Razgovori o raketnim motorima. Električni raketni motor Princip rada i uređaj električnog raketnog motora

Što vam prvo padne na pamet kada čujete izraz "raketni motori"? Naravno, tajanstveni svemir, međuplanetarni letovi, otkrivanje novih galaksija i primamljivi sjaj dalekih zvijezda. Nebo je oduvijek privlačilo ljude k sebi, ostajući neriješena misterija, no stvaranje prve svemirske rakete i njeno lansiranje otvorilo je čovječanstvu nove horizonte istraživanja.

Raketni motori su u biti obični mlazni motori s jednom važnom značajkom: ne koriste atmosferski kisik kao oksidans goriva za stvaranje mlaznog potiska. Sve što je potrebno za njegov rad nalazi se ili izravno u njegovom tijelu, ili u sustavima za oksidaciju i dovod goriva. Upravo ta značajka omogućuje korištenje raketnih motora u svemiru.

Postoji mnogo vrsta raketnih motora i svi se međusobno razlikuju ne samo po značajkama dizajna, već i po principu rada. Zato se svaka vrsta mora razmatrati zasebno.

Među glavnim karakteristikama izvedbe raketnih motora posebna se pozornost posvećuje specifičnom impulsu - omjeru potiska mlaza i mase potrošene radne tekućine u jedinici vremena. Specifična vrijednost impulsa odražava učinkovitost i ekonomičnost motora.

Kemijski raketni motori (CRD)

Ovaj tip motora trenutno je jedini koji se naširoko koristi za lansiranje svemirskih letjelica u svemir, a osim toga našao je primjenu i u vojnoj industriji. Kemijski motori se dijele na kruto i tekuće gorivo ovisno o agregatnom stanju raketnog goriva.

Povijest stvaranja

Prvi raketni motori bili su na čvrsto gorivo, a pojavili su se prije nekoliko stoljeća u Kini. U to vrijeme nisu imali mnogo veze sa svemirom, ali uz njihovu pomoć bilo je moguće lansirati vojne rakete. Kao gorivo korišten je prah koji po sastavu podsjeća na barut, samo je promijenjen postotak njegovih komponenti. Kao rezultat toga, tijekom oksidacije prah nije eksplodirao, već je postupno izgorio, oslobađajući toplinu i stvarajući mlazni potisak. Takvi su se motori dorađivali, poboljšavali i poboljšavali s različitim uspjehom, ali je njihov specifični impuls i dalje ostao malen, odnosno konstrukcija je bila neučinkovita i neekonomična. Ubrzo su se pojavile nove vrste krutih goriva koje su omogućile dobivanje većeg specifičnog impulsa i razvijanje veće vuče. Na njegovom stvaranju u prvoj polovici 20. stoljeća radili su znanstvenici iz SSSR-a, SAD-a i Europe. Već u drugoj polovici 40-ih godina prošlog stoljeća razvijen je prototip modernog goriva koji se i danas koristi.

Raketni motor RD-170 radi na tekuće gorivo i oksidator.

Raketni motori na tekuće gorivo izum su K.E. Tsiolkovsky, koji ih je predložio kao pogonsku jedinicu za svemirsku raketu 1903. godine. U 1920-ima, rad na stvaranju raketnog motora počeo se provoditi u SAD-u, u 1930-ima - u SSSR-u. Već početkom Drugog svjetskog rata stvoreni su prvi eksperimentalni uzorci, a nakon njegovog završetka LRE se počeo masovno proizvoditi. Korišteni su u vojnoj industriji za opremanje balističkih projektila. Godine 1957. prvi put u povijesti čovječanstva lansiran je sovjetski umjetni satelit. Za lansiranje je korištena raketa opremljena Ruskim željeznicama.

Uređaj i princip rada kemijskih raketnih motora

Motor na kruto gorivo u svom tijelu sadrži gorivo i oksidans u čvrstom agregatnom stanju, a spremnik goriva je ujedno i komora za izgaranje. Gorivo je obično u obliku šipke sa središnjom rupom. Tijekom procesa oksidacije, šipka počinje gorjeti od središta prema periferiji, a plinovi dobiveni kao rezultat izgaranja izlaze kroz mlaznicu, tvoreći potisak. Ovo je najjednostavniji dizajn među svim raketnim motorima.

Kod motora na tekuće gorivo gorivo i oksidans su u tekućem agregatnom stanju u dva odvojena spremnika. Kroz dovodne kanale ulaze u komoru za izgaranje, gdje se miješaju i odvija proces izgaranja. Produkti izgaranja izlaze kroz mlaznicu, stvarajući potisak. Kao oksidans obično se koristi tekući kisik, a gorivo može biti različito: kerozin, tekući vodik itd.

Za i protiv kemijske RD, njihov opseg

Prednosti RD na čvrsto gorivo su:

jednostavnost dizajna;
komparativna sigurnost u ekološkom smislu;
niska cijena;
pouzdanost.

Nedostaci RDTT:

ograničenje vremena rada: gorivo vrlo brzo izgara;
nemogućnost ponovnog pokretanja motora, zaustavljanja i reguliranja vuče;
mala specifična težina unutar 2000-3000 m/s.

Analizirajući prednosti i nedostatke raketnih motora na kruto gorivo, možemo zaključiti da je njihova uporaba opravdana samo u slučajevima kada je potrebna agregat srednje snage, koji je prilično jeftin i jednostavan za implementaciju. Opseg njihove uporabe su balističke, meteorološke rakete, MANPADS, kao i bočni pojačivači svemirskih raketa (opremljeni su američkim raketama, nisu korišteni u sovjetskim i ruskim raketama).

Prednosti tekućeg RD-a:

visoki specifični impuls (oko 4500 m/s i više);
sposobnost kontrole vuče, zaustavljanja i ponovnog pokretanja motora;
manja težina i kompaktnost, što omogućuje lansiranje čak i velikih tereta od više tona u orbitu.

Nedostaci LRE:

složen dizajn i puštanje u pogon;
u bestežinskim uvjetima, tekućine u spremnicima mogu se kretati nasumično. Za njihovo taloženje potrebno je koristiti dodatne izvore energije.

Djelokrug LRE je uglavnom astronautika, budući da su ti motori preskupi za vojne svrhe.

Unatoč činjenici da su do sada kemijski raketni motori jedini sposobni osigurati lansiranje raketa u svemir, njihovo daljnje usavršavanje praktički je nemoguće. Znanstvenici i dizajneri uvjereni su da je granica njihovih mogućnosti već dosegnuta i da su potrebni drugi izvori energije za dobivanje snažnijih jedinica s visokim specifičnim impulsom.

Nuklearni raketni motori (NRE)

Ova vrsta RD, za razliku od kemijskih, ne stvara energiju izgaranjem goriva, već zagrijavanjem radnog fluida energijom nuklearnih reakcija. NRE su izotopski, termonuklearni i nuklearni.

Povijest stvaranja

Dizajn i princip rada NRE-a razvijeni su još 50-ih godina. Već 70-ih godina u SSSR-u i SAD-u bili su spremni eksperimentalni uzorci koji su uspješno testirani. Čvrstofazni sovjetski motor RD-0410 s potiskom od 3,6 tona testiran je na postolju, a američki reaktor NERVA trebao je biti instaliran na raketu Saturn V prije nego što se obustavi sponzorstvo lunarnog programa. Paralelno se radilo i na stvaranju NRE u plinovitoj fazi. Sada postoje znanstveni programi za razvoj nuklearnih raketnih motora, eksperimenti se provode na svemirskim postajama.

Tako već postoje modeli nuklearnih raketnih motora koji rade, ali do sada nijedan od njih nije korišten izvan laboratorija ili znanstvenih baza. Potencijal ovakvih motora je prilično velik, ali je i rizik vezan uz njihovu upotrebu značajan, pa za sada postoje samo u projektima.

Uređaj i princip rada

Nuklearni raketni motori su plinoviti, tekući i čvrsti, ovisno o agregatnom stanju nuklearnog goriva. Gorivo u NRE-ima krute faze su gorivne šipke, isto kao iu nuklearnim reaktorima. Nalaze se u kućištu motora i u procesu raspadanja fisionog materijala oslobađaju toplinsku energiju. Radna tekućina - plinoviti vodik ili amonijak - u dodiru s gorivim elementom, apsorbira energiju i zagrijava, povećavajući volumen i skupljajući se, nakon čega izlazi kroz mlaznicu pod visokim pritiskom.

Načelo rada NRE u tekućoj fazi i njegov dizajn slični su onima u krutoj fazi, samo je gorivo u tekućem stanju, što omogućuje povećanje temperature, a time i potiska.

NRE u plinovitoj fazi rade na gorivu u plinovitom stanju. Obično koriste uran. Plinovito gorivo može se zadržati u tijelu pomoću električnog polja ili može biti u zatvorenoj prozirnoj tikvici - nuklearnoj lampi. U prvom slučaju dolazi do kontakta radne tekućine s gorivom, kao i djelomičnog istjecanja potonjeg, stoga, osim većine goriva, motor mora imati svoju rezervu za periodično dopunjavanje. Kod nuklearne žarulje nema istjecanja, a gorivo je potpuno izolirano od protoka radnog fluida.

Prednosti i nedostaci YARD-a

Nuklearni raketni motori imaju veliku prednost u odnosu na kemijske - to je visok specifični impuls. Za modele s čvrstom fazom njegova je vrijednost 8000-9000 m/s, za modele s tekućom fazom 14000 m/s, za modele s plinovitom fazom 30000 m/s. Međutim, njihova uporaba podrazumijeva kontaminaciju atmosfere radioaktivnim emisijama. Sada se radi na stvaranju sigurnog, ekološki prihvatljivog i učinkovitog nuklearnog motora, a glavni "kandidat" za tu ulogu je NRE u plinskoj fazi s nuklearnom svjetiljkom, gdje je radioaktivna tvar u zatvorenoj boci i ne izlazi van s mlaznim plamenom.

Električni raketni motori (EP)

Drugi potencijalni konkurent kemijskim raketnim motorima je električni raketni motor na električnu energiju. ERD može biti elektrotermički, elektrostatički, elektromagnetski ili pulsirajući.

Povijest stvaranja

Prvi EJE dizajnirao je 30-ih godina sovjetski dizajner V.P. Glushko, iako se ideja o stvaranju takvog motora pojavila početkom dvadesetog stoljeća. U 60-ima su znanstvenici iz SSSR-a i SAD-a aktivno radili na stvaranju električnog pogonskog sustava, a već u 70-ima prvi su se uzorci počeli koristiti u svemirskim letjelicama kao upravljački motori.

Uređaj i princip rada

Električni propulzijski sustav sastoji se od samog EJE-a čija struktura ovisi o njegovom tipu, sustava za dovod radne tekućine, upravljanje i napajanje. Elektrotermički RD zagrijava protok radnog fluida zbog topline koju stvara grijaći element, ili u električnom luku. Kao radni fluid koriste se helij, amonijak, hidrazin, dušik i drugi inertni plinovi, rjeđe vodik.

Elektrostatske RD se dijele na koloidne, ionske i plazma. U njima se nabijene čestice radnog fluida ubrzavaju električnim poljem. U koloidnim ili ionskim RD-ovima, ionizacija plina osigurava se ionizatorom, visokofrekventnim električnim poljem ili komorom s pražnjenjem u plinu. U plazma RD-ovima, radna tekućina, ksenon, inertni plin, prolazi kroz prstenastu anodu i ulazi u komoru za pražnjenje plina s kompenzacijskom katodom. Pri visokom naponu, iskra se zapali između anode i katode, ionizirajući plin, što rezultira plazmom. Pozitivno nabijeni ioni izlaze kroz mlaznicu velikom brzinom, dobivenom zbog ubrzanja električnim poljem, a elektrone izvodi kompenzacijska katoda.

Elektromagnetski RD imaju vlastito magnetsko polje - vanjsko ili unutarnje, koje ubrzava nabijene čestice radnog fluida.

Impulsni RD rad zbog isparavanja krutog goriva pod djelovanjem električnih pražnjenja.

Prednosti i nedostaci ERD-a, opseg uporabe

Među prednostima ERD-a:

visoki specifični impuls, čija je gornja granica praktički neograničena;
mala potrošnja goriva (radna tekućina).

Mane:

visoka razina potrošnje električne energije;
složenost dizajna;
malo vuče.

Do danas je uporaba ERE ograničena na njihovu ugradnju na svemirske satelite, a kao izvor električne energije za njih koriste se solarne baterije. Istodobno, upravo ti motori mogu postati one elektrane koje će omogućiti istraživanje svemira, stoga se rad na stvaranju njihovih novih modela aktivno provodi u mnogim zemljama. Upravo su te elektrane pisci znanstvene fantastike najčešće spominjali u svojim djelima posvećenim osvajanju svemira, a ima ih iu znanstvenofantastičnim filmovima. Zasad je upravo ERD nada da će ljudi ipak moći putovati do zvijezda.

ELEKTRIČNI RAKETNI MOTORI(elektromlazni motori, ERD) - svemir. mlazni motori, kod kojih se usmjereno kretanje mlazne struje stvara el. energije. Električni raketni pogonski sustav (EPS) uključuje sam EP, sustav za dovod i skladištenje radne tvari te sustav za pretvorbu električne energije. parametara izvora napajanja na nazivne vrijednosti za EJE i upravljanje radom EJE. ERD - motori malog potiska koji rade dugo vremena. vrijeme (godine) u svemirskoj letjelici. zrakoplov (SCV) u nultoj ili vrlo niskoj gravitaciji. polja. Uz pomoć EJE-a, parametri putanje leta svemirske letjelice i njezine orijentacije u prostoru mogu se održavati s visokim stupnjem točnosti ili mijenjati unutar zadanog raspona. Uz e-mag. ili e-statika. ubrzanje, brzina strujanja mlaza u ERE mnogo je veća nego u raketnim motorima na tekuće ili kruto gorivo; ovo daje dobitak u nosivosti svemirske letjelice. Međutim, za električni pogon potreban je izvor električne energije, dok su kod konvencionalnih raketnih motora nositelj energije komponente goriva (gorivo i oksidans). Obitelj ERD uključuje plazma potisnici(PD), el-chem. potisnici (ECD) i ionski potisnici (ID).

Elektrokemijski motori. U ECD se električna energija koristi za grijanje i kemikalije. razgradnja radne tvari. EHD se dalje dijele na motore s električnim grijanjem (END), termalno katalitičke (TKD) i hibridne (GD) motore. U END-u se radna tvar (vodik, amonijak) zagrijava električnim grijačem i zatim istječe nadzvučnom brzinom kroz mlaznicu (slika 1). U TKD katalizator se zagrijava električnom strujom (do temperature ~500 o C), čime se kemijski razgrađuje radna tvar (amonijak, hidrazin); daljnji produkti razgradnje teku kroz mlaznicu. U GD-u se prvo razgrađuje radna tvar, zatim se produkti razgradnje zagrijavaju i dolazi do njihovog isteka. Dizajn ECD-a i korišteni konstrukti. Materijali su dizajnirani za uključivanje na svemirskoj letjelici 7-10 godina s brojem lansiranja do 10 5, trajanjem neprekidnog rada ~ 10-100 h i odstupanjem karakteristika potiska od nominalne vrijednosti ne više od od 5-10%. Razina potrošene EHD električne energije. snaga - deseci W, raspon potiska - 0,01 -10 N. ECD imaju vrlo nisku energiju za električni pogon. cijena potiska ~3 kW/N, velika brzina strujanja mlaza (3 km/s) zbog male molekulske mase radne tvari i produkata njezine razgradnje. Glavni motor s hidrazinom s potiskom od 0,44 N uspješno je radio na komunikacijskom satelitu Intel-sat-5; amonijak END s potiskom od 0,15 N dio je redovnog EPS-a satelita serije Meteor, koji korigira orbitu i orijentaciju satelita.

Riža. 1. Shema električnog motora za grijanje: 1 - porozna električni grijač; 2-termalni zaslon; 3 - kućište; 4- mlaznica.

Ionski potisnici. Stavite osobnu iskaznicu. ioni radne tvari ubrzavaju se u e-statici. polje. ID (sl. 2) sastoji se od ionskog emitera 4, akcelerirajuće elektrode 5 s rupama (urezima) kroz koje prolaze ubrzani ioni i vanjske. elektroda 6 (ekran), u čijoj se ulozi obično koristi kućište ID. Elektroda za ubrzavanje je pod negativom. potencijal (~10 3 -10 4 V) u odnosu na emiter. Električni struje i prostora. električni mlazna struja bi trebala biti nula, tako da je izlazna ionska zraka neutralizirana elektronima, to-rye emitira neutralizator 7. Ext. elektroda ima potencijal negativan u odnosu na emiter i pozitivan u odnosu na elektrodu za ubrzavanje; pozitivan pomak potencijala je odabran tako da elektroni relativno niske energije iz neutralizatora budu električno blokirani. polje i nije pao u ubrzavajući raspor između emitera i ubrzavajuće elektrode. Energija ubrzanih iona određena je razlikom potencijala između emitera i ekst. elektroda. Prisutnost je pozitivna. prostori. naboj u ubrzavajućem rasporu ograničava struju iona iz emitera. Glavni ID parametri: brzina ispuha, učinkovitost vuče, energija. cijena potiska (W/N), energ. cijena iona (eV/ion) - količina energije utrošena na stvaranje iona. Stupanj radne tvari u ID treba biti što veći (>0,90,95).

Riža. 2. Shema ionskog motora s masovnom ionizacijom nacrti G. Kaufmana: 1 - katodna komora za plinsko pražnjenjery; 2- anoda; 3 - magnetska zavojnica; 4-emitiranje elektroda; 5 - ubrzavajuća elektroda; 6 - vanjska elektroda; 7 - neutralizator.

Ovisno o vrsti emitera, SM se dijele na površinske ionizacijske potisnike (SPID), koloidne potisnike (CD) i masovne ionizacijske potisnike (SPID). U IDPI, ionizacija se događa kada para radne tvari prolazi kroz porozni emiter; radna tvar mora biti manja od radnog rada materijala emitera. Obično se bira par cezij (radna tvar) - volfram (emiter). Emiter se zagrijava na temperaturu od 1500 o K kako bi se izbjegla kondenzacija radne tvari. U CD-u (postoje samo laboratorijski prototipovi) radna tvar (20% otopina kalijevog jodida u glicerolu) raspršuje se kroz kapilare u obliku pozitivno nabijenih mikrokapljica u ubrzavajući raspor; električni naboj mikrokapljica nastaje u procesu izvlačenja mlazova iz kapilara u jakom električnom. polje i njihovo naknadno raspadanje u kapljice. Izvor iona u IDOI je komora za plinsko pražnjenje (GDC), u kojoj se atomi radne tvari (metalne pare, inertni plinovi) ioniziraju udarom elektrona u plinskom pražnjenju niskog tlaka [pražnjenje između elektroda 1 i 2. (slika 2) ili mikrovalno pražnjenje bez elektroda]; ioni iz GDC-a uvlače se u ubrzavajući raspor kroz otvore emitirajuće elektrode-stjenke GDC-a, koji zajedno s ubrzavajućom elektrodom čine ionsko-optičku. sustav (IOS) za ubrzavanje i fokusiranje iona. Stijenke GDC-a, osim emitirajuće elektrode, magnetski su izolirane od plazme. IDOJ - naib. dizajniran s inženjeringom i fizički s gledišta ID njihova vučna učinkovitost iznosi ~70%, potvrđeno u zemaljskim ispitivanjima vijek trajanja je povećan na 2 10 4 h.radna tvar. energija potisak i cijene iona u ID (s iznimkom CHs) prilično su značajne (2·10 4 W/N, 250 eV/ion). Iz tog razloga, ID-ovi se još ne koriste u svemiru kao radni EJE-ovi (ECD-ovi, PD-ovi), iako su više puta testirani na svemirskim letjelicama. Naib. značajan test po programu SERT-2 (1970., SAD); ERPS je uključivao dva IDP-a koje je dizajnirao G. Kaufman (radna tekućina je živa, potrošnja energije 860 W, učinkovitost 68%, potisak 0,03 H), koji su neprekidno radili bez kvarova 3800 sati, odnosno 2011 sati. , te nakon dužeg vremena nastavio s radom. pauza.

PD prema shemi plazma akceleratora sa zatvorenim driftom elektrona i proširenom zonom ubrzanja sustavno se koristi na svemirskim letjelicama, posebice na geostacionarnim komunikacijskim satelitima.

Lit.: Gilzin K. A., Električni međuplanetarni brodovi, 2. izdanje, M., 1970; Morozov A. I., Shubin A. P., Svemirski električni propulzijski motori, M., 1975; Grishin S. D., Leskov L. V., Kozlov H. P., Električni raketni motori, M., 1975.

Izum se odnosi na električne mlazne motore. Izum je motor krajnjeg tipa na čvrstom radnom tijelu, koji se sastoji od anode, katode i kontrolora radnog tijela koji se nalazi između njih. Kontrola je izrađena od materijala visoke dielektrične konstante, kao što je barijev titanat, a s jedne strane su ugrađene anoda i katoda, a s druge strane je pričvršćen vodič. Kontrola može biti u obliku diska s katodom i anodom postavljenim koaksijalno ili dijametralno suprotno. UČINAK: izum omogućuje stvaranje impulsnog električnog mlaznog motora jednostavnog dizajna i visokih specifičnih parametara. 4 w.p. f-li, 2 ilustr.

Izum se odnosi na područje impulsnog djelovanja elektromlaznih motora (EP) na krutu radnu tekućinu. Poznati su impulsni plazma motori sa sustavom opskrbe plinovitim radnim fluidom (na primjer, ksenon, argon, vodik) i impulsni erozijski motori sa čvrstim radnim fluidom od politetrafluoretilena (PTFE). Glavni nedostatak motora prvog tipa je složeni sustav pulsirajuće strogo odmjerene opskrbe radnim fluidom zbog teškoća njegove sinkronizacije s impulsima napona pražnjenja i, kao rezultat toga, niske iskoristivosti radnog fluida. U drugom slučaju (vrsta erozije, radni medij - PTFE), specifični parametri su niski, maksimalna učinkovitost ne prelazi 15% zbog prevladavajućeg toplinskog mehanizma za dobivanje i ubrzavanje plazme električnog pražnjenja. Napredniji tip motora ove klase je krajnji pulsni električni plazma mlazni motor na čvrstom radnom fluidu (uključujući PTFE) s prevladavajućim elektron-detonacijskim tipom proboja (eksplozivno ubrizgavanje elektrona s površine radnog fluida prema anoda). Ovaj tip motora omogućuje postizanje viših specifičnih parametara na radnom tijelu od PTFE-a zbog značajnog smanjenja faze luka pražnjenja izvora plazme. Prisutnost lučnog stadija pražnjenja također dovodi do nestabilnosti procesa stvaranja plazme na površini radnog tijela kao što su snopovi plazme uz stvaranje kanala s povećanom vodljivošću na površini radnog tijela i, kao rezultat , do kratkog spajanja međuelektrodnog razmaka duž navedenih kanala. U literaturi se opisuju rezultati istraživanja nepotpunog tipa proboja duž površine dielektrika pri strujama ostvarenim u trenutku punjenja kondenzatora koji sadrži dielektrik s visokom dielektričnom konstantom. Na temelju ove vrste sloma stvoren je učinkovit izvor čestica (iona ili elektrona) pulsirajućeg tipa. Međutim, kada se procjenjuje mogućnost korištenja kao dijela pulsirajućeg ERE-a temeljenog na ionskoj komponenti s frekvencijom preklapanja od desetaka do stotina herca, problemi se javljaju iu pražnjenju (depolarizaciji) dielektrika koji se koristi kao radni fluid, kao i kao što je stabilnost mrežne elektrode, koja djeluje kao ekstraktor čestica, i problemi neutralizacije iona. Cilj izuma je stvoriti jednostavan dizajn s frekvencijom uključivanja do 100 herca ili više impulsnog električnog propulzijskog motora za postizanje niskog potiska za jedno pražnjenje generatora, ali s visokim specifičnim parametrima. Željena razina vučnog drugog impulsa osigurava se podešavanjem frekvencije prebacivanja. Ovaj cilj se postiže činjenicom da se u pulsnom električnom mlaznom motoru krajnjeg tipa na čvrstom radnom tijelu, koje se sastoji od anode, katode i kontrolnog tijela koje se nalazi između njih, predlaže napraviti kontrolno tijelo radno tijelo od dielektrika s visokom dielektričnom konstantom i ugradite ga s jedne strane čeke anode i katode, a s druge strane čeke ugradite ili nanesite vodič. Preferirani materijal za uložak radne tekućine je barijev titanat, a najkonstruktivniji oblik je oblik diska. Anoda i katoda mogu biti postavljene koaksijalno ili dijametralno suprotno. Predloženo rješenje ilustrirano je crtežima. Slika 1 prikazuje varijantu pulsnog ERD s koaksijalno smještenom anodom i katodom; slika 2 - varijanta s anodom i katodom postavljenim dijametralno suprotno. Predloženi motor sastoji se od anode, katode i bloka radnog fluida izrađenog od dielektrika s visokom dielektričnom konstantom, kao što je barijev titanat c 1000. taloženjem ili u obliku metalne ploče čvrsto pritisnute na površinu dielektrika. . S druge strane pločice su anoda 3 i katoda 4, smještene ili koaksijalno (slika 1) ili dijametralno nasuprot (slika 2). U takvom uređaju, kada se napon primijeni na anodu i katodu, međuelektrodno preklapanje dielektrika događa se preko površine dielektrika i počinje od obje elektrode kao rezultat punjenja dva serijski spojena kondenzatora formirana od "anoda - dielektrik - vodič" i sustavi "vodič - dielektrik - katoda". Kao rezultat, imamo dvije plazma baklje (anodu i katodu) iznad dielektrične površine koje se kreću jedna prema drugoj, dok će vodič 2 (vodljiva ploča) uređaja imati plutajući potencijal zbog prirode struja pomaka koje teku kroz dielektrik. U trenutku spajanja anodnih i katodnih baklji neutralizira se višak pozitivnog naboja iona, čiji je mehanizam formiranja posljedica elektron-detonacijskog tipa sloma anodne baklje. Plazma dobivena spajanjem dviju baklji dobiva dodatno ubrzanje u načinu pražnjenja (depolarizacije) i oslobađanja energije pohranjene u takvom kondenzatoru poput linearnog akceleratora. Za provedbu učinka dodatnog ubrzanja, visina elektroda (anode i katode) duž protoka plazme formira se na temelju stvarnog vremena potrebnog za pražnjenje kapaciteta ERE dizajna. Ovakav dizajn uređaja i njegov način rada omogućuju stvaranje impulsnog električnog propulzijskog motora s visokim parametrima i visokom frekvencijom uključivanja (prototip navedenog tipa električnog propulzijskog motora na temelju modificiranog standardnog visokog napona (manje od 10 kV) kondenzatori tipa KVI-3 rade na NIIMASH s frekvencijom prebacivanja do 50 Hz) . Za rad takvog ERE potreban je generator visokonaponskih impulsa nanosekundnog trajanja. Trajanje impulsa primijenjenih na elektrode određeno je vremenom punjenja kapaciteta ERE dizajna. Kako bi se uklonile nestabilnosti kao što su snopovi plazme, trajanje visokonaponskog impulsa iz generatora ne bi trebalo premašiti trajanje punjenja kapaciteta ERE dizajna. Maksimalna učestalost uključivanja EJE određena je vremenom potrebnim za puni ciklus punjenja i pražnjenja kapaciteta EJE dizajna. Dimenzije katodnih i anodnih plazma baklji koje se kreću jedna prema drugoj određene su brzinom dielektričnog preklapanja, koja ovisi o amplitudi napona, kapacitetu strukture, kao i o vremenu kašnjenja početka procesa stvaranja plazma baklje. Ovo vrijeme kašnjenja pak ovisi o geometrijskim parametrima anodno-dielektrične zone, katodno-dielektrične zone, vrsti dielektrika i području vodiča. Takav ERD radi na sljedeći način. Kada se visokonaponski impuls napona primijeni na anodu 3 i katodu 4 u trajanju koje odgovara vremenu punjenja kapaciteta ERE dizajna, generiraju se dvije plazma baklje koje se kreću jedna prema drugoj (anoda iz anode i katoda iz katoda). Anodna baklja ima višak pozitivnog naboja iona radne tekućine (u odnosu na takav dielektrik kao što je keramika barij-titanat, to su uglavnom ioni barija kao element koji se najlakše ionizira). Plazma katodnog pramena nastaje zbog stvaranja elektrona s katode i njihovog bombardiranja površine dielektrika. U trenutku susreta katodni plamenik neutralizira anodni plamenik i plazma snop se ubrzava poput linearnog akceleratora u fazi pražnjenja kapacitivnosti ERE strukture kroz plazmu. Treba napomenuti da zone međusvjetličkih kvarova koje nastaju kada se plameni baklje približavaju jedna drugoj nisu strogo lokalizirane, odnosno nisu "pričvršćene" na određena mjesta na površini dielektrika u procesu generiranja velikog broja impulsa. Navedeni način rada takvog ERE doprinijet će dobivanju visokih vrijednosti učinkovitosti i brzina istjecanja plazme. Bitna značajka predloženog EJE je frekvencijsko-impulsni način rada (s frekvencijom do 100 Hz ili više) s mogućnošću gotovo trenutnog povećanja i gubitka potiska. Zahvaljujući ovoj značajci i uzimajući u obzir električnu energiju koja je stvarno dostupna na svemirskoj letjelici (SC), područje učinkovite uporabe pogonskog sustava (PS) temeljenog na predloženom pulsirajućem EJE može se proširiti, naime:

Održavanje geostacionarnih letjelica u smjeru sjever - jug, istok - zapad;

Kompenzacija aerodinamičkog otpora svemirske letjelice;

Promjena orbita i uklanjanje istrošenih ili pokvarenih svemirskih letjelica u određeno područje. Izvori informacija

1. Grishin S.D., Leskov L.V., Kozlov N.P. Električni raketni motori. - M.: Mašinostroenie, 1975, str. 198-223 (prikaz, ostalo). 2. Favorsky O.N., Fishgoyt V.V., Yantovsky E.I. Osnove teorije svemirskih elektropropulzijskih sustava. - M.: Mašinostroenie, Viša škola, 1978, str. 170-173 (prikaz, ostalo). 3. L. Caveney (preveo s engleskog pod uredništvom A.S. Koroteeva). Svemirski motori - stanje i izgledi. - M., 1988, str. 186-193 (prikaz, ostalo). 4. Patent za izum 2146776 od 14. svibnja 1998. Impulsni plazma mlazni motor krajnjeg tipa na čvrstom radnom tijelu. 5. Vershinin Yu.N. Elektron-toplinski i detonacijski procesi pri električnom proboju čvrstih dielektrika. Uralski ogranak Ruske akademije znanosti, Yekaterinburg, 2000. 6. Bugaev S.P., Mesyats G.A. Emisija elektrona iz plazme nepotpunog pražnjenja kroz dielektrik u vakuumu. DAN SSSR, 1971, v. 196, 2. 7. G.A. ektoni. Dio 1 - Uralski ogranak Ruske akademije znanosti, 1993., str. 68-73, 3. dio, str. 53-56 (prikaz, ostalo). 8. Bugaev S.P., Kovalchuk B.M., Mesyats G.A. Plazma pulsirajući izvor nabijenih čestica. Autorsko pravo 248091.

ZAHTJEV

1. Pulsni električni mlazni motor krajnjeg tipa na čvrstom radnom tijelu, koji se sastoji od anode, katode i kontrolnog tijela radnog tijela izrađenog od dielektrika s visokom dielektričnom konstantom i smještenog između njih, naznačen time što su katoda i anoda nalaze se na istoj strani dame i uklanjaju se jedan od drugog, a na drugu stranu postavlja se vodič. 2. Impulsni električni mlazni motor prema zahtjevu 1, naznačen time što je blok radne tekućine izrađen od barijevog titanata. 3. Pulsni električni mlazni motor prema zahtjevu 1, naznačen time, da kontrolor radne tekućine ima oblik diska. 4. Pulsni električni mlazni motor prema zahtjevu 3, naznačen time, da su katoda i anoda ugrađene koaksijalno. 5. Pulsni električni mlazni motor prema zahtjevu 3, naznačen time, da su katoda i anoda postavljene dijametralno suprotno.

Istodobno se razlikuju dva pokazatelja koji odražavaju troškove pune snage pri servisiranju potrošača. Ovi pokazatelji nazivaju se aktivna i jalova energija. Ukupna snaga je zbroj ove dvije brojke. O tome što je aktivna i reaktivna električna energija i kako provjeriti iznos obračunatih plaćanja, pokušat ćemo reći u ovom članku.

Puna moć

Prema ustaljenoj praksi, potrošači ne plaćaju za korisni kapacitet, koji se izravno koristi u gospodarstvu, već za puni, koji ispušta dobavljač. Ovi se pokazatelji razlikuju po mjernim jedinicama - ukupna snaga se mjeri u volt-amperima (VA), a korisna snaga se mjeri u kilovatima. Aktivnu i jalovu električnu energiju koriste svi električni uređaji koji se napajaju iz mreže.

Aktivna električna energija

Aktivna komponenta ukupne snage obavlja koristan rad i pretvara se u one vrste energije koje su potrebne potrošaču. Za neke kućanske i industrijske električne uređaje aktivna i prividna snaga u izračunima su iste. Među takvim uređajima su električni štednjaci, žarulje sa žarnom niti, električne peći, grijalice, glačala i tako dalje.

Ako je u putovnici navedena aktivna snaga od 1 kW, tada će ukupna snaga takvog uređaja biti 1 kVA.

Pojam jalove električne energije

To je svojstveno krugovima koji sadrže reaktivne elemente. Jalova električna energija je dio ukupne ulazne snage koji se ne koristi za koristan rad.

U istosmjernim električnim krugovima, koncept jalove snage je odsutan. U krugovima se reaktivna komponenta pojavljuje samo kada postoji induktivno ili kapacitivno opterećenje. U ovom slučaju postoji neusklađenost između faze struje i faze napona. Ovaj fazni pomak između napona i struje označen je simbolom "φ".

S induktivnim opterećenjem u krugu uočava se fazno zaostajanje, s kapacitivnim opterećenjem, ono je ispred njega. Dakle, samo dio pune snage dolazi do potrošača, a glavni gubici nastaju zbog beskorisnog zagrijavanja uređaja i uređaja tijekom rada.

Gubici snage nastaju zbog prisutnosti induktivnih zavojnica i kondenzatora u električnim uređajima. Zbog njih se neko vrijeme u krugu nakuplja električna energija. Pohranjena energija se zatim vraća u krug. Uređaji koji uključuju reaktivnu komponentu električne energije uključuju prijenosne električne alate, elektromotore i razne kućanske aparate. Ova se vrijednost izračunava uzimajući u obzir poseban faktor snage, koji se naziva cos φ.

Proračun jalove električne energije

Faktor snage je u rasponu od 0,5 do 0,9; točna vrijednost ovog parametra može se naći u putovnici električnog uređaja. Prividna snaga mora se definirati kao kvocijent djelatne snage podijeljen s faktorom.

Na primjer, ako putovnica električne bušilice označava snagu od 600 W i vrijednost od 0,6, tada će ukupna snaga koju troši uređaj biti 600/06, odnosno 1000 VA. U nedostatku putovnica za izračun ukupne snage uređaja, koeficijent se može uzeti jednak 0,7.

Budući da je jedan od glavnih zadataka postojećih sustava napajanja isporučiti korisnu snagu krajnjem potrošaču, gubici jalove snage smatraju se negativnim faktorom, a povećanje ovog pokazatelja dovodi u sumnju učinkovitost električnog kruga u cjelini. Ravnoteža aktivne i jalove snage u krugu može se vizualizirati u obliku ove smiješne slike:

Vrijednost koeficijenta pri uzimanju u obzir gubitaka

Što je veća vrijednost faktora snage, manji će biti gubitak aktivne električne energije – što znači da će krajnji potrošač potrošene električne energije koštati nešto manje. Da bi se povećala vrijednost ovog koeficijenta, u elektrotehnici se koriste različite metode kompenzacije neciljanih gubitaka električne energije. Kompenzacijski uređaji su vodeći generatori struje koji izglađuju fazni kut između struje i napona. Kondenzatorske baterije se ponekad koriste za istu svrhu. Spojeni su paralelno na radni krug i koriste se kao sinkroni kompenzatori.

Obračun cijene električne energije za privatne kupce

Za individualnu uporabu, djelatna i jalova električna energija se ne odvajaju na računima - u potrošnji je udio jalove energije mali. Dakle, privatni kupci s potrošnjom struje do 63 A plaćaju jedan račun, pri čemu se sva potrošena električna energija smatra aktivnom. Dodatni gubici u krugu za jalovu električnu energiju se posebno ne raspoređuju i ne plaćaju.

Mjerenje jalove električne energije za poduzeća

Još jedna stvar - poduzeća i organizacije. Ogroman broj električne opreme instaliran je u industrijskim prostorima i industrijskim radionicama, au ukupnoj dolaznoj električnoj energiji značajan je udio jalove energije koja je neophodna za rad izvora napajanja i elektromotora. Aktivna i jalova električna energija koja se isporučuje poduzećima i organizacijama zahtijeva jasno odvajanje i drugačiji način plaćanja. U ovom slučaju tipski ugovor služi kao temelj za reguliranje odnosa između opskrbljivača električnom energijom i krajnjih kupaca. Prema pravilima utvrđenim u ovom dokumentu, organizacije koje troše električnu energiju iznad 63 A trebaju poseban uređaj koji omogućuje očitavanje jalove energije za mjerenje i plaćanje.
Mrežno poduzeće instalira mjerač jalove električne energije i naplaćuje prema njegovim očitanjima.

Faktor jalove energije

Kao što je ranije navedeno, aktivna i jalova električna energija u računima za plaćanje su raspoređene u zasebne retke. Ako omjer količine jalove i potrošene električne energije ne prelazi utvrđenu normu, tada se plaćanje jalove energije ne naplaćuje. Koeficijent omjera može se pisati na različite načine, njegova prosječna vrijednost je 0,15. Ako je ova granična vrijednost prekoračena, poduzeću potrošaču preporučuje se ugradnja kompenzacijskih uređaja.

Jalova energija u stambenim zgradama

Tipičan potrošač električne energije je stambena zgrada s glavnim osiguračem koji troši struju veću od 63 A. Ako takva zgrada ima samo stambene prostore, jalova električna energija se ne naplaćuje. Dakle, stanari stambene zgrade u naknadama vide samo plaćanje pune električne energije koju opskrbljivač isporučuje kući. Isto pravilo vrijedi i za stambene zadruge.

Posebni slučajevi obračuna jalove snage

Postoje slučajevi kada se u višekatnici nalaze i komercijalne organizacije i stanovi. Opskrba takvih kuća električnom energijom regulirana je posebnim zakonima. Na primjer, podjela može biti veličina korisne površine. Ako komercijalne organizacije zauzimaju manje od polovice korisne površine u stambenoj zgradi, tada se plaćanje reaktivne energije ne naplaćuje. Ako je postotak praga prekoračen, onda postoje obveze plaćanja jalove električne energije.

U nekim slučajevima stambene zgrade nisu oslobođene plaćanja jalove energije. Na primjer, ako zgrada ima priključke za dizala za stanove, jalova električna energija se posebno naplaćuje, samo za ovu opremu. Vlasnici stanova i dalje plaćaju samo aktivnu struju.

Razumijevanje suštine aktivne i jalove energije omogućuje ispravan izračun ekonomskog učinka ugradnje različitih kompenzacijskih uređaja koji smanjuju gubitke od reaktivnog opterećenja. Prema statistikama, takvi uređaji omogućuju vam da podignete vrijednost cos φ s 0,6 na 0,97. Dakle, automatski kompenzacijski uređaji pomažu uštedjeti do trećine električne energije koja se isporučuje potrošaču. Značajno smanjenje gubitaka topline povećava vijek trajanja uređaja i mehanizama na proizvodnim mjestima i smanjuje troškove gotovih proizvoda.

Izum se odnosi na područje električnih raketnih motora. Predlaže se uređaj električnog raketnog motora koji, poput dobro poznatog tipa motora s jednolikim stacionarnim pražnjenjem plazme (stacionarni plazma motori - SPT), sadrži nadzvučne mlaznice, magnetohidrodinamički akceleratorski kanal smješten u cilindričnoj šupljini između polova koaksijalni magnetski krug, uzbudna zavojnica magnetskog polja spojena na izvor EMF. Za razliku od SPT-a, predloženi motor koristi nejednolik protok plinsko-plazmanog radnog fluida. Za stvaranje plazma nehomogenosti u obliku plazma prstenova, motor sadrži impulsni visokofrekventni izvor napona spojen na dodatnu zavojnicu instaliranu na ulazu kanala akceleratora. Održavanje pražnjenja u plazma prstenovima, induktivno spojenim na zavojnicu pobude magnetskog polja, provodi se promjenjivim izvorom EMF spojenim na zavojnicu. Za otvaranje struje u plazma prstenovima u trenutku njihovog izlaska iz kanala magnetodinamičkog akceleratora, na ulazu u difuzor motora ugrađena su radijalna dielektrična rebra. UČINAK: Izum omogućuje povećanje potiska i trajanja rada motora. 1 bolestan.

Izum se odnosi na područje stvaranja električnih raketnih motora. Postoji metoda [I] koja povećava potisak električnog raketnog motora, koja predlaže zamjenu stacionarnog homogenog pražnjenja plazme nehomogenim strujanjem plina i plazme. Plazma snopovi (T-slojevi) otporni su na razvoj nestabilnosti pregrijavanja, što omogućuje opetovano povećanje gustoće radnog fluida koji prolazi kroz kanal motora, a time i proporcionalno povećanje potiska. Uređaj koji provodi ovu metodu sastoji se od plinodinamičke mlaznice, kanala magnetohidrodinamičkog akceleratora pravokutnog presjeka sa stijenkama elektroda, magnetskog sustava koji stvara magnetsko polje u kanalu akceleratora poprečno na tok radnog fluida, sustav pulsirajućeg elektrodnog jakog strujnog pražnjenja koji formira T-slojeve u toku, izvor konstantne EMF spojen na elektrode akceleratorskog kanala. Uređaj mora osigurati ubrzanje protoka zahvaljujući elektrodinamičkoj sili koja djeluje u volumenu T-slojeva, koji pak djeluju na protok plina kao ubrzavajući plazma klipovi. Numerička simulacija načina rada u kanalu ovog uređaja pokazala je da se brzina istjecanja do 50 000 m/s može postići pri razini potiska do 1000 N. izvorni krug koji osigurava način ubrzanja u MHD kanalu. Način toka struje u T-slojevima je luk. Neizbježna lučna erozija elektroda značajno smanjuje vijek trajanja motora (iz iskustva s plazma bakljama, treba očekivati da elektrode neće osigurati više od 100 sati neprekidnog rada). Za višekratnu svemirsku letjelicu resurs motora mora biti najmanje godinu dana neprekidnog rada.Poznat je električni raketni motor (stationary plasma engine - SPT) koji služi za ubrzavanje strujanja plazme zbog elektrodinamičkog učinka na elektrovodljivi medij. Ovaj uređaj sastoji se od nadzvučnih mlaznica, kanala magnetohidrodinamičkog (MHD) akceleratora smještenog u cilindričnoj šupljini između polova koaksijalnog magnetskog kruga, zavojnice za pobudu magnetskog polja spojene na izvor konstantnog EMF-a i sustava napajanja za stacionarni pražnjenje u plazmi. Uređaj radi prema sljedećoj shemi. Kroz plinodinamičku mlaznicu dovodi se plinoviti radni fluid koji ulaskom u kanal MHD akceleratora ulazi u područje stacionarnog pražnjenja plazme podržanog sustavom napajanja, ionizira se i prelazi u stanje plazme. Struja u pražnjenju teče duž kanala, dok je anoda sustava napajanja plinodinamička mlaznica, a katoda se nalazi na izlazu iz kanala. Stabilan režim ubrzanja ostvaruje se samo pri vrlo niskoj gustoći plazme, pri kojoj Hallov parametar može doseći vrijednosti reda 100. Pod tim uvjetima, mala struja pražnjenja duž kanala stvara značajnu azimutnu struju, zatvorenu za sebe . Interakcija azimutalne struje s radijalnim magnetskim poljem koje stvara uzbudna zavojnica između koaksijalnih polova magnetskog kruga stvara ubrzavajuću elektrodinamičku silu u volumenu plazme. Zatvaranje glavne struje bez upotrebe elektroda za to omogućuje da životni vijek motora bude praktički neograničen.Nedostatak poznatog uređaja je niska gustoća radne tekućine, koja je neophodna za osiguranje stabilnog rada motor. Prema tome, potisak takvog motora ne prelazi 0,1 N. Izum se temelji na zadatku stvaranja električnog raketnog motora visokog potiska s trajanjem neprekidnog rada reda godine dana. šupljina između polova koaksijalnog magnetski krug, uzbudna zavojnica magnetskog polja povezana s izvorom EMF-a, prema ovom izumu, opremljena je pulsnim izvorom visokofrekventnog napona spojenim na dodatnu zavojnicu instaliranu na ulazu u kanal akceleratora, i difuzor s radijalnim dielektričnim rebrima , dok je svitak pobude magnetskog polja spojen na izvor promjenljive EMF.Izum je ilustriran crtežom, koji prikazuje presjek uređaja.Elektroraketni motor sadrži nadzvučne mlaznice 1, kanal 2 magnetohidrodinamičkog akceleratora. smješten u cilindričnoj šupljini između polova koaksijalnog magnetskog kruga 3, zavojnice za pobudu magnetskog polja 4 spojene na varijabilni izvor 5 EMF, izvora pulsirajućeg visokofrekventnog napona 6 spojene na dodatnu zavojnicu 7 instaliranu na ulazu u kanal 2 od akcelerator. Motor također sadrži difuzor 8 s radijalnim dielektričnim rebrima 9. Električni raketni motor radi na sljedeći način: mlaznice 1. Sustav pulsnog visokofrekventnog pražnjenja 6 periodički se uključuje sa zadanim vremenskim radnim ciklusom, a svako uključivanje formira snop plazme u protoku plina na ulazu u kanal 2 MHD akceleratora. Vanjski izvor promjenjivog EMF-a stvara izmjeničnu struju u uzbudnom svitku 4, koja stvara vremenski promjenjivo radijalno magnetsko polje između polova koaksijalnog magnetskog kruga 3. Ovo stvara azimutalno vrtložno električno polje. Pod utjecajem azimutalnih električnih i radijalnih magnetskih polja iz plazma snopova nastaju samoodrživi azimutalni strujni zavojnici plazme (T-slojevi), koji zauzvrat djeluju na protok plina kao ubrzavajući klipovi. Nakon kanala MHD akceleratora, ubrzani tok ulazi u ekspandirajući kanal-difuzor 8, u kojem su ugrađena radijalna dielektrična rebra 9. Rebra se optječu strujom plina, ali se električni krugovi T-slojeva prekidaju na njih, što omogućuje prekid elektrodinamičkog stupnja ubrzanja protoka. U difuzoru 8, koji je nastavak kanala MHD akceleratora, protok plina se dodatno ubrzava zbog toplinske energije koja se prenosi iz T-slojeva u tok. Pokazano je da se predloženi uređaj može implementirati sa sljedećim parametrima koji odgovaraju zadatku stvaranja učinkovitog električnog raketnog motora (EPM): - učinkovitost procesa transformacije električne energije u kinetičku energiju radnog fluida je 95%; - Prosječna brzina protoka na izlazu iz motora je 40 km/s; - duljina kanala MHD akceleratora 0,3 m; - prosječni promjer kanala MHD akceleratora 11 cm; - visina kanala (razmak između polova) 1 cm; - tlak vodika na ulazu EJE 10 4 Pa; - prosječna vrijednost EMF izvora napajanja EJE 5 kV; - prosječna vrijednost struje u uzbudnom namotu 2 kA; - potrošnja električne energije 10 MW; - potisak motora 500 N svemirski transportni sustav dizajniran za prijevoz tereta iz orbita blizu Zemlje do geostacionarnih, lunarnih i dalje do planeta Sunčevog sustava Izvori informacija1. prije Krista Slavin, V.V. Danilov, M.V. Kraev. Metoda za ubrzavanje strujanja radnog fluida u kanalu raketnog motora, RF patent br. 2162958, F 02 K 11/00, F 03 H 1/00, 2001. 2. S.D. Grishin, L.V. Leskov. Električni raketni motori svemirskih letjelica. - M.: Mašinostroenie, 1989, str. 163.

Zahtjev

Električni raketni motor koji sadrži nadzvučne mlaznice, magnetohidrodinamički akceleratorski kanal smješten u cilindričnoj šupljini između polova koaksijalnog magnetskog kruga, uzbudnu zavojnicu magnetskog polja spojenu na izvor EMF-a, karakteriziran time što je uređaj opremljen pulsnim visokofrekventnim izvor napona spojen na dodatnu zavojnicu ugrađenu na ulaznom kanalu akceleratora, te difuzor s radijalnim dielektričnim rebrima, dok je zavojnica za pobudu magnetskog polja spojena na izvor promjenjive emf.

Slični patenti:

Izum se odnosi na plazma tehnologiju i može se koristiti u električnim raketnim motorima baziranim na plazma akceleratoru sa zatvorenim driftom elektrona, kao iu tehnološkim akceleratorima koji se koriste u procesima vakuumske plazma tehnologije.