edgar Choueiri. Motor a reacción eléctrico (EPE) Motor cohete electrostático

Un complejo que consta de un conjunto de motores de propulsión eléctricos, un sistema de suministro y almacenamiento de fluido de trabajo (SHiP), un sistema de control automático (ACS) y un sistema de suministro de energía (SPS) se denomina sistema de propulsión eléctrica (EPS).

Introducción

La idea de utilizar energía eléctrica en motores a reacción para acelerar surgió casi al comienzo del desarrollo de la tecnología de cohetes. Se sabe que K. E. Tsiolkovsky expresó tal idea. En -1917, R. Goddard realizó los primeros experimentos, y en los años 30 del siglo XX en la URSS, bajo el liderazgo de VP Glushko, se creó uno de los primeros motores de propulsión eléctricos en funcionamiento.

Desde el principio se asumió que la separación de la fuente de energía y la sustancia acelerada proporcionaría una alta velocidad de escape del fluido de trabajo (PT), así como una menor masa de la nave espacial (SC) debido a una disminución en la masa del fluido de trabajo almacenado. De hecho, en comparación con otros motores de cohetes, los motores de propulsión eléctricos permiten aumentar significativamente la vida útil activa (AS) de una nave espacial, al tiempo que reducen significativamente la masa del sistema de propulsión (PS), lo que, en consecuencia, permite aumentar la carga útil o mejorar las características peso-dimensionales de la propia nave espacial.

Los cálculos muestran que el uso de propulsión eléctrica reducirá la duración de los vuelos a planetas distantes (en algunos casos incluso hará posibles dichos vuelos) o, con la misma duración de vuelo, aumentará la carga útil.

  • motores de alta corriente (electromagnéticos, magnetodinámicos);
  • motores de impulso.

Los ETD, a su vez, se dividen en motores de calefacción eléctrica (END) y de arco eléctrico (EDA).

Los motores electrostáticos se dividen en motores de iones (incluidos los coloidales) (ID, CD): aceleradores de partículas en un haz unipolar y aceleradores de partículas en un plasma cuasineutral. Estos últimos incluyen aceleradores con deriva electrónica cerrada y una zona de aceleración extendida (UZDP) o acortada (UZDU). Los primeros se suelen llamar motores de plasma estacionarios (SPD), y también aparece el nombre (cada vez con menos frecuencia): motor Hall lineal (LHD), en la literatura occidental se le llama motor Hall. Los motores ultrasónicos suelen denominarse motores acelerados por ánodo (LAM).

Los motores de alta corriente (magnetoplasma, magnetodinámicos) incluyen motores con su propio campo magnético y motores con un campo magnético externo (por ejemplo, un motor Hall montado en el extremo - THD).

Los motores de impulsos utilizan la energía cinética de los gases producidos por la evaporación de un sólido en una descarga eléctrica.

Todos los líquidos y gases, así como sus mezclas, pueden utilizarse como fluido de trabajo en motores de propulsión eléctrica. Sin embargo, para cada tipo de motor existen fluidos de trabajo cuyo uso permite lograr los mejores resultados. El amoníaco se utiliza tradicionalmente para ETD, el xenón para electrostático, el litio para alta corriente y el fluoroplástico para pulsado.

La desventaja del xenón es su coste, debido a su pequeña producción anual (menos de 10 toneladas anuales en todo el mundo), lo que obliga a los investigadores a buscar otros RT de características similares, pero menos costosos. El argón se considera el principal candidato a sustituirlo. También es un gas inerte, pero, a diferencia del xenón, tiene mayor energía de ionización y menor masa atómica. La energía gastada en ionización por unidad de masa acelerada es una de las fuentes de pérdidas de eficiencia.

Breves especificaciones técnicas

Los motores de propulsión eléctricos se caracterizan por un caudal másico RT bajo y una alta velocidad de salida de un flujo acelerado de partículas. El límite inferior de la velocidad de escape coincide aproximadamente con el límite superior de la velocidad de escape de un chorro de motor químico y es de aproximadamente 3.000 m/s. El límite superior es teóricamente ilimitado (dentro de la velocidad de la luz), pero para los modelos de motor prometedores se considera una velocidad que no supere los 200.000 m/s. Actualmente, para motores de distintos tipos, se considera que la velocidad de escape óptima es de 16.000 a 60.000 m/s.

Debido a que el proceso de aceleración en un motor de propulsión eléctrica se produce a baja presión en el canal de aceleración (la concentración de partículas no supera las 10 20 partículas/m³), la densidad de empuje es bastante baja, lo que limita el uso de motores de propulsión eléctrica. : la presión externa no debe exceder la presión en el canal de aceleración, y la aceleración de la nave espacial es muy pequeña (décimas o incluso centésimas) gramo ). Una excepción a esta regla puede ser la EDD en naves espaciales pequeñas.

La potencia eléctrica de los motores de propulsión eléctrica oscila entre cientos de vatios y megavatios. Los motores de propulsión eléctrica utilizados actualmente en las naves espaciales tienen una potencia de 800 a 2.000 W.

Perspectivas

Aunque los motores de cohetes eléctricos tienen un empuje bajo en comparación con los cohetes de combustible líquido, son capaces de operar durante largos períodos de tiempo y volar lentamente a largas distancias.

MOTORES DE COHETES ELÉCTRICOS(motores de propulsión eléctrica, motores de propulsión eléctrica) - espacio. Motores a reacción, en los que el movimiento direccional de la corriente en chorro se crea debido a la electricidad. energía. Un sistema de propulsión eléctrica (EPS) incluye el propio sistema de propulsión eléctrica, un sistema para suministrar y almacenar la sustancia de trabajo y un sistema que convierte la energía eléctrica. parámetros de la fuente de energía eléctrica a los valores nominales del motor de propulsión eléctrica y controlar el funcionamiento del motor de propulsión eléctrica. Los motores de propulsión eléctricos son motores de bajo empuje que funcionan durante mucho tiempo. tiempo (años) a bordo de la nave espacial. Aeronave (SC) en condiciones de ingravidez o muy baja gravedad. campos. Con ayuda de la propulsión eléctrica, los parámetros de la trayectoria de vuelo de la nave espacial y su orientación en el espacio pueden mantenerse con un alto grado de precisión o modificarse dentro de un rango determinado. Con el-magn. o el-estático. durante la aceleración, la velocidad de escape de la corriente en chorro en un motor de propulsión eléctrica es significativamente mayor que en los motores de cohetes de combustible líquido o sólido; esto da una ganancia en la carga útil de la nave espacial. Sin embargo, los motores de propulsión eléctrica requieren una fuente de electricidad, mientras que en los motores de cohetes convencionales el portador de energía son los componentes del combustible (combustible y oxidante). La familia ERD incluye motores de plasma(PD), el-chem. motores (ECM) y motores de iones (ID).

motores electroquímicos. En ECD, la electricidad se utiliza para calefacción y productos químicos. descomposición de la sustancia de trabajo. Los motores EHD se dividen en motores de calefacción eléctrica (END), termocatalíticos (TCD) e híbridos (HD). En el END, la sustancia de trabajo (hidrógeno, amoníaco) se calienta mediante un calentador eléctrico y luego fluye a velocidad supersónica a través de una boquilla (Fig. 1). En el TCD, se calienta un catalizador con electricidad (a una temperatura de ~500 o C), que descompone químicamente la sustancia de trabajo (amoníaco, hidracina); luego los productos de descomposición fluyen a través de la boquilla. En la turbina de gas, primero se descompone la sustancia de trabajo, luego los productos de descomposición se calientan y salen. Diseño ECD y estructuras utilizadas. Los materiales están diseñados para ser encendidos a bordo de una nave espacial durante 7 a 10 años con un número de lanzamientos de hasta 10 5 , una duración de funcionamiento continuo de ~ 10 a 100 horas y una desviación de las características de empuje del valor nominal de no más más del 5-10%. Nivel de consumo de energía eléctrica potencia: decenas de W, rango de empuje: 0,01 -10 N. Los ECM tienen muy poca energía para los motores de propulsión eléctrica. precio de empuje ~3 kW/N, alta velocidad del chorro (3 km/s) debido al bajo peso molecular de la sustancia de trabajo y sus productos de descomposición. En el satélite de comunicaciones Intel-sat-5 se operó con éxito un motor de gas de hidracina con un empuje de 0,44 H; un END de amoníaco con un empuje de 0,15 N forma parte del sistema de propulsión eléctrica estándar de los satélites de la serie Meteor, que corrige la órbita y orientación del satélite.

Arroz. 1. Circuito del motor de calefacción eléctrica: 1 - poroso calentador eléctrico; 2 escudos térmicos; 3 - carcasa; 4- boquilla.

motores de iones. Lo pondré en el DNI. Los iones de la sustancia de trabajo se aceleran hasta convertirse en electricidad estática. campo. ID (Fig. 2) consta de un emisor de iones 4, un electrodo acelerador 5 con orificios (ranuras) a través de los cuales pasan los iones acelerados y un electrodo externo. electrodo 6 (pantalla), en cuya función se suele utilizar la carcasa ID. El electrodo acelerador está en negativo. potencial (~10 3 -10 4 V) relativo al emisor. Eléctrico actual y espacios. eléctrico La corriente en chorro debe ser cero, de modo que el haz de iones emergente sea neutralizado por electrones, que son emitidos por el neutralizador 7. Ext. el electrodo tiene un potencial negativo con respecto al emisor y positivo con respecto al electrodo acelerador; positivo El desplazamiento de potencial se elige de modo que los electrones de energía relativamente baja procedentes del neutralizador queden bloqueados eléctricamente. campo y no cayó en el espacio de aceleración entre el emisor y el electrodo de aceleración. La energía de los iones acelerados está determinada por la diferencia de potencial entre el emisor y el externo. electrodo. La disponibilidad es positiva. espacios. La carga en el espacio de aceleración limita la corriente iónica del emisor. Básico Parámetros ID: velocidad de escape, eficiencia de tracción, energía. precio de empuje (W/N), energía. Precio de iones (eV/ion): la cantidad de energía gastada en la formación de un ion. El grado de sustancia de trabajo en ID debe ser lo más alto posible (>0,90,95).

Arroz. 2. Diagrama de un motor de iones con ionización volumétrica. diseños de G. Kaufman: 1 - cátodo de cámara de descarga de gasry; 2- ánodo; 3 - bobina magnética; 4 emisores electrodo; 5 - electrodo acelerador; 6 - electrodo externo; 7 - neutralizador.

Dependiendo del tipo de emisor, los ID se dividen en motores de ionización superficial (SSI), motores coloidales (CD) y motores de ionización volumétrica (VID). En IDPI, la ionización se produce cuando los vapores de la sustancia de trabajo pasan a través de un emisor poroso; la sustancia de trabajo debe ser menor que la función de trabajo del material emisor. Por lo general, se selecciona un par de cesio (sustancia de trabajo) - tungsteno (emisor). El emisor se calienta a una temperatura de 1500 o K para evitar la condensación de la sustancia de trabajo. En el CD (sólo existen prototipos de laboratorio), la sustancia de trabajo (solución de yoduro de potasio al 20% en glicerol) se pulveriza a través de capilares en forma de microgotas cargadas positivamente en el espacio de aceleración; eléctrico La carga de microgotas surge durante la extracción de corrientes de los capilares mediante una fuerte corriente eléctrica. campo y su posterior desintegración en gotas. La fuente de iones en el IDP es una cámara de descarga de gas (GDC), en la que los átomos de la sustancia de trabajo (vapores metálicos, gases inertes) se ionizan por impacto de electrones en una descarga de gas a baja presión [descarga entre los electrodos 1 y 2 ( Fig. 2) o descarga de microondas sin electrodos]; Los iones del GRK son atraídos hacia el espacio de aceleración a través de los orificios de la pared del electrodo emisor del GRK, que junto con el electrodo de aceleración forma una óptica de iones. (IOS) para acelerar y enfocar iones. Las paredes del GRK, a excepción del electrodo emisor, están aisladas magnéticamente del plasma. IDOI - máx. desarrollado con ingeniería y físico Desde el punto de vista de los ID, su eficiencia de tracción es ~70%, la vida útil confirmada en pruebas en tierra se incrementa a 2 × 10 4 horas. La vida útil de los ID está limitada por la erosión del electrodo de aceleración debido a la pulverización catódica por Iones secundarios resultantes de la recarga de iones rápidos acelerados sobre átomos neutros lentos de la sustancia de trabajo. Energía los precios de empuje y de iones en ID (con excepción de CD) son muy significativos (2,10 4 W/H, 250 eV/ion). Por esta razón, los propulsores aún no se utilizan en el espacio como motores de propulsión eléctricos en funcionamiento (ECD, PD), aunque se han probado repetidamente a bordo de naves espaciales. Naib. prueba significativa en el marco del programa SERT-2 (1970, EE. UU.); El sistema de propulsión eléctrica incluía dos IDP diseñados por G. Kaufman (fluido de trabajo - mercurio, consumo de energía 860 W, eficiencia 68%, empuje 0,03 H), que trabajaron continuamente sin fallas durante 3800 horas y 2011 horas, respectivamente, y reanudaron su funcionamiento después un largo período. romper.

La PD según el esquema de aceleradores de plasma con deriva electrónica cerrada y una zona de aceleración extendida se utiliza sistemáticamente en naves espaciales, especialmente en satélites de comunicaciones geoestacionarios.

Iluminado.: Gilzin K. A., Naves interplanetarias eléctricas, 2ª ed., M., 1970; Morozov A.I., Shubin A.P., Motores de propulsión eléctrica espacial, M., 1975; Grishin S. D., Leskov L. V., Kozlov N. P., Motores de cohetes eléctricos, M., 1975.

"En el mundo de la ciencia" N° 5 2009 págs. 34-42


PUNTOS BÁSICOS
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En los motores de cohetes convencionales, el empuje proviene de la quema de combustible químico. En los electrorreactivos, se crea acelerando una nube de partículas cargadas o plasma mediante un campo eléctrico o magnético.
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A pesar de que los motores de cohetes eléctricos se caracterizan por un empuje mucho menor, permiten, con la misma masa de combustible, acelerar una nave espacial a una velocidad mucho mayor.
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La capacidad de alcanzar altas velocidades y la alta eficiencia del uso de la sustancia de trabajo (“combustible”) hacen que los motores a reacción eléctricos sean prometedores para vuelos espaciales de larga distancia.

Solitario en la oscuridad del espacio, sonda. Amanecer(Amanecer) La NASA se apresura más allá de la órbita de Marte hacia el cinturón de asteroides. Debe recopilar nueva información sobre las etapas iniciales de la formación del Sistema Solar: explorar los asteroides Vesta y Ceres, que son los restos más grandes de planetas embrionarios, como resultado de la colisión e interacción de los cuales entre sí aproximadamente 4,5-4,7 Hace miles de millones de años se formaron los planetas actuales.
Sin embargo, este vuelo destaca no sólo por su finalidad. Dawn, lanzado en octubre de 2007, está equipado con un motor de plasma capaz de hacer realidad los vuelos de larga distancia. Hoy en día existen varios tipos de este tipo de motores. El empuje en ellos se crea mediante la ionización y aceleración de partículas cargadas mediante un campo eléctrico, y no mediante la quema de combustible químico líquido o sólido, como en los convencionales.
Los creadores de la sonda Dawn del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA eligieron un motor de plasma porque requeriría diez veces menos fluido de trabajo que un motor de combustible químico para llegar al cinturón de asteroides. Un motor de cohete tradicional habría permitido que la sonda Dawn alcanzara Vesta o Ceres, pero no ambas.
Los motores de cohetes eléctricos están ganando popularidad rápidamente. Vuelo reciente de una sonda espacial Espacio profundo 1 El acercamiento de la NASA al cometa fue posible gracias al uso de propulsión eléctrica. Los motores de plasma también proporcionaron el empuje necesario para intentar aterrizar la sonda japonesa. Hayabusa a un asteroide y para vuelos de naves espaciales INTELIGENTE-1 Agencia Espacial Europea a la Luna. A la luz de los beneficios demostrados, los desarrolladores de Estados Unidos, Europa y Japón están eligiendo estos motores para futuras misiones de exploración del sistema solar y búsqueda de planetas similares a la Tierra más allá de él cuando planifiquen vuelos de larga distancia. Los motores de plasma también permitirán convertir el vacío del espacio en un laboratorio para investigaciones físicas fundamentales.

Se acerca la era de los vuelos largos

La posibilidad de utilizar electricidad para crear motores para naves espaciales se consideró ya en la primera década del siglo XX. A mediados de los años cincuenta. Ernst Stuhlinger, miembro del legendario equipo de cohetes alemán de Wernher von Braun que dirigió el programa espacial estadounidense. pasó de la teoría a la práctica. Unos años más tarde, los ingenieros del Centro de Investigación Glenn de la NASA (entonces llamado Centro de Investigación Lewis) crearon el primer motor de plasma funcional. En 1964, un motor de este tipo, que se utilizaba para corregir la órbita antes de entrar en las capas densas de la atmósfera, estaba equipado con un dispositivo que realizaba un vuelo suborbital como parte del programa de prueba de cohetes eléctricos espaciales.
El concepto de motores de propulsión eléctricos de plasma se desarrolló de forma independiente en la URSS. Desde mediados de los años 1970. Los ingenieros soviéticos utilizaron estos motores para orientar y estabilizar la órbita geoestacionaria de los satélites de telecomunicaciones, ya que consumen una pequeña cantidad de sustancia de trabajo.

Realidades del cohete

Las ventajas de los motores de plasma son especialmente impresionantes en comparación con las desventajas de los motores de cohetes convencionales. Cuando la gente imagina una nave espacial corriendo a través del negro vacío hacia un planeta distante, aparece ante sus ojos una larga columna de llamas que sale de la boquilla del motor. En realidad, todo parece completamente diferente: casi todo el combustible se consume en los primeros minutos del vuelo, por lo que luego el barco avanza hacia su objetivo por inercia. Los motores de cohetes de combustible químico elevan las naves espaciales desde la superficie de la Tierra y permiten ajustes de trayectoria durante el vuelo. Pero no son adecuados para la exploración del espacio profundo, ya que requieren una cantidad tan grande de combustible que no es posible sacarlos de la Tierra a la órbita de una manera práctica y económicamente aceptable.
En vuelos largos, para lograr una alta velocidad y precisión para alcanzar una trayectoria determinada sin costos adicionales de combustible, las sondas tenían que desviarse de su trayectoria en dirección a los planetas o sus satélites, capaces de acelerar en la dirección deseada debido a las fuerzas gravitacionales. (efecto tirachinas gravitacional o maniobra con el uso de fuerzas gravitacionales). Esta ruta tortuosa limita las capacidades de lanzamiento a períodos de tiempo bastante cortos para garantizar el paso preciso del cuerpo celeste que se supone actúa como acelerador gravitacional.
Para realizar investigaciones a largo plazo, la nave espacial debe poder ajustar su trayectoria, entrar en órbita alrededor del objeto y así garantizar las condiciones para completar la tarea asignada. Si la maniobra falla, el tiempo disponible para las observaciones será muy corto. Así, la sonda espacial New Horizons de la NASA, lanzada en 2006 y acercándose a Plutón nueve años después, podrá observarlo en un período de tiempo muy corto, no superior a un día terrestre.

Ecuación de movimiento del cohete

¿Por qué todavía no ha habido una manera de enviar suficiente combustible al espacio? ¿Qué impide que se resuelva este problema?
Intentemos resolverlo. Para explicarlo, utilizamos la ecuación básica del movimiento de un cohete: la fórmula de Tsiolkovsky, que los expertos utilizan al calcular la masa de combustible necesaria para una tarea determinada. Fue desarrollado en 1903 por el científico ruso K.E. Tsiolkovsky, uno de los padres de los cohetes y la astronáutica.

QUÍMICO
Y
COHETES ELÉCTRICOS


Los sistemas de propulsión químicos y eléctricos son adecuados para diferentes tipos de aplicaciones. Los químicos (a la izquierda) crean rápidamente un gran empuje y, por lo tanto, le permiten acelerar rápidamente a altas velocidades, pero consumen grandes cantidades de combustible. Estas características son adecuadas para vuelos de corta distancia.

Motores de cohetes eléctricos (derecha), en los que el fluido de trabajo (combustible) es plasma, es decir. El gas ionizado, desarrolla mucho menos empuje, pero consume incomparablemente menos combustible, lo que les permite funcionar por mucho más tiempo. Y en el entorno espacial, en ausencia de resistencia al movimiento, una pequeña fuerza que actúa durante mucho tiempo permite alcanzar velocidades iguales e incluso mayores. Estas características hacen que los cohetes de plasma sean adecuados para vuelos de larga distancia a múltiples destinos.

De hecho, esta fórmula describe matemáticamente el hecho intuitivamente comprendido de que cuanto mayor es la tasa de agotamiento de los productos de combustión de un cohete, menos combustible se necesita para realizar una maniobra determinada. Imaginemos un lanzador de béisbol (motor de cohete) parado con una canasta de pelotas (combustible) sobre una patineta (nave espacial). Cuanto mayor sea la velocidad a la que lanza las bolas (la tasa de gases de combustión), más rápido rodará la patineta después de lanzar la última bola o, equivalentemente, menos bolas (combustible) necesitará para aumentar la velocidad de la patineta en una cantidad determinada. Los científicos denotan este incremento en la velocidad con el símbolo dV (léase delta-ve).
Más específicamente: la fórmula relaciona la masa de combustible requerida por un cohete para realizar una misión específica en el espacio profundo con dos cantidades clave: la tasa de productos de combustión que salen de la boquilla del cohete y el valor dV alcanzable quemando una determinada cantidad de combustible. Significado dV Corresponde a la energía que la nave espacial debe gastar para cambiar su movimiento inercial y realizar la maniobra requerida. Para una tecnología de cohete determinada (que proporciona una velocidad de escape determinada), la ecuación del movimiento del cohete nos permite calcular la masa de combustible necesaria para alcanzar el valor requerido. dV , es decir. para realizar la maniobra requerida. De este modo. dV Puede considerarse como el "costo" de la tarea, ya que el costo de llevar combustible a la ruta de vuelo generalmente representa la mayor parte del costo de completar toda la tarea.
En los cohetes convencionales que utilizan combustible químico, la tasa de agotamiento de los productos de combustión es baja ( 3-4 km/s). Esta sola circunstancia pone en duda la conveniencia de su uso en vuelos de larga distancia. Además, la forma de la ecuación de movimiento del cohete muestra que al aumentar dV la proporción de combustible en la masa inicial de la nave espacial (“fracción de masa de combustible”) crece exponencialmente. En consecuencia, en un aparato para vuelos de larga distancia que requieren gran importancia dV , el combustible representará casi toda la masa inicial.
Veamos algunos ejemplos. En el caso de un vuelo a Marte desde una órbita terrestre baja, el valor requerido dV es sobre 4,5 km/s De la ecuación del movimiento del cohete se deduce que la fracción de masa de combustible necesaria para realizar dicho vuelo interplanetario es mayor que 2/3 . Para vuelos a regiones más distantes del sistema solar, como los planetas exteriores, se requiere dV de 35 antes 70 km/s Habrá que asignar la parte del combustible de un cohete convencional 99,98 % masa inicial. En este caso, no quedará espacio para equipos u otra carga útil. A medida que los destinos de las naves espaciales se conviertan en regiones cada vez más distantes del sistema solar, los motores de combustible químico serán cada vez más inútiles. Quizás los ingenieros encuentren una manera de aumentar significativamente el caudal de productos de combustión. Pero ésta es una tarea muy difícil. Se requerirá una temperatura de combustión muy alta, que está limitada tanto por la cantidad de energía liberada por la reacción química como por la resistencia al calor del material de las paredes del motor del cohete.

solución plasmática

Los motores de plasma permiten velocidades de escape mucho más altas. El empuje se crea acelerando el plasma (gas parcial o totalmente ionizado) a velocidades que superan significativamente el límite de los motores dinámicos de gas convencionales. El plasma se crea impartiendo energía a un gas, por ejemplo irradiándolo con un láser, ondas de micro o radiofrecuencia, o utilizando fuertes campos eléctricos. El exceso de energía arranca electrones de los átomos o moléculas, que como resultado adquieren una carga positiva, y los electrones desprendidos pueden moverse libremente en el gas, lo que hace que el gas ionizado sea un conductor de corriente mucho mejor que el cobre metálico. Dado que el plasma contiene partículas cargadas cuyo movimiento está determinado en gran medida por campos eléctricos y magnéticos, la exposición a campos eléctricos o electromagnéticos puede acelerar sus componentes y expulsarlos como sustancia de trabajo para crear empuje. Los campos requeridos se pueden crear usando electrodos e imanes, usando antenas externas o bobinas de alambre, o haciendo pasar corriente a través del plasma.
La energía para crear y acelerar el plasma suele obtenerse de paneles solares. Pero para las naves espaciales que se dirigen más allá de la órbita de Marte, se necesitarán fuentes de energía nuclear, porque A medida que nos alejamos del Sol, la intensidad del flujo de energía solar disminuye. Hoy en día, las sondas espaciales robóticas utilizan dispositivos termoeléctricos calentados con energía procedente de la desintegración de isótopos radiactivos, pero las misiones más largas requerirán reactores nucleares o incluso de fusión. Se encenderán solo después de que la nave espacial se lance a una órbita estable ubicada a una distancia segura de la Tierra; antes de que comience la operación, el combustible nuclear debe mantenerse en un estado inerte.
Se han desarrollado tres tipos de motores de cohetes eléctricos hasta el nivel de aplicación práctica. El más utilizado es el motor de iones, que estaba equipado con una sonda Down.

motor de iones

La idea de la propulsión iónica, uno de los conceptos de mayor éxito en propulsión eléctrica, fue propuesta hace un siglo por el pionero estadounidense de los cohetes Robert H. Goddard, cuando aún era estudiante de posgrado en el Instituto Politécnico de Worcester. Los motores de iones permiten obtener velocidades de escape de 20 antes 50 km/s (cuadro en la página siguiente).
En la realización más común, dicho motor recibe energía de paneles de células solares con una capa de barrera. Se trata de un cilindro corto, un poco más grande que un cubo, instalado en la parte trasera de la nave espacial. Desde el tanque de "combustible" se suministra gas xenón, que ingresa a la cámara de ionización, donde un campo electromagnético elimina electrones de los átomos de xenón, creando plasma. Sus iones positivos son atraídos y acelerados a velocidades muy altas por el campo eléctrico entre dos electrodos de malla. Cada ion positivo en el plasma experimenta una fuerte atracción hacia el electrodo negativo ubicado en la parte trasera del motor y, por lo tanto, se acelera hacia atrás.
La salida de iones positivos crea una carga negativa en la nave espacial que, a medida que se acumula, atraerá los iones emitidos de regreso a la nave espacial, reduciendo el empuje a cero. Para evitar esto, se utiliza una fuente de electrones externa (electrodo negativo o cañón de electrones) para introducir electrones en la corriente de iones salientes. Esto asegura la neutralización del flujo saliente, dejando la nave espacial eléctricamente neutra.

Hoy en día, las naves espaciales comerciales (principalmente satélites de comunicaciones en órbitas geoestacionarias) están equipadas con decenas de propulsores de iones, que se utilizan para corregir su posición en órbita y orientación.
La primera nave espacial del mundo, que utilizó un sistema de generación de empuje eléctrico para vencer la gravedad de la Tierra cuando se lanzó desde una órbita cercana a la Tierra, apareció a finales del siglo XX. Investigacion Espacio profundo 1 Para atravesar la cola polvorienta del cometa Borrelli, necesitaba aumentar su velocidad en 4,3 km/s, en los que se gastó menos 74 kg de xenón (aproximadamente la misma masa que un barril de cerveza lleno). Este es el mayor aumento de velocidad logrado hasta la fecha por cualquier nave espacial que utilice empuje en lugar de una honda gravitacional. Dawn pronto debería superar el récord en aproximadamente 10 km/s Los ingenieros del Laboratorio de Propulsión a Chorro demostraron recientemente motores de iones que pueden funcionar de forma continua durante más de tres años.

EL COMIENZO DE LA ERA DE LOS MOTORES DE COHETES ELÉCTRICOS

1903 g.: K.E. Tsiolkovsky derivó la ecuación del movimiento del cohete, ampliamente utilizada para calcular el consumo de combustible en vuelos espaciales. En 1911, propuso que un campo eléctrico podría acelerar partículas cargadas para crear un propulsor en chorro.
1906 g.: Robert Goddard consideró el uso de la aceleración electrostática de partículas cargadas para crear propulsión a chorro. En 1917 creó y patentó un motor, el predecesor de los modernos motores de iones.
1954 g.: Ernst Stuhlinger mostró cómo optimizar las características de un motor de iones
1962 g.: Se publicó la primera descripción de un propulsor Hall, un tipo más potente de propulsor de plasma, creado a partir del trabajo de investigadores soviéticos, europeos y estadounidenses.
1962 Ejemplo: Adriano Ducati descubrió el principio de funcionamiento del motor magnetoplasma-modinámico (MPD), el tipo más potente de motor de plasma.
1964 ciudad: Nave espacial SERT 1 La NASA realizó la primera prueba exitosa de un motor de iones en el espacio
1972 Ejemplo: El satélite soviético "Meteor" realizó el primer vuelo espacial con motor Hall.
1999 ciudad: sonda espacial Espacio profundo 1 El Laboratorio de Empuje Inactivo de la NASA demostró el primer uso exitoso de un motor de iones como sistema de propulsión principal para superar la gravedad de la Tierra al lanzarse desde la órbita terrestre.

Las características de los motores de cohetes eléctricos están determinadas no solo por la velocidad de salida de las partículas cargadas, sino también por la densidad de empuje, el valor de la fuerza de empuje por unidad de área del orificio a través del cual fluyen estas partículas. Las capacidades de los propulsores iónicos y electrostáticos similares están limitadas por la carga espacial, lo que impone un límite muy bajo a la densidad de empuje alcanzable. El hecho es que a medida que los iones positivos pasan a través de las rejillas electrostáticas del motor, inevitablemente se acumula una carga positiva entre ellos, lo que reduce la intensidad del campo eléctrico que acelera los iones.
Debido a esto, el empuje del motor de la sonda Espacio profundo 1 equivale aproximadamente al peso de una hoja de papel, lo que dista mucho del empuje de los motores de las películas de ciencia ficción. Para acelerar un automóvil usando esta fuerza de cero a 100 km/h (en ausencia de resistencia al movimiento: un coche parado en el suelo, tal fuerza ni siquiera se moverá de su lugar - aprox. carril) se habrían tardado más de dos días. En el vacío del espacio, que no ofrece resistencia, incluso una fuerza muy pequeña puede impartir gran velocidad al aparato si actúa durante el tiempo suficiente.

motor de pasillo

Una variante del propulsor de plasma, llamado propulsor Hall (recuadro en la página 39), está libre de las limitaciones impuestas por la carga espacial y, por lo tanto, es capaz de acelerar una nave espacial a altas velocidades más rápido que un propulsor de iones de tamaño comparable (debido a su mayor densidad de empuje). En Occidente, esta tecnología obtuvo reconocimiento a principios de la década de 1990, tres décadas después del inicio de su desarrollo en la antigua URSS.
El principio de funcionamiento del motor se basa en el uso de un efecto fundamental descubierto en 1879 por Edwin H. Hall, entonces estudiante de posgrado en la Universidad Johns Hopkins. Hall demostró que en un conductor en el que se crean campos eléctricos y magnéticos mutuamente perpendiculares, surge una corriente eléctrica (llamada corriente de Hall) en una dirección perpendicular a ambos campos.
En un propulsor Hall, el plasma se crea mediante una descarga eléctrica entre un electrodo positivo interno (ánodo) y un electrodo negativo externo (cátodo). La descarga elimina electrones de los átomos de gas neutro en el espacio entre los electrodos. El plasma resultante es acelerado hacia la salida del motor cilíndrico mediante la fuerza de Lorentz, que surge como resultado de la interacción del campo magnético radial aplicado con la corriente eléctrica (en este caso, la corriente de Hall), que fluye en sentido azimutal. dirección, es decir alrededor del electrodo central. La corriente Hall se crea por el movimiento de electrones en campos eléctricos y magnéticos. Dependiendo de la potencia disponible, las velocidades de salida pueden variar desde 10 antes 50 km/s
Este tipo de propulsor de plasma está libre de las limitaciones de la carga espacial porque acelera todo el plasma (tanto iones positivos como electrones negativos). Por lo tanto, la densidad de empuje alcanzable y, en consecuencia, su fuerza (y por lo tanto el valor potencialmente alcanzable dV ) son muchas veces superiores a los de un motor de iones del mismo tamaño. Más de 200 propulsores Hall ya están funcionando en satélites en órbitas terrestres bajas. Y fue precisamente este motor el que utilizó la Agencia Espacial Europea para acelerar económicamente la nave espacial. INTELIGENTE 1 mientras volaba a la Luna.

Las dimensiones de los propulsores Hall son bastante pequeñas y los ingenieros están intentando crear dispositivos de este tipo que puedan recibir la mayor potencia necesaria para obtener velocidades de escape y valores de empuje elevados.
Los científicos del Laboratorio de Física del Plasma de la Universidad de Princeton han logrado cierto éxito instalando electrodos seccionados en las paredes del propulsor Hall, que generan un campo eléctrico de tal manera que enfocan el plasma en un haz de salida estrecho. El diseño reduce el componente inútil del empuje fuera del eje y permite una mayor vida útil del motor debido al hecho de que el haz de plasma no entra en contacto con las paredes del motor. Los ingenieros alemanes lograron aproximadamente los mismos resultados utilizando campos magnéticos de una configuración especial. Y los investigadores de la Universidad de Stanford han demostrado que recubrir las paredes del motor con diamante policristalino duradero mejora significativamente su resistencia a la erosión por plasma. Todas estas mejoras hicieron que los propulsores Hall fueran adecuados para vuelos espaciales de larga distancia.

Motor de próxima generación

Una forma de aumentar aún más la densidad de empuje es aumentar la cantidad total de plasma acelerado en el motor. Pero a medida que aumenta la densidad del plasma en el propulsor Hall, aumenta la frecuencia de las colisiones de electrones con átomos e iones, lo que
impide que los electrones transporten la corriente Hall necesaria para la aceleración. El uso de plasma más denso es posible gracias a un motor magnetoplasmodinámico (MPD), en el que, en lugar de la corriente Hall, se utiliza una corriente que se dirige principalmente a lo largo del campo eléctrico (insertado a la izquierda) y es mucho menos susceptible a la destrucción. debido a colisiones con átomos.
En términos generales, un motor MTD consta de un cátodo central ubicado dentro de un ánodo cilíndrico de mayor tamaño. Se introduce gas (normalmente vapor de litio) en el espacio anular entre el cátodo y el ánodo, donde se ioniza mediante una corriente eléctrica que fluye radialmente desde el cátodo al ánodo. La corriente crea un campo magnético azimutal (que rodea el cátodo central) y la interacción del campo y la corriente genera la fuerza de Lorentz, que crea empuje.
El motor MTD, del tamaño de un cubo normal, es capaz de procesar alrededor de un megavatio de energía procedente de una fuente solar o nuclear y permite velocidades de escape de 15 a 60 km/s. En verdad, pequeño y valiente.

Otra ventaja del motor MTD es la posibilidad de estrangulación: la velocidad de escape y el empuje se pueden ajustar cambiando la intensidad de la corriente o el consumo de sustancia de trabajo. Esto permite cambiar el empuje del motor y la velocidad de escape en relación con la necesidad de optimizar la trayectoria de vuelo. La intensa investigación de los procesos que deterioran las características de los motores MTD y afectan su vida útil, en particular la erosión del plasma, las inestabilidades del plasma y las pérdidas de potencia en el mismo, ha permitido crear nuevos motores con alto rendimiento. Utilizan vapor de litio o bario como sustancias de trabajo. Los átomos de estos metales se ionizan fácilmente, lo que reduce las pérdidas de energía interna en el plasma y permite mantener una temperatura del cátodo más baja. El uso de metales líquidos como sustancias de trabajo y el diseño inusual del cátodo con canales que cambian la naturaleza de la interacción de la corriente eléctrica con su superficie ayudaron a reducir significativamente la erosión del cátodo y crear motores MTD más confiables.
Un equipo de científicos académicos y de la NASA completó recientemente el desarrollo de un nuevo motor MTD de "litio" llamado a2. potencialmente capaz de transportar una nave espacial de propulsión nuclear que transporte una gran carga útil y personas a la Luna y Marte, así como proporcionar vuelos de estaciones espaciales automáticas a los planetas exteriores del Sistema Solar.

gana la tortuga

Iónico, Hall y magnetoplasmodinámico son tres tipos de motores de plasma que ya han encontrado aplicación práctica. Durante las últimas décadas, los investigadores han propuesto muchas opciones prometedoras. Se están desarrollando motores que funcionan en modo pulsado y continuo. En algunos, el plasma se crea mediante una descarga eléctrica entre electrodos, en otros, de forma inductiva mediante una bobina o antena. Los mecanismos de aceleración del plasma también difieren: utilizando la fuerza de Lorentz, introduciendo plasma en capas de corriente creadas magnéticamente o utilizando una onda electromagnética viajera. Un tipo incluso implica expulsar plasma a través de “boquillas de cohetes” invisibles creadas mediante campos magnéticos.
En todos los casos, los motores de cohetes de plasma aceleran más lentamente que los normales. Sin embargo, gracias a la paradoja de "cuanto más lento, más rápido", permiten alcanzar objetivos lejanos en menos tiempo, ya que, en última instancia, aceleran la nave espacial a una velocidad mucho mayor que los motores de combustible químico con la misma masa de combustible. Esto le permite evitar perder el tiempo en desviaciones hacia los cuerpos que proporcionan el efecto de tirachinas gravitacional. Al igual que en la famosa historia de la tortuga que se mueve lentamente y finalmente deja atrás a la liebre, en los vuelos “maratonianos” que se volverán más comunes en la próxima era de exploración del espacio profundo, la tortuga ganará.


Hoy en día, los motores de plasma más avanzados son capaces de proporcionar dV antes 100 km/s Esto es suficiente para volar a los planetas exteriores en un tiempo razonable. Uno de los proyectos más impresionantes en el campo de la exploración del espacio profundo implica el envío a la Tierra de muestras de suelo de Titán, la luna más grande de Saturno, que, según los científicos, tiene una atmósfera muy similar a la que envolvió a la Tierra hace miles de millones de años. .
Una muestra de la superficie de Titán brindará a los científicos una rara oportunidad de buscar signos de precursores químicos de la vida. Los motores de cohetes de combustible químico hacen imposible tal expedición. El uso de tirachinas de gravedad aumentaría el tiempo de vuelo en más de tres años. Y una sonda con un motor de plasma “pequeño pero remoto” podrá realizar ese viaje mucho más rápido.

Traducción: IE Satsévich

LITERATURA ADICIONAL

    Beneficios de la propulsión eléctrica nuclear para la exploración de planetas exteriores. G. Woodcock y col. Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica, 2002.

    Propulsión eléctrica. Robert G. Jahn y Edgar Y. Choueiri en Enciclopedia de ciencia y tecnología físicas. Tercera edicion. Prensa académica, 2002.

    Una historia crítica de la propulsión eléctrica: los primeros 50 años (1906-1956). Edgar Y. Choueiri en Revista de propulsión y potencia, vol. 20, núm. 2, páginas 193-203; 2004.

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La invención se refiere al campo de la creación de motores de cohetes eléctricos. Se propone un dispositivo de motor de cohete eléctrico que, al igual que el tipo conocido de motor con descarga de plasma estacionaria uniforme (motores de plasma estacionarios - SPD), contiene boquillas supersónicas, un canal acelerador magnetohidrodinámico ubicado en una cavidad cilíndrica entre los polos de un coaxial. Circuito magnético, una bobina de excitación de campo magnético conectada a la fuente EMF. A diferencia del SPD, el motor propuesto utiliza un flujo de plasma de gas no uniforme del fluido de trabajo. Para crear faltas de homogeneidad del plasma en forma de anillos de plasma, el motor contiene una fuente de voltaje pulsado de alta frecuencia conectada a una bobina adicional instalada en la entrada del canal del acelerador. La descarga en los anillos de plasma, acoplados inductivamente a la bobina de excitación del campo magnético, se mantiene mediante una fuente de fem alterna conectada a la bobina. Para interrumpir la corriente en los anillos de plasma en el momento de su salida del canal del acelerador magnetodinámico, se instalan nervaduras dieléctricas radiales en la entrada del difusor del motor. La invención permite aumentar el empuje y la duración del funcionamiento del motor. 1 enfermo.

La invención se refiere al campo de la creación de motores de cohetes eléctricos. Existe un método conocido [I] para aumentar el empuje de un motor de cohete eléctrico, que propone reemplazar una descarga de plasma homogénea estacionaria por un flujo de plasma de gas no uniforme. Los haces de plasma (capas en T) son resistentes al desarrollo de inestabilidad por sobrecalentamiento, lo que permite aumentar repetidamente la densidad del fluido de trabajo que pasa a través del canal del motor y, por lo tanto, aumentar proporcionalmente el empuje. El dispositivo que implementa este método consta de una boquilla dinámica de gas, un canal acelerador magnetohidrodinámico de sección rectangular con paredes de electrodos, un sistema magnético que crea un campo magnético en el canal del acelerador transversal al flujo del fluido de trabajo, un pulsador Sistema de descarga de alta corriente de electrodos que forma capas T en el flujo, una fuente EMF constante conectada a los electrodos del canal del acelerador. El dispositivo debe proporcionar una aceleración del flujo debido a la fuerza electrodinámica que actúa en el volumen de las capas T, que a su vez actúan sobre el flujo de gas como pistones de plasma aceleradores. La modelización numérica del modo de funcionamiento en el canal de este dispositivo ha demostrado que con un nivel de empuje de hasta 1000 N se puede alcanzar una velocidad de escape de hasta 50.000 m/s. Una desventaja de un dispositivo que implementa el método conocido es la uso de electrodos tanto en el circuito fuente que forma las capas T, como en el circuito fuente que proporciona el modo de aceleración en el canal MHD. El modo de flujo de corriente en las capas T es el arco. La inevitable erosión por arco de los electrodos reduce significativamente la vida útil del motor (según la experiencia con antorchas de plasma, se debe esperar que los electrodos no proporcionen más de 100 horas de funcionamiento continuo). Para las naves espaciales reutilizables, la vida útil del motor debe ser de al menos un año de funcionamiento continuo. Se conoce un motor de cohete eléctrico (motor de plasma estacionario - SPD), que se utiliza para acelerar el flujo de plasma debido al efecto electrodinámico sobre un medio eléctricamente conductor. Este dispositivo consta de boquillas supersónicas, un canal acelerador magnetohidrodinámico (MHD) ubicado en una cavidad cilíndrica entre los polos de un circuito magnético coaxial, una bobina de excitación de campo magnético conectada a una fuente EMF constante y un sistema de suministro de energía para una descarga de plasma estacionaria. . El dispositivo funciona según el siguiente esquema. A través de una boquilla dinámica de gas se suministra un fluido de trabajo gaseoso que, al ingresar al canal del acelerador MHD, ingresa a la región de una descarga de plasma estacionaria sostenida por el sistema de suministro de energía, se ioniza y pasa al estado de plasma. La corriente en la descarga fluye a lo largo del canal, mientras que el ánodo del sistema de suministro de energía es una boquilla dinámica de gas y el cátodo está ubicado en la salida del canal. Un modo de aceleración estable se logra solo con una densidad de plasma muy baja, en la que el parámetro Hall puede alcanzar valores del orden de 100. En estas condiciones, una pequeña corriente de descarga a lo largo del canal genera una corriente azimutal significativa, cerrada sobre sí misma. . La interacción de la corriente azimutal con el campo magnético radial creado por la bobina de excitación entre los polos coaxiales del circuito magnético genera una fuerza electrodinámica aceleradora en el volumen del plasma. El cierre de la corriente principal sin el uso de electrodos permite hacer que la vida útil del motor sea casi ilimitada. La desventaja del dispositivo conocido es la baja densidad del fluido de trabajo, que es necesaria para garantizar un funcionamiento estable del el motor. Por consiguiente, el empuje de dicho motor no supera los 0,1 N. La invención se basa en el objetivo de crear un motor de cohete eléctrico de alto empuje con una duración de funcionamiento continuo del orden de un año. que un motor de cohete eléctrico que contiene boquillas supersónicas, un canal de acelerador magnetohidrodinámico ubicado en una cavidad cilíndrica entre los polos del circuito magnético coaxial, la bobina de excitación del campo magnético conectada a la fuente EMF, de acuerdo con esta invención, está equipada con un impulso de alta fuente de voltaje de frecuencia conectada a una bobina adicional instalada en la entrada del canal del acelerador, y un difusor con nervaduras dieléctricas radiales, mientras que la bobina de excitación del campo magnético está conectada a una fuente de FEM variable.La invención se ilustra mediante un dibujo que muestra una cruz sección del dispositivo Un motor de cohete eléctrico contiene boquillas supersónicas 1, canal 2 de un acelerador magnetohidrodinámico ubicado en una cavidad cilíndrica entre los polos de un circuito magnético coaxial 3, una bobina de excitación de campo magnético 4 conectada a una fuente 5 de un EMF variable , fuente de voltaje pulsado de alta frecuencia 6, conectada a una bobina adicional 7 instalada en la entrada al canal 2 del acelerador. El motor también contiene un difusor 8 con aletas dieléctricas radiales 9. Un motor de cohete eléctrico funciona de la siguiente manera: gas calentado (por ejemplo, hidrógeno), cuya temperatura está determinada por las condiciones de la fuente de calor a bordo, y la presión está determinado por los requisitos de empuje del motor, que determinan el caudal del fluido de trabajo que se acelera en la boquilla supersónica 1. El sistema de descarga pulsada de alta frecuencia 6 se enciende periódicamente con un ciclo de trabajo de tiempo determinado, y cada encendido forma un coágulo de plasma en el flujo de gas en la entrada del canal 2 del acelerador MHD. Una fuente externa de fuerza electromagnética alterna crea una corriente alterna en la bobina de excitación 4, que genera un campo magnético radial variable en el tiempo entre los polos del circuito magnético coaxial 3. Esto genera un campo eléctrico de Foucault en dirección azimutal. Bajo la influencia de campos eléctricos azimutales y magnéticos radiales, a partir de coágulos de plasma se forman bobinas de corriente de plasma azimutales autosostenidas (capas T), que a su vez actúan sobre el flujo de gas como pistones aceleradores. Después del canal del acelerador MHD, el flujo acelerado ingresa al canal-difusor en expansión 8, en el que están instaladas aletas dieléctricas radiales 9. Las aletas son arrastradas por un flujo de gas, pero los circuitos eléctricos de las capas en T se interrumpen. ellos, lo que permite interrumpir la etapa electrodinámica de aceleración del flujo. En el difusor 8, que es una continuación del canal del acelerador MHD, se lleva a cabo una mayor aceleración del flujo de gas debido a la energía térmica transferida al flujo desde las capas T. Modelado numérico del proceso de aceleración del flujo de hidrógeno que contiene capas T se llevó a cabo en condiciones de un modo que implementa el método descrito. Se muestra que el dispositivo propuesto puede implementarse con los siguientes parámetros correspondientes a la tarea de crear un motor de cohete eléctrico (ERE) eficiente: - la eficiencia del proceso de transformación de la electricidad en energía cinética del fluido de trabajo es del 95%; - la velocidad media del flujo a la salida del motor es de 40 km/s; - la longitud del canal del acelerador MHD es de 0,3 m; - el diámetro medio del canal del acelerador MHD es de 11 cm; - la altura del canal (distancia entre polos ) es 1 cm; - el caudal másico del fluido de trabajo es 12 g/s; - la temperatura del hidrógeno a la entrada del motor de propulsión eléctrica es 1000 K; - la presión del hidrógeno a la entrada del motor de propulsión eléctrica es 10 4 Pa; - el valor medio de la fem de la alimentación eléctrica de propulsión es de 5 kV; - el valor medio de la corriente en el devanado de excitación es de 2 kA; ​​- la potencia eléctrica consumida es de 10 MW; - el empuje del motor es de 500 N. El motor de cohete eléctrico propuesto encontrará aplicación en la creación de un sistema de transporte espacial destinado a transportar carga desde las órbitas cercanas a la Tierra hasta los planetas geoestacionarios, lunares y posteriores del sistema solar. ANTES DE CRISTO. Slavin, V.V. Danilov, M.V. Kraev. Un método para acelerar el flujo de un fluido de trabajo en el canal de un motor de cohete, patente de RF No. 2162958, F 02 K 11/00, F 03 H 1/00, 2001. 2. SD Grishin, L.V. Leskov. Motores de cohetes eléctricos de naves espaciales. - M.: Ingeniería Mecánica, 1989, p. 163.

Afirmar

Un motor de cohete eléctrico que contiene toberas supersónicas, un canal de acelerador magnetohidrodinámico ubicado en una cavidad cilíndrica entre los polos de un circuito magnético coaxial, una bobina de excitación de campo magnético conectada a una fuente EMF, caracterizado porque el dispositivo está equipado con un generador pulsado de alta frecuencia. fuente de voltaje conectada a una bobina adicional instalada en el canal del acelerador de entrada, y un difusor con aletas dieléctricas radiales, mientras que la bobina de excitación del campo magnético está conectada a una fuente de EMF alterna.

Patentes similares:

La invención se refiere a la tecnología de plasma y puede utilizarse en motores de cohetes eléctricos basados ​​en un acelerador de plasma con deriva electrónica cerrada, así como en aceleradores tecnológicos utilizados en procesos de tecnología de plasma al vacío.

Un motor de cohete eléctrico es un motor de cohete cuyo principio de funcionamiento se basa en el uso de energía eléctrica recibida de una planta de energía a bordo de la nave espacial para generar empuje. El principal campo de aplicación es la corrección menor de trayectorias, así como la orientación espacial de las naves espaciales. Un complejo que consta de un motor de cohete eléctrico, un sistema de suministro y almacenamiento de fluido de trabajo, un sistema de control automático y un sistema de suministro de energía se denomina sistema de propulsión de cohete eléctrico.

La mención de la posibilidad de utilizar energía eléctrica en motores de cohetes para crear empuje se encuentra en los trabajos de K. E. Tsiolkovsky. En 1916-1917 Los primeros experimentos los llevó a cabo R. Goddard, y ya en los años 30. Siglo XX Bajo el liderazgo del vicepresidente Glushko, se creó uno de los primeros motores de cohetes eléctricos.

En comparación con otros motores de cohetes, los eléctricos permiten aumentar la vida útil de una nave espacial y, al mismo tiempo, se reduce significativamente el peso del sistema de propulsión, lo que permite aumentar la carga útil y obtener el peso más completo y características de tamaño. Utilizando motores de cohetes eléctricos, es posible acortar la duración de un vuelo a planetas distantes y también hacer posible un vuelo a cualquier planeta.

A mediados de los años 60. Siglo XX Los motores de cohetes eléctricos se probaron activamente en la URSS y los Estados Unidos, y ya en los años 1970. Se utilizaron como sistemas de propulsión estándar.

En Rusia, la clasificación se basa en el mecanismo de aceleración de partículas. Se pueden distinguir los siguientes tipos de motores: electrotérmicos (calentamiento eléctrico, arco eléctrico), electrostáticos (motores de plasma iónicos, incluidos coloidales, estacionarios con aceleración en la capa anódica), motores de alta precisión (electromagnéticos, magnetodinámicos) y de impulsos.

Como fluido de trabajo se pueden utilizar todos los líquidos y gases, así como sus mezclas. Para cada tipo de motor eléctrico, es necesario utilizar los fluidos de trabajo adecuados para conseguir los mejores resultados. Para los motores electrotérmicos se utiliza tradicionalmente amoníaco, para los electrostáticos se utiliza el xenón, para los motores de alta corriente se utiliza el litio y para los motores de impulsos el fluido de trabajo más eficaz es el fluoroplástico.

Una de las principales fuentes de pérdidas es la energía gastada en ionización por unidad de masa acelerada. La ventaja de los motores de cohetes eléctricos es el bajo flujo másico del fluido de trabajo, así como la alta velocidad del flujo acelerado de partículas. El límite superior de la velocidad de salida está teóricamente dentro de la velocidad de la luz.

Actualmente, para varios tipos de motores, la velocidad de escape oscila entre 16 y 60 km/s, aunque los modelos prometedores podrán proporcionar una velocidad de escape del flujo de partículas de hasta 200 km/s.
La desventaja es la muy baja densidad de empuje; también hay que tener en cuenta que la presión exterior no debe superar la presión en el canal de aceleración. La potencia eléctrica de los modernos motores de cohetes eléctricos utilizados en las naves espaciales oscila entre 800 y 2000 W, aunque la potencia teórica puede alcanzar los megavatios. La eficiencia de los motores de cohetes eléctricos es baja y varía del 30 al 60%.

En la próxima década, este tipo de motor cumplirá principalmente tareas de corrección de la órbita de las naves espaciales ubicadas tanto en órbitas geoestacionarias como terrestres bajas, así como para llevar naves espaciales desde la órbita terrestre baja de referencia a otras más altas, como la órbita geoestacionaria. .

Reemplazar un motor de cohete líquido, que sirve como corrector de órbita, por uno eléctrico reducirá la masa de un satélite típico en un 15%, y si se aumenta el período de su permanencia activa en órbita, en un 40%.