Komplex pozostávajúci zo sady elektrických hnacích motorov, systému skladovania a zásobovania pracovnej tekutiny (SHiP), automatického riadiaceho systému (ACS), systému napájania (EPS) je tzv. elektrický pohonný systém (EPP).
Úvod
Myšlienka využiť elektrickú energiu v prúdových motoroch na zrýchlenie vznikla takmer na začiatku vývoja raketovej techniky. Je známe, že takúto myšlienku vyslovil K. E. Ciolkovskij. V roku -1917 uskutočnil R. Goddard prvé experimenty a v 30. rokoch 20. storočia vznikla jedna z prvých fungujúcich EJE v ZSSR pod vedením V.P. Glushka.
Od samého začiatku sa predpokladalo, že oddelenie zdroja energie a urýchľovanej látky zabezpečí vysokú rýchlosť výdychu pracovnej tekutiny (RT), ako aj menšiu hmotnosť kozmickej lode (SC) v dôsledku zníženie hmotnosti uloženej pracovnej tekutiny . V porovnaní s inými raketovými motormi skutočne ERE umožňujú výrazne zvýšiť aktívnu životnosť (SAS) kozmickej lode a zároveň výrazne znížiť hmotnosť pohonného systému (PS), čo umožňuje zvýšiť užitočné zaťaženie. alebo zlepšiť charakteristiky hmotnosti a veľkosti samotnej kozmickej lode.
Výpočty ukazujú, že použitie elektrického hnacieho motora umožní skrátiť trvanie letu na vzdialené planéty (v niektorých prípadoch aj takéto lety umožňujú) alebo pri rovnakom trvaní letu zvýšiť užitočné zaťaženie.
- vysokoprúdové (elektromagnetické, magnetodynamické) motory;
- impulzné motory.
ETD sa zase delia na elektrické vykurovacie (END) a elektrické oblúkové (EDD) motory.
Elektrostatické motory sa delia na iónové (vrátane koloidných) motory (ID, KD) - urýchľovače častíc v unipolárnom zväzku a urýchľovače častíc v kvázi-neutrálnej plazme. Posledne menované zahŕňajú urýchľovače s uzavretým elektrónovým driftom a rozšírenou (USDA) alebo skrátenou (USDA) akceleračnou zónou. Prvé sa zvyčajne nazývajú stacionárne plazmové trysky (SPD) a nachádza sa aj (čoraz zriedkavejšie) názov - lineárny Hallov tryskový motor (LHD), v západnej literatúre sa mu hovorí Hallov tryskový motor. SPL sa bežne označujú ako motory na zrýchlenie anódového lôžka (ALS).
Medzi silnoprúdové (magnetoplazmové, magnetodynamické) motory patria motory s vlastným magnetickým poľom a motory s vonkajším magnetickým poľom (napríklad koncový Hallov motor - THD).
Pulzné motory využívajú kinetickú energiu plynov, ktoré vznikajú pri odparovaní pevného telesa elektrickým výbojom.
Akékoľvek kvapaliny a plyny, ako aj ich zmesi, môžu byť použité ako pracovná kvapalina v elektrickom hnacom motore. Pre každý typ motora však existujú pracovné kvapaliny, ktorých použitie vám umožňuje dosiahnuť najlepšie výsledky. Amoniak sa tradične používa pre ETD, xenón pre elektrostatické, lítium pre silnoprúdové a PTFE pre pulzné.
Nevýhodou xenónu je jeho cena v dôsledku malej ročnej produkcie (celosvetovo menej ako 10 ton ročne), čo núti výskumníkov hľadať iné RT, ktoré majú podobné vlastnosti, ale sú lacnejšie. Argón sa považuje za hlavného náhradného kandidáta. Je to tiež inertný plyn, ale na rozdiel od xenónu má vyššiu ionizačnú energiu pri nižšej atómovej hmotnosti. Energia vynaložená na ionizáciu na jednotku zrýchlenej hmoty je jedným zo zdrojov strát účinnosti.
Stručné špecifikácie
EJE sa vyznačujú nízkym hmotnostným prietokom RT a vysokou rýchlosťou zrýchleného toku častíc. Dolná hranica výstupnej rýchlosti sa približne zhoduje s hornou hranicou výstupnej rýchlosti prúdu chemického motora a je asi 3000 m/s. Horná hranica je teoreticky neobmedzená (v rámci rýchlosti svetla), pri pokročilých modeloch motorov sa však uvažuje s rýchlosťou nepresahujúcou 200 000 m/s. V súčasnosti sa pre motory rôznych typov považuje za optimálnu rýchlosť výfukových plynov od 16 000 do 60 000 m/s.
Vzhľadom na skutočnosť, že proces zrýchlenia v EJE prebieha pri nízkom tlaku v akceleračnom kanáli (koncentrácia častíc nepresahuje 1020 častíc/m³), je hustota ťahu pomerne nízka, čo obmedzuje použitie EJE: vonkajší tlak by nemal prekročiť tlak v akceleračnom kanáli a zrýchlenie kozmickej lode je veľmi malé (desatiny alebo dokonca stotiny g ). Výnimkou z tohto pravidla môže byť EDD na malých kozmických lodiach.
Elektrický výkon elektrického hnacieho motora sa pohybuje od stoviek wattov až po megawatty. V súčasnosti používané EJE na kozmických lodiach majú výkon 800 až 2 000 W.
vyhliadky
Hoci elektrické raketové motory majú v porovnaní s kvapalinovými raketami nízky ťah, sú schopné prevádzky po dlhú dobu a pomalých letov na veľké vzdialenosti.
ELEKTRICKÉ RAKETOVÉ MOTORY(elektroprúdové motory, ERD) - vesmír. prúdové motory, pri ktorých je usmernený pohyb prúdového prúdu vytváraný el. energie. Elektrický raketový pohonný systém (EPP) zahŕňa vlastný EP, systém zásobovania a skladovania pracovnej látky a systém premieňajúci elektrickú energiu. parametre zdroja na nominálne hodnoty pre EJE a riadenie chodu EJE. ERD - malé ťahové motory pracujúce dlhú dobu. čas (roky) na palube kozmickej lode. lietadla (SCV) v nulovej alebo veľmi nízkej gravitácii. poliach. Pomocou EJE je možné s vysokou presnosťou udržiavať alebo meniť parametre dráhy letu kozmickej lode a jej orientáciu v priestore. S e-mag. alebo e-statický. zrýchlenie, rýchlosť prúdového prúdu v ERE je oveľa vyššia ako v raketových motoroch na kvapalné alebo tuhé palivo; tým sa zvýši užitočné zaťaženie kozmickej lode. Elektrický pohon si však vyžaduje zdroj elektrickej energie, kým pri bežných raketových motoroch sú nosičom energie zložky paliva (palivo a okysličovadlo). Rodina ERD zahŕňa plazmové trysky(PD), el-chem. trysky (ECD) a iónové trysky (ID).
Elektrochemické motory. V ECD sa elektrina používa na vykurovanie a chemikálie. rozklad pracovnej látky. EHD sú rozdelené na elektrické vykurovacie (END), termálne katalytické (TKD) a hybridné (GD) motory. V END sa pracovná látka (vodík, čpavok) ohrieva elektrickým ohrievačom a následne nadzvukovou rýchlosťou vyteká cez dýzu (obr. 1). Pri TKD sa katalyzátor zahrieva elektrinou (až na teplotu ~500 o C), čím sa chemicky rozkladá pracovná látka (amoniak, hydrazín); tryskou prúdia ďalšie produkty rozkladu. V GD sa najskôr rozloží pracovná látka, potom sa produkty rozkladu zahrejú a nastáva ich exspirácia. Návrh ECD a použité konštrukcie. Materiály sú určené na zapnutie na palube kozmickej lode po dobu 7-10 rokov s počtom štartov do 10 5 , dobou nepretržitej prevádzky ~ 10-100 h a odchýlkou ťahovej charakteristiky od menovitej hodnoty už nie ako 5-10 %. Úroveň spotrebovaného EHD el. výkon - desiatky W, rozsah ťahu - 0,01 -10 N. ECD majú veľmi nízku energiu na elektrický pohon. ťah cena ~3 kW/N, vysoká rýchlosť prúdového prúdu (3 km/s) v dôsledku nízkej molekulovej hmotnosti pracovnej látky a produktov jej rozkladu. Na komunikačnom satelite Intel-sat-5 úspešne fungoval hydrazínový hlavný motor s ťahom 0,44 N; ammonia END s ťahom 0,15 N je súčasťou bežného EPS družíc radu Meteor, ktorý koriguje obežnú dráhu a orientáciu družice.
Ryža. 1. Schéma elektrického vykurovacieho motora: 1 - pórovitý elektrický ohrievač; 2-tepelný štít; 3 - puzdro; 4- tryska.
Iónové trysky. Zadajte ID. ióny pracovnej látky sa urýchľujú v e-stat. lúka. ID (obr. 2) pozostáva z iónového žiariča 4, urýchľovacej elektródy 5 s otvormi (štrbinami), cez ktoré prechádzajú zrýchlené ióny, a vonkajšej. elektróda 6 (screen), v úlohe ktorej sa zvyčajne používa ID puzdro. Urýchľovacia elektróda je pod zápornou hodnotou. potenciál (~10 3 -10 4 V) vzhľadom na žiarič. Elektrický prúd a priestory. elektrický jet stream by mal byť nulový, takže vychádzajúci iónový lúč je neutralizovaný elektrónmi, do-raž vyžaruje neutralizátor 7. Ext. elektróda má záporný potenciál vzhľadom na žiarič a kladný potenciál vzhľadom na urýchľovaciu elektródu; pozitívne potenciálny posun sa volí tak, aby boli elektricky blokované relatívne nízkoenergetické elektróny z neutralizátora. poli a nespadol do urýchľovacej medzery medzi žiaričom a urýchľovacou elektródou. Energia zrýchlených iónov je určená potenciálnym rozdielom medzi emitorom a ext. elektróda. Prítomnosť je pozitívna. priestory. náboj v urýchľovacej medzere obmedzuje prúd iónov z žiariča. Hlavné ID parametre: rýchlosť výfuku, trakčná účinnosť, energia. ťah cena (W/N), energ. cena iónu (eV/ion) - množstvo energie vynaloženej na vznik iónu. Stupeň pracovnej látky v ID by mal byť čo najvyšší (>0,90,95).
Ryža. 2. Schéma iónového motora s objemovou ionizáciou návrhy G. Kaufmana: 1 - katódová plynová výbojová komorary; 2- anóda; 3 - magnetická cievka; 4-vyžarovanie elektróda; 5 - urýchľovacia elektróda; 6 - vonkajšia elektróda; 7 - neutralizátor.
V závislosti od typu žiariča sa SM delia na trysky s povrchovou ionizáciou (SPID), koloidné trysky (CD) a hromadné ionizačné trysky (SPID). Pri IDPI dochádza k ionizácii, keď para pracovnej látky prechádza cez porézny žiarič; pracovná látka musí byť menšia ako pracovná funkcia materiálu žiariča. Zvyčajne sa volí dvojica cézium (pracovná látka) - volfrám (emitor). Emitor sa zahrieva na teplotu 1500 o K, aby sa zabránilo kondenzácii pracovnej látky. Pri CD (existujú len laboratórne prototypy) sa pracovná látka (20% roztok jodidu draselného v glyceríne) rozprašuje cez kapiláry vo forme kladne nabitých mikrokvapiek do zrýchľovacej medzery; elektrický náboj mikrokvapiek vzniká v procese extrakcie prúdov z kapilár v silnom elektr. poľa a ich následným rozpadom na kvapky. Zdrojom iónov v IDOI je plynová výbojová komora (GDC), v ktorej sú atómy pracovnej látky (kovové pary, inertné plyny) ionizované dopadom elektrónov v nízkotlakovom výboji plynu [výboj medzi elektródami 1 a 2 (obr. 2) alebo bezelektródový mikrovlnný výboj ]; ióny z GDC sú vťahované do urýchľovacej medzery cez otvory steny emitujúcej elektródy GDC, ktoré spolu s urýchľovacou elektródou tvoria iónovú optiku. systém (IOS) na zrýchlenie a zaostrenie iónov. Steny GDC, okrem emitujúcej elektródy, sú magneticky izolované od plazmy. IDOY - naíb. navrhnuté s inžinierstvom a fyzické z hľadiska PD je ich trakčná účinnosť ~70%, životnosť potvrdená v pozemných skúškach sa zvyšuje na 2 10 4 h.pracovná látka. energie ceny ťahu a iónov v ID (s výnimkou CH) sú dosť významné (2·10 4 W/N, 250 eV/ión). Z tohto dôvodu sa ID zatiaľ nepoužívajú vo vesmíre ako pracovné EJE (ECD, PD), hoci boli opakovane testované na palube kozmických lodí. Naíb. významný test v rámci programu SERT-2 (1970, USA); EPS pozostával z dvoch IDP navrhnutých G. Kaufmanom (pracovnou kvapalinou je ortuť, príkon 860 W, účinnosť 68%, ťah 0,03 H), ktoré pracovali bez poruchy nepretržite 3800 hodín a 2011 hodín, v uvedenom poradí a po dlhom čase obnovili prevádzku. prestávka.
PD podľa schémy plazmových urýchľovačov s uzavretým elektrónovým driftom a rozšírenou akceleračnou zónou sa systematicky používa na kozmických lodiach, najmä na geostacionárnych komunikačných satelitoch.
Lit.: Gilzin K. A., Elektrické medziplanetárne lode, 2. vydanie, M., 1970; Morozov A. I., Shubin A. P., Vesmírne elektrické propulzné motory, M., 1975; Grishin S. D., Leskov L. V., Kozlov H. P., Elektrické raketové motory, M., 1975.
"Vo svete vedy"č. 5 2009, s. 34-42
HLAVNÉ USTANOVENIA
*
V konvenčných raketových motoroch ťah pochádza zo spaľovania chemického paliva. Pri elektroreaktívnej vzniká urýchlením oblaku nabitých častíc alebo plazmy elektrickým alebo magnetickým poľom.
*
Napriek tomu, že elektrické raketové motory sa vyznačujú oveľa nižším ťahom, umožňujú pri rovnakej hmotnosti paliva v konečnom dôsledku zrýchliť kozmickú loď na oveľa vyššie rýchlosti.
*
Schopnosť dosahovať vysoké rýchlosti a vysoká efektivita využitia pracovnej látky („paliva“) robí z elektrických hnacích motorov perspektívne pre lety do vesmíru na veľké vzdialenosti.
Osamelý v temnote vesmíru, sonda Svitanie("Dawn") NASA sa ponáhľa za obežnú dráhu Marsu do pásu asteroidov. Musí zhromaždiť nové informácie o počiatočných fázach formovania slnečnej sústavy: preskúmať asteroidy Vesta a Ceres, ktoré sú najväčšími pozostatkami planetárnych embryí, v dôsledku zrážky a vzájomného pôsobenia, 4,5-4,7
pred miliardami rokov vznikli dnešné planéty.
Tento let je však pozoruhodný nielen svojim účelom. Dawn, ktorý bol spustený v októbri 2007, je poháňaný plazmovým motorom schopným premeniť let na dlhé vzdialenosti v realitu. K dnešnému dňu existuje niekoľko typov takýchto motorov. Trakcia v nich vzniká ionizáciou a urýchľovaním nabitých častíc elektrickým poľom, a nie spaľovaním kvapalných alebo pevných chemických palív, ako pri klasických.
Tvorcovia sondy Dawn v laboratóriu Jet Propulsion Laboratory NASA si zvolili plazmovú trysku, pretože na dosiahnutie pásu asteroidov by potrebovala desaťkrát menej pohonnej látky ako tryska poháňaná chemickými látkami. Tradičný raketový motor by umožnil sonde Dawn dosiahnuť buď Vestu alebo Ceres, ale nie obe.
Elektrické raketové motory si rýchlo získavajú na popularite. Nedávny let vesmírnej sondy Hlboký vesmír 1 NASA ku kométe umožnilo použitie elektrického pohonu. Plazmové trysky tiež poskytovali ťah potrebný na pokus japonskej sondy o pristátie. Hayabusa k asteroidu a na let kozmickej lode SMART-1 Európska vesmírna agentúra na Mesiac. Vo svetle preukázaných výhod si vývojári v USA, Európe a Japonsku vyberajú tieto motory na plánovanie letov na veľké vzdialenosti pre budúce misie na prieskum slnečnej sústavy a hľadanie planét, ako je Zem. Plazmové trysky tiež umožnia premeniť vákuum vesmíru na laboratórium pre základný fyzikálny výskum.
Prichádza éra dlhých letov
O možnosti využitia elektriny na vytvorenie motorov pre kozmické lode sa uvažovalo už v prvom desaťročí 20. storočia. V polovici 50. rokov 20. storočia. Ernst Stuhlinger, člen legendárneho nemeckého raketového tímu Wernhera von Brauna, ktorý stál na čele amerického vesmírneho programu. prešli z teórie do praxe. O niekoľko rokov neskôr inžinieri z Glennovho výskumného centra NASA (vtedy nazývaného Lewis Research Center) vytvorili prvý funkčný plazmový motor. V roku 1964 bol takýto motor, ktorý sa používal na korekciu obežnej dráhy pred vstupom do hustých vrstiev atmosféry, vybavený prístrojom, ktorý v rámci programu Space Electric Rocket Test uskutočnil suborbitálny let.
Koncepcia plazmových elektrických pohonných motorov bola tiež samostatne vyvinutá v ZSSR. Od polovice 70. rokov 20. storočia. Sovietski inžinieri používali takéto motory na orientáciu a stabilizáciu geostacionárnej obežnej dráhy telekomunikačných satelitov, pretože spotrebujú malé množstvo pracovnej látky.
Raketová realita
Výhody plazmových motorov sú obzvlášť pôsobivé v porovnaní s nevýhodami konvenčných raketových motorov. Keď si ľudia predstavia vesmírnu loď, ktorá sa ženie cez čiernu prázdnotu smerom k vzdialenej planéte, pred zrakom ich mysle sa objaví dlhá pochodeň plameňa z trysky motora. V skutočnosti všetko vyzerá úplne inak: takmer všetko palivo sa spotrebuje v prvých minútach letu, takže loď sa zotrvačnosťou posúva ďalej k cieľu. Raketové motory na chemické palivo zdvíhajú kozmickú loď z povrchu Zeme a umožňujú úpravu trajektórie počas letu. Na prieskum hlbokého vesmíru sú ale nevhodné, pretože vyžadujú také veľké množstvo paliva, že ho nie je možné zo Zeme vyniesť na obežnú dráhu praktickým a ekonomicky výhodným spôsobom.
Pri dlhých letoch, aby sa dosiahla vysoká rýchlosť a presnosť dosiahnutia danej trajektórie bez dodatočných nákladov na palivo, sa sondy museli odchýliť od svojej dráhy v smere k planétam alebo ich satelitom, schopné udeliť zrýchlenie v požadovanom smere v dôsledku gravitačné sily (účinok gravitačného praku alebo manéver s využitím gravitácie). Takáto trasa „kruhového objazdu“ obmedzuje možnosti štartu na pomerne krátke časové okná, ktoré zaručujú presný prechod nebeským telesom, ktoré by malo zohrávať úlohu gravitačného zosilňovača.
Na vykonávanie dlhodobých štúdií musí byť kozmická loď schopná korigovať trajektóriu pohybu, dostať sa na obežnú dráhu okolo objektu a poskytnúť tak podmienky na splnenie úlohy. Ak manéver zlyhá, čas na pozorovanie bude veľmi krátky. Vesmírna sonda NASA New Horizons vypustená v roku 2006, ktorá sa blíži k Plutu o deväť rokov neskôr, ho teda bude môcť pozorovať vo veľmi krátkom čase, ktorý nepresiahne jeden pozemský deň.
Pohybová rovnica rakety
Prečo doteraz nebol navrhnutý spôsob, ako poslať do vesmíru dostatok paliva? Čo bráni riešeniu tohto problému?
Skúsme na to prísť. Na vysvetlenie nám slúži základná rovnica pohybu rakety – vzorec Ciolkovského, ktorý odborníci používajú pri výpočte hmotnosti paliva potrebného na túto úlohu. Vytiahol ho v roku 1903 ruský vedec K.E. Ciolkovskij, jeden z otcov raketovej techniky a astronautiky.
|
CHEMICKÝ A ELEKTRICKÉ RAKETY
Elektrické raketové motory (vpravo), v ktorých ako pracovná tekutina (palivo) slúži plazma, t.j. ionizovaný plyn, vyvíjajú oveľa menší ťah, no spotrebujú neporovnateľne menej paliva, čo im umožňuje pracovať oveľa dlhšie. A vo vesmírnom prostredí, pri absencii odporu voči pohybu, malá sila pôsobiaca po dlhú dobu umožňuje dosiahnuť rovnaké a ešte vyššie rýchlosti. Vďaka týmto vlastnostiam sú plazmové strely vhodné na lety na veľké vzdialenosti do viacerých destinácií. |
 |
V skutočnosti tento vzorec matematicky popisuje intuitívne uvedomenú skutočnosť, že čím vyššia je rýchlosť odtoku produktov spaľovania z rakety, tým menej paliva je potrebných na vykonanie tohto manévru. Predstavte si bejzbalový nadhadzovač (raketový motor) stojaci s košom loptičiek (palivo) na skateboarde (kozmickej lodi). Čím vyššou rýchlosťou odhodí loptičky späť (rýchlosť výfukových produktov spaľovania), tým rýchlejšie sa bude skateboard kotúľať po tom, čo hodí poslednú loptičku, alebo ekvivalentne, tým menej loptičiek (paliva) bude potrebovať na zvýšenie rýchlosti. skateboardu na danú hodnotu. Vedci označujú toto zvýšenie rýchlosti symbolom dV
(čítaj delta-ve).
Presnejšie povedané, vzorec dáva do súvisu množstvo paliva, ktoré raketa potrebuje na vykonanie špecifickej úlohy v hlbokom vesmíre, s dvoma kľúčovými veličinami: rýchlosťou výfukových produktov spaľovania z dýzy rakety a hodnotou dV
dosiahnuteľné spálením daného množstva paliva. Význam dV
zodpovedá energii, ktorú musí kozmická loď vynaložiť, aby zmenila svoj zotrvačný pohyb a vykonala požadovaný manéver. Pre danú raketovú technológiu (poskytujúcu danú rýchlosť výfuku) nám pohybová rovnica rakety umožňuje vypočítať množstvo paliva potrebného na dosiahnutie požadovanej hodnoty. dV
, t.j. vykonať požadovaný manéver. Touto cestou. dV
možno považovať za „cenu“ úlohy, keďže náklady na dodanie paliva do dráhy letu zvyčajne tvoria väčšinu nákladov na dokončenie celej úlohy.
V konvenčných raketách poháňaných chemickým palivom je rýchlosť výfuku produktov spaľovania nízka ( 3-4
km/s). Už len táto okolnosť spochybňuje účelnosť ich použitia na diaľkové lety. Navyše tvar raketovej pohybovej rovnice ukazuje, že s pribúdajúcimi dV
podiel paliva na počiatočnej hmotnosti kozmickej lode („zlomok hmotnosti paliva“) rastie exponenciálne. V dôsledku toho v prístroji pre lety na dlhé vzdialenosti vyžadujúce veľkú hodnotu dV
palivo bude predstavovať takmer celú štartovaciu hmotnosť.
Pozrime sa na pár príkladov. V prípade letu na Mars z nízkej obežnej dráhy Zeme požadovaná hodnota dV
je o 4,5
km/s. Z rovnice pohybu rakety vyplýva, že hmotnostný podiel paliva potrebný na uskutočnenie takéhoto medziplanetárneho letu je väčší ako 2/3
. Lety do vzdialenejších oblastí slnečnej sústavy, ako sú vonkajšie planéty, si vyžadujú dV
od 35
predtým 70
km/s. Podiel paliva v konvenčnej rakete bude musieť vziať 99,98
% počiatočnej hmotnosti. Zároveň nezostane priestor na vybavenie či iné užitočné zaťaženie. Ako sa ciele kozmických lodí stávajú čoraz vzdialenejšími oblasťami slnečnej sústavy, motory poháňané chemickými látkami budú čoraz beznádejnejšie. Možno inžinieri nájdu spôsob, ako výrazne zvýšiť rýchlosť exspirácie produktov spaľovania. Ale to je veľmi náročná úloha. Bola by potrebná veľmi vysoká teplota spaľovania, ktorá je limitovaná jednak množstvom energie uvoľnenej v dôsledku chemickej reakcie, ako aj tepelnou odolnosťou materiálu steny raketového motora.
Plazmový roztok
Plazmové trysky umožňujú oveľa vyššie rýchlosti výfuku. Ťah vzniká zrýchlením plazmy – čiastočne alebo úplne ionizovaného plynu – na otáčky, ktoré sú výrazne vyššie, ako je limit pre bežné plynodynamické motory. Plazma vzniká odovzdaním energie plynu, napríklad ožiarením laserom, mikro- alebo rádiofrekvenčnými vlnami alebo použitím silných elektrických polí. Prebytočná energia uvoľňuje elektróny z atómov alebo molekúl, ktoré v dôsledku toho získavajú kladný náboj a uvoľnené elektróny sa môžu voľne pohybovať v plyne, čím sa ionizovaný plyn stáva oveľa lepším vodičom prúdu ako kovová meď. Keďže plazma obsahuje nabité častice, ktorých pohyb je do značnej miery určený elektrickým a magnetickým poľom, jej vystavenie elektrickým alebo elektromagnetickým poliam môže urýchliť jej zložky a vymrštiť ich ako pracovnú látku na vytvorenie ťahu. Požadované polia môžu byť vytvorené pomocou elektród a magnetov, pomocou externých antén alebo drôtových cievok alebo prechodom prúdu cez plazmu.
Energia na vytvorenie a urýchlenie plazmy sa zvyčajne získava zo solárnych panelov. Ale pre kozmickú loď smerujúcu za obežnú dráhu Marsu budú potrebné zdroje atómovej energie, pretože. ako sa vzďaľujete od slnka, intenzita toku slnečnej energie klesá. Robotické vesmírne sondy dnes využívajú termoelektrické zariadenia vyhrievané rozpadovou energiou rádioaktívnych izotopov, no dlhšie lety by si vyžadovali jadrové alebo dokonca fúzne reaktory. Zapnú sa až po uvedení kozmickej lode na stabilnú obežnú dráhu v bezpečnej vzdialenosti od Zeme, do spustenia prevádzky musí byť jadrové palivo udržiavané v inertnom stave.
Tri typy elektrických raketových motorov boli vyvinuté na úroveň praktickej aplikácie. Najpoužívanejší iónový motor, ktorý bol vybavený Downovou sondou.
iónový motor
Myšlienku iónového pohonu, jedného z najúspešnejších konceptov elektrického pohonu, predložil pred storočím americký raketový priekopník Robert H. Goddard, ešte ako postgraduálny študent na Worcester Polytechnic Institute. Iónové trysky umožňujú získať rýchlosti výfuku z 20
predtým 50
km/s (vložené na ďalšej strane).
V najbežnejšej verzii takýto motor prijíma energiu z panelov fotobuniek s bariérovou vrstvou. Je to krátky valec, o niečo väčší ako vedro, namontovaný v zadnej časti kozmickej lode. Z „palivovej“ nádrže sa do nej privádza plynný xenón, ktorý sa dostáva do ionizačnej komory, kde elektromagnetické pole oddeľuje elektróny od atómov xenónu, čím vzniká plazma. Jeho kladné ióny sú vyťahované a urýchľované na veľmi vysoké rýchlosti elektrickým poľom medzi dvoma mriežkovými elektródami. Každý kladný plazmový ión je silne priťahovaný k zápornej elektróde umiestnenej v zadnej časti motora, a preto je zrýchlený smerom dozadu.
Odtok kladných iónov vytvára na kozmickej lodi záporný náboj, ktorý, keď sa hromadí, pritiahne emitované ióny späť do kozmickej lode a zníži ťah na nulu. Aby sa tomu zabránilo, používa sa externý zdroj elektrónov (záporná elektróda alebo elektrónové delo), ktorý zavádza elektróny do prúdu vytekajúcich iónov. Tak je zabezpečená neutralizácia odtoku, v dôsledku čoho kozmická loď zostáva elektricky neutrálna.
Dnes sú komerčné kozmické lode (hlavne komunikačné satelity na geostacionárnych dráhach) vybavené desiatkami iónových trysiek, ktoré sa používajú na korekciu ich polohy na obežnej dráhe a orientácie.
Na konci 20. storočia bola prvá kozmická loď na svete, v ktorej sa použil elektrický pohonný systém na prekonávanie zemskej gravitácie pri štarte z blízkej obežnej dráhy, koncom 20. storočia. sonda Hlboký vesmír 1 Aby mohol preletieť prašným chvostom kométy Borrelli, potreboval o to zvýšiť rýchlosť 4,3
km/s, pre ktoré menej ako 74
kg xenónu (približne taká hmota má plný pivný sud). Toto je doteraz najväčšie zvýšenie rýchlosti, ktoré dosiahla akákoľvek kozmická loď využívajúca ťah a nie gravitačný prak. Úsvit by mal čoskoro prekonať rekord o približne 10
km/s. Inžinieri z Jet Propulsion Laboratory nedávno predviedli iónové trysky, ktoré dokážu pracovať nepretržite viac ako tri roky.
ZAČIATOK ÉRY ELEKTRICKÝCH RAKETOVÝCH MOTOROV
1903
mesto: K.E. Ciolkovskij odvodil pohybovú rovnicu rakety, ktorá sa široko používa na výpočet spotreby paliva pri vesmírnych letoch. V roku 1911 navrhol, že elektrické pole môže urýchliť nabité častice a vytvoriť prúdový pohon.
1906
G.: Robert Goddard uvažoval o využití elektrostatického urýchľovania nabitých častíc na vytvorenie prúdového pohonu. V roku 1917 vytvoril a patentoval motor – predchodcu moderných iónových motorov
1954
Ernst Stülinger ukázal, ako optimalizovať výkon iónového tryskáča
1962
: Je publikovaný prvý popis Hallovej rakety, výkonnejšieho typu plazmovej trysky, vychádzajúci z prác sovietskych, európskych a amerických výskumníkov.
1962
: Adriano Ducati objavil princíp fungovania magnetoplazmovej dynamickej (MPD) trysky, najvýkonnejšieho typu plazmovej trysky
1964
napr.: Kozmická loď SERT 1 NASA vykonala prvý úspešný test iónového motora vo vesmíre
1972
: Sovietsky satelit "Meteor" uskutočnil prvý vesmírny let pomocou Hallovho motora
1999
napr.: vesmírna sonda Hlboký vesmír 1 Laboratóriá Inactive Thrust Laboratories NASA demonštrovali prvé úspešné použitie iónového tryskáča ako hlavného pohonného systému na prekonanie zemskej gravitácie pri štarte z nízkej obežnej dráhy Zeme.
Charakteristiky elektrických raketových motorov sú určené nielen rýchlosťou odtoku nabitých častíc, ale aj hustotou ťahu - hodnotou ťahovej sily na jednotku plochy otvoru, cez ktorý tieto častice prúdia. Schopnosti iónových a podobných elektrostatických trysiek sú obmedzené priestorovým nábojom, ktorý kladie veľmi nízky limit na dosiahnuteľnú hustotu ťahu. Faktom je, že pri prechode kladných iónov cez elektrostatické mriežky motora sa medzi nimi nevyhnutne hromadí kladný náboj, ktorý znižuje silu elektrického poľa, ktoré ióny urýchľuje.
Kvôli tomu ťah motora sondy hlboký vesmír 1 zodpovedá približne hmotnosti kusu papiera, čo je na hony vzdialené ťahu motorov v sci-fi filmoch. Zrýchliť auto takou silou z nuly na 100
km/h (pri absencii odporu pohybu: auto stojace na zemi sa takou silou ani nepohne. - cca. jazdný pruh) by to trvalo viac ako dva dni. Vo vesmírnom vákuu, ktoré nekladie žiadny odpor, je aj veľmi malá sila schopná udeliť zariadeniu veľkú rýchlosť, ak pôsobí dostatočne dlho.
halový motor
Verzia plazmovej trysky s názvom Hallova tryska (vložená na strane 39) je bez obmedzení vesmírneho náboja, a preto je schopná zrýchliť kozmickú loď na vysoké rýchlosti rýchlejšie ako iónová tryska porovnateľnej veľkosti (v dôsledku väčšej hustoty ťahu). Na Západe bola táto technológia uznaná začiatkom 90. rokov, tri desaťročia po začatí vývoja v bývalom ZSSR.
Princíp činnosti motora je založený na využití základného efektu objaveného v roku 1879 Edwinom H. Hallom, ktorý bol vtedy postgraduálnym študentom na Univerzite Johna Hopkinsa. Hall ukázal, že vo vodiči, v ktorom sa vytvárajú vzájomne kolmé elektrické a magnetické polia, vzniká elektrický prúd (nazývaný Hallov prúd) v smere kolmom na obe tieto polia.
V Hallovom tryskáči sa plazma vytvára elektrickým výbojom medzi vnútornou kladnou elektródou (anódou) a vonkajšou zápornou elektródou (katódou). Výboj oddeľuje elektróny od neutrálnych atómov plynu v medzere medzi elektródami. Výsledná plazma je urýchľovaná smerom k výstupu z valcového motora Lorentzovou silou, ktorá vzniká v dôsledku interakcie aplikovaného radiálneho magnetického poľa s elektrickým prúdom (v tomto prípade Hallovým prúdom), ktorý prúdi v azimutálnom smere. , tj okolo centrálnej elektródy. Hallov prúd vzniká pohybom elektrónov v elektrických a magnetických poliach. V závislosti od dostupného výkonu sa prietoky môžu pohybovať od 10
predtým 50
km/s.
Tento typ plazmového tryskáča je bez obmedzení priestorového náboja, pretože urýchľuje všetku plazmu (pozitívne ióny aj negatívne elektróny). Preto dosiahnuteľná hustota ťahu a následne jeho sila (a teda potenciálne dosiahnuteľná hodnota dV
) sú mnohonásobne vyššie ako u iónového motora rovnakej veľkosti. Na satelitoch na obežných dráhach Zeme už funguje viac ako 200 Hallových trysiek. A práve takýto motor použila Európska vesmírna agentúra na ekonomické zrýchlenie kozmickej lode. SMART 1 pri lete na Mesiac.
 |
Hallové motory sú pomerne malé a inžinieri sa snažia navrhnúť také zariadenia tak, aby mohli byť napájané vyššími výkonmi potrebnými na dosiahnutie vysokých rýchlostí výfuku a hodnôt ťahu.
Vedci z Laboratória fyziky plazmy na Princetonskej univerzite dosiahli určitý úspech tým, že na steny Hallovej trysky namontovali delené elektródy, ktoré tvarujú elektrické pole tak, aby zaostrili plazmu do úzkeho výstupného lúča. Konštrukcia znižuje zbytočnú neaxiálnu zložku ťahu a umožňuje zvýšiť životnosť motora vďaka tomu, že plazmový lúč neprichádza do kontaktu so stenami motora. Nemeckí inžinieri dosiahli približne rovnaké výsledky aplikáciou magnetických polí špeciálnej konfigurácie. A vedci zo Stanfordskej univerzity ukázali, že potiahnutie stien motora silným polykryštalickým diamantom výrazne zvyšuje ich odolnosť voči erózii plazmou. Všetky tieto vylepšenia urobili z Hallových trysiek vhodné pre misie v hlbokom vesmíre.
motor novej generácie
Jedným zo spôsobov, ako ďalej zvýšiť hustotu ťahu, je zvýšiť celkové množstvo plazmy akcelerovanej v motore. Ale so zvýšením hustoty plazmy v Hallovom pohone sa frekvencia zrážok elektrónov s atómami a iónmi zvyšuje, čo
zabraňuje elektrónom prenášať Hallov prúd potrebný na zrýchlenie. Hustejšiu plazmu možno použiť s magnetoplazmodynamickým (MPD) motorom, v ktorom sa namiesto Hallovho prúdu používa prúd, ktorý smeruje hlavne pozdĺž elektrického poľa (vložka vľavo) a je oveľa menej náchylný na deštrukciu v dôsledku kolízií. s atómami.
Všeobecne povedané, motor MPD pozostáva z centrálnej katódy umiestnenej vo vnútri väčšej valcovej anódy. Plyn (zvyčajne para lítia) sa privádza do prstencovej medzery medzi katódou a anódou, kde sa ionizuje elektrickým prúdom prúdiacim v radiálnom smere od katódy k anóde. Prúd vytvára azimutálne magnetické pole (obklopujúce centrálnu katódu) a interakcia poľa a prúdu vytvára Lorentzovu silu, ktorá vytvára ťah.
MPD motor veľkosti obyčajného vedra je schopný spracovať asi megawatt energie zo solárneho alebo jadrového zdroja a umožňuje získať rýchlosti výfukových plynov od 15 do 60 km/s. Naozaj, malé a odvážne.
Ďalšou výhodou motora MPD je možnosť škrtenia: rýchlosť výfuku a ťah v ňom sa dajú regulovať zmenou sily prúdu alebo prietoku pracovnej látky. To umožňuje meniť ťah motora a rýchlosť výfuku vo vzťahu k potrebe optimalizovať dráhu letu. Intenzívne štúdie procesov, ktoré zhoršujú vlastnosti motorov MPD a ovplyvňujú ich životnosť, najmä erózia plazmy, nestability plazmy a straty výkonu v nej, umožnili vytvárať nové motory s vysokým výkonom. Ako pracovné látky sa v nich používajú pary lítia alebo bária. Atómy týchto kovov sa ľahko ionizujú, čo znižuje vnútornú stratu energie v plazme a umožňuje udržiavať nižšiu teplotu katódy. Použitie tekutých kovov ako pracovných látok a neobvyklý dizajn katódy s kanálmi, ktoré menia charakter interakcie elektrického prúdu s jej povrchom, pomohli výrazne znížiť eróziu katódy a vytvoriť spoľahlivejšie motory MPD.
Tím vedcov z akademickej obce a NASA nedávno dokončil vývoj nového „lítiového“ motora MPD tzv a2. potenciálne schopné dopraviť kozmickú loď s jadrovou elektrárňou s veľkým nákladom a ľuďmi na Mesiac a Mars, ako aj poskytovať lety automatických vesmírnych staníc na vonkajšie planéty slnečnej sústavy.
Korytnačka vyhráva
Iónové, Hallove a magnetoplazmodynamické sú tri typy plazmových motorov, ktoré už našli praktické uplatnenie. Počas posledných desaťročí výskumníci navrhli veľa sľubných možností. Vyvíjajú sa motory, ktoré pracujú v pulznom a kontinuálnom režime. V niektorých sa plazma vytvára pomocou elektrického výboja medzi elektródami, v iných indukčne pomocou cievky alebo antény. Mechanizmy urýchľovania plazmy sa tiež líšia: pomocou Lorentzovej sily, zavedením plazmy do magneticky vytvorených prúdových vrstiev alebo pomocou postupujúcej elektromagnetickej vlny. V jednom type má dokonca vyvrhovať plazmu cez neviditeľné „raketové trysky“ vytvorené pomocou magnetických polí.
Vo všetkých prípadoch plazmové raketové motory naberajú rýchlosť pomalšie ako normálne. Vďaka paradoxu „pomalšie, rýchlejšie“ však umožňujú dosiahnuť vzdialené ciele v kratšom čase, pretože nakoniec urýchľujú kozmickú loď na rýchlosť oveľa vyššiu ako motory poháňané chemickými látkami s rovnakým množstvom paliva. To vám umožní vyhnúť sa strate času na odchýlky od telies, ktoré poskytujú účinok gravitačného praku. Tak ako v slávnom príbehu o malátnej korytnačke, ktorá nakoniec predbehne zajaca, aj v „maratónskych“ letoch, ktoré sa budú v nadchádzajúcej ére hĺbkového prieskumu vesmíru predvádzať čoraz častejšie, vyhrá korytnačka.
Dnes sú schopné poskytnúť najmodernejšie plazmové trysky dV
predtým 100
km/s. To je celkom dosť na to, aby sa v primeranom čase uskutočnili lety na vonkajšie planéty. Jeden z najpôsobivejších projektov v oblasti prieskumu hlbokého vesmíru zahŕňa návrat vzoriek pôdy z Titanu, najväčšieho mesiaca Saturna, na Zem, ktorý má podľa vedcov atmosféru veľmi podobnú tej, ktorá obklopovala Zem pred miliardami rokov. pred.
Vzorka z povrchu Titanu poskytne vedcom vzácnu príležitosť pátrať po známkach chemických prekurzorov života. Raketové motory na chemické palivo robia takúto expedíciu neuskutočniteľnou. Použitie gravitačných prakov by predĺžilo dobu letu o viac ako tri roky. A sonda s „malým, ale vzdialeným“ plazmovým pohonom by mohla takúto cestu urobiť oveľa rýchlejšie.
Preklad: I.E. Satsevič
DOPLNKOVÁ LITERATÚRA
Výhody jadrového elektrického pohonu pre prieskum vonkajšej planéty. G. Woodcock a kol. Americký inštitút pre letectvo a astronautiku, 2002.
Elektrický pohon. Robert G. Jahn a Edgar Y. Choueiri v Encyklopédii fyzikálnych vied a techniky. tretia edícia. Academic Press, 2002.
Kritická história elektrického pohonu: Prvých 50 rokov (1906-1956). Edgar Y. Choueiri v Journal of Propulsion and Power, Vol. 20, č. 2, strany 193-203; 2004.
Optimalizované pre Internet Explorer 1024X768
priemerná veľkosť písma
Dizajn: A Semenov
Vynález sa týka oblasti elektrických raketových motorov. Navrhuje sa zariadenie elektrického raketového motora, ktoré rovnako ako známy typ motora s rovnomerným stacionárnym plazmovým výbojom (stacionárne plazmové motory - SPT) obsahuje nadzvukové trysky, magnetohydrodynamický urýchľovací kanál umiestnený vo valcovej dutine medzi pólmi koaxiálny magnetický obvod, budiaca cievka magnetického poľa pripojená k zdroju EMF. Na rozdiel od SPT navrhovaný motor využíva nerovnomerný prúd plynu a plazmy pracovnej tekutiny. Na vytvorenie nehomogenít plazmy vo forme plazmových prstencov obsahuje motor impulzný zdroj vysokofrekvenčného napätia pripojený k prídavnej cievke inštalovanej na vstupe urýchľovacieho kanála. Udržiavanie výboja v plazmových prstencoch, indukčne viazaných na budiacu cievku magnetického poľa, sa vykonáva pomocou variabilného zdroja EMF pripojeného k cievke. Na otvorenie prúdu v plazmových krúžkoch v okamihu ich výstupu z kanála magnetodynamického urýchľovača sú na vstupe do difúzora motora inštalované radiálne dielektrické rebrá. ÚČINOK: vynález umožňuje zvýšiť ťah a trvanie chodu motora. 1 chorý.
Vynález sa týka oblasti elektrických raketových motorov Existuje spôsob [I], ktorý zvyšuje ťah elektrického raketového motora, ktorý navrhuje nahradiť stacionárny homogénny plazmový výboj nehomogénnym prúdom plyn-plazma. Plazmové zväzky (T-vrstvy) sú odolné voči vzniku nestability pri prehrievaní, čo umožňuje opakovane zvyšovať hustotu pracovnej tekutiny prechádzajúcej kanálom motora a tým úmerne zvyšovať ťah. Zariadenie, ktoré implementuje túto metódu, pozostáva z plynodynamickej trysky, kanála magnetohydrodynamického urýchľovača pravouhlého prierezu so stenami elektród, magnetického systému, ktorý vytvára magnetické pole v kanáli urýchľovača priečne na prúdenie pracovnej tekutiny, a systém pulzného elektródového vysokoprúdového výboja, ktorý tvorí T-vrstvy v prúde, konštantný zdroj EMF napojený na elektródy kanála urýchľovača. Zariadenie musí zabezpečiť zrýchlenie toku v dôsledku elektrodynamickej sily pôsobiacej v objeme T-vrstiev, ktoré zase pôsobia na prúdenie plynu ako urýchľovacie plazmové piesty. Numerická simulácia prevádzkového režimu v kanáli tohto zariadenia ukázala, že pri úrovni ťahu až 1000 N je možné dosiahnuť výstupnú rýchlosť až 50 000 m/s. zdrojový obvod zabezpečujúci režim zrýchlenia v kanáli MHD. Režim toku prúdu v T-vrstvách je oblúk. Nevyhnutná oblúková erózia elektród výrazne znižuje životnosť motora (zo skúseností s plazmovými horákmi treba počítať s tým, že elektródy neposkytnú viac ako 100 hodín nepretržitej prevádzky). Pre opakovane použiteľné kozmické lode musí byť zdroj motora aspoň rok nepretržitej prevádzky Známy je elektrický raketový motor (stacionárny plazmový motor - SPT), ktorý sa používa na zrýchlenie toku plazmy v dôsledku elektrodynamického účinku na elektricky vodivé médium. Toto zariadenie pozostáva z nadzvukových trysiek, magnetohydrodynamického (MHD) urýchľovacieho kanála umiestneného vo valcovej dutine medzi pólmi koaxiálneho magnetického obvodu, cievky budenia magnetického poľa pripojenej k zdroju konštantného EMF a stacionárneho systému napájania plazmovým výbojom. Zariadenie funguje podľa nasledujúcej schémy. Plynodynamickou dýzou je privádzaná plynná pracovná tekutina, ktorá po vstupe do kanála urýchľovača MHD vstupuje do oblasti stacionárneho plazmového výboja podporovaného napájacím systémom, ionizuje sa a prechádza do plazmového stavu. Prúd vo výboji tečie pozdĺž kanála, zatiaľ čo anóda napájacieho systému je plynová dynamická dýza a katóda je umiestnená na výstupe kanála. Stabilný režim zrýchlenia sa realizuje iba pri veľmi nízkej hustote plazmy, pri ktorej môže Hallov parameter dosahovať hodnoty rádovo 100. Za týchto podmienok malý výbojový prúd pozdĺž kanála generuje významný azimutálny prúd, uzavretý do seba. . Interakcia azimutálneho prúdu s radiálnym magnetickým poľom vytváraným budiacou cievkou medzi koaxiálnymi pólmi magnetického obvodu generuje v objeme plazmy zrýchľujúcu sa elektrodynamickú silu. Uzavretie hlavného prúdu bez použitia elektród na to umožňuje prakticky neobmedzenú životnosť motora.Nevýhodou známeho zariadenia je nízka hustota pracovnej tekutiny, ktorá je potrebná na zabezpečenie stabilnej prevádzky motora. motora. Podľa toho ťah takéhoto motora nepresahuje 0,1 N. Vynález je založený na úlohe vytvoriť vysokoťahový elektrický raketový motor s trvaním nepretržitej prevádzky rádovo rok.dutina medzi pólmi koaxiálneho magnetickým obvodom, cievka budenia magnetického poľa pripojená k zdroju EMF podľa tohto vynálezu je vybavená impulzným zdrojom vysokofrekvenčného napätia napojeným na prídavnú cievku inštalovanú na vstupe kanála urýchľovača a difúzorom s radiálnymi dielektrickými rebrami , pričom budiaca cievka magnetického poľa je pripojená k zdroju premenlivého EMF Vynález je znázornený na výkrese, na ktorom je znázornený prierez zariadenia.Elektrický raketový motor obsahuje nadzvukové trysky 1, kanál 2 magnetohydrodynamického urýchľovača le, umiestnený vo valcovej dutine medzi pólmi koaxiálneho magnetického obvodu 3, cievka 4 na budenie magnetického poľa pripojená k zdroju 5 premenného EMF, zdroj impulzného vysokofrekvenčného napätia 6 pripojený k prídavnej cievke 7 inštalovanej na vstupe kanál 2 urýchľovača. Motor obsahuje aj difúzor 8 s radiálnymi dielektrickými rebrami 9. Elektrický raketový motor pracuje nasledovne: dýzy 1. Systém pulzného vysokofrekvenčného výboja 6 sa periodicky zapína s daným časovým pracovným cyklom a každé zapnutie vytvára plazmový zväzok v prúde plynu na vstupe kanála 2 urýchľovača MHD. Externý zdroj premenlivého EMF vytvára v budiacej cievke 4 striedavý prúd, ktorý generuje časovo premenné radiálne magnetické pole medzi pólmi koaxiálneho magnetického obvodu 3. Toto generuje azimutálne vírivé elektrické pole. Vplyvom azimutálnych elektrických a radiálnych magnetických polí sa zo zväzkov plazmy vytvárajú azimutálne azimutálne prúdové cievky (T-vrstvy), ktoré zase pôsobia na prúdenie plynu ako urýchľovacie piesty. Za kanálom urýchľovača MHD vstupuje zrýchlené prúdenie do expandujúceho kanálového difúzora 8, v ktorom sú inštalované radiálne dielektrické rebrá 9. Rebrá sú obtečené prúdom plynu, ale elektrické obvody T-vrstiev sú prerušené. nimi, čo umožňuje prerušiť elektrodynamický stupeň zrýchlenia prúdenia. V difúzore 8, ktorý je pokračovaním kanála urýchľovača MHD, sa prúd plynu ďalej zrýchľuje v dôsledku tepelnej energie prenášanej z T-vrstiev do prúdu. Ukazuje sa, že navrhované zariadenie je možné realizovať s nasledujúcimi parametrami, zodpovedajúcimi úlohe vytvorenia efektívneho elektrického raketového motora (EPM): - Účinnosť procesu premeny elektriny na kinetickú energiu pracovnej tekutiny je 95% - priemerná rýchlosť prúdenia na výstupe z motora je 40 km/s; - dĺžka kanála urýchľovača MHD 0,3 m; - priemerný priemer kanála urýchľovača MHD 11 cm; - výška kanála (vzdialenosť medzi pólmi) 1 cm - tlak vodíka na vstupe EJE 10 4 Pa; - priemerná hodnota EMF zdroja EJE 5 kV; - priemerná hodnota prúdu v budiacom vinutí 2 kA; - spotreba elektrickej energie 10 MW; - ťah motora 500 Vesmírny dopravný systém N určený na prepravu nákladu z obežných dráh v blízkosti Zeme na geostacionárne, mesačné a ďalej na planéty slnečnej sústavy Zdroje informácií jeden. B.C. Slavín, V.V. Danilov, M.V. Kraev. Spôsob zrýchlenia prúdenia pracovnej tekutiny v kanáli raketového motora, RF patent č. 2162958, F 02 K 11/00, F 03 H 1/00, 2001. 2. S.D. Grishin, L.V. Leskov. Elektrické raketové motory vesmírnych dopravných prostriedkov. - M.: Mashinostroenie, 1989, s. 163.
Nárokovať
Elektrický raketový motor obsahujúci nadzvukové dýzy, magnetohydrodynamický urýchľovací kanál umiestnený vo valcovej dutine medzi pólmi koaxiálneho magnetického obvodu, budiaca cievka magnetického poľa pripojená k zdroju EMF, vyznačujúci sa tým, že zariadenie je vybavené impulzným vysokofrekvenčným zdroj napätia pripojený k ďalšej cievke inštalovanej na vstupnom kanáli urýchľovača a difúzor s radiálnymi dielektrickými rebrami, pričom cievka budenia magnetického poľa je pripojená k zdroju s premenlivým EMF.
Podobné patenty:
Vynález sa týka plazmovej technológie a možno ho použiť v elektrických raketových motoroch na báze plazmového urýchľovača s uzavretým elektrónovým driftom, ako aj v technologických urýchľovačoch používaných v procesoch vákuovej plazmovej technológie.
Elektrický raketový motor - raketový motor, ktorého princíp činnosti je založený na využití elektrickej energie prijatej z elektrárne na palube kozmickej lode na vytvorenie ťahu. Hlavnou oblasťou použitia je malá korekcia trajektórie, ako aj orientácia v priestore kozmickej lode. Komplex pozostávajúci z elektrického raketového motora, systému prívodu a skladovania pracovnej tekutiny, automatického riadiaceho systému a systému napájania sa nazýva elektrický raketový pohon.
Zmienka o možnosti využitia elektrickej energie v raketových motoroch na vytvorenie ťahu sa nachádza v spisoch K. E. Ciolkovského. V rokoch 1916-1917. prvé pokusy uskutočnil R. Goddard a už v 30. rokoch. 20. storočie pod vedením V.P. Glushka vznikol jeden z prvých elektrických raketových motorov.
V porovnaní s inými raketovými motormi umožňujú elektrické motory predĺžiť životnosť kozmickej lode a súčasne výrazne znížiť hmotnosť pohonného systému, čo umožňuje zvýšiť užitočné zaťaženie a získať čo najúplnejšiu hmotnosť. a veľkostné charakteristiky. Pomocou elektrických raketových motorov je možné skrátiť dobu letu na vzdialené planéty, ako aj umožniť let na akúkoľvek planétu.
V polovici 60. rokov. 20. storočie elektrické raketové motory boli aktívne testované v ZSSR a USA a už v 70. rokoch. boli používané ako štandardné pohonné systémy.
V Rusku je klasifikácia založená na mechanizme urýchľovania častíc. Rozlišujeme tieto typy motorov: elektrotermické (elektrický ohrev, elektrický oblúk), elektrostatické (iónové, vrátane koloidných, stacionárne plazmové motory so zrýchlením v anódovej vrstve), vysoko presné (elektromagnetické, magnetodynamické) a impulzné motory.
Ako pracovná tekutina sa môžu použiť akékoľvek kvapaliny a plyny, ako aj ich zmesi. Pre každý typ elektromotora je pre dosiahnutie najlepších výsledkov potrebné aplikovať vhodné pracovné kvapaliny. Amoniak sa tradične používa pre elektrotermické motory, xenón sa používa v elektrostatických motoroch, lítium sa používa v motoroch s vysokým prúdom a fluoroplast je najúčinnejšou pracovnou kvapalinou pre impulzné motory.
Jedným z hlavných zdrojov strát je energia vynaložená na ionizáciu na jednotku zrýchlenej hmoty. Výhodou elektrických raketových motorov je nízky hmotnostný prietok pracovnej tekutiny, ako aj vysoká rýchlosť zrýchleného prúdu častíc. Horná hranica rýchlosti výfukových plynov je teoreticky v rámci rýchlosti svetla.
V súčasnosti sa pri rôznych typoch motorov rýchlosť výfukových plynov pohybuje od 16 do 60 km/s, aj keď pokročilé modely môžu poskytnúť rýchlosť prúdenia častíc až 200 km/s.
Nevýhodou je veľmi nízka hustota ťahu, treba tiež poznamenať, že vonkajší tlak by nemal prekročiť tlak v akceleračnom kanáli. Elektrický výkon moderných elektrických raketových motorov používaných v kozmických lodiach sa pohybuje od 800 do 2000 W, hoci teoretický výkon môže dosiahnuť megawatty. Účinnosť elektrických raketových motorov je nízka a pohybuje sa od 30 do 60 %.
V nasledujúcom desaťročí bude tento typ motorov vykonávať najmä úlohy korigovania obežnej dráhy kozmických lodí nachádzajúcich sa na geostacionárnych aj nízkych obežných dráhach Zeme, ako aj na dodávanie kozmických lodí z referenčnej blízkej obežnej dráhy Zeme na vyššie, napríklad geostacionárne.
Výmena raketového motora na kvapalné palivo, ktorý plní funkciu korektora obežnej dráhy, za elektrický zníži hmotnosť typického satelitu o 15 % a ak sa predĺži doba jeho aktívneho pobytu na obežnej dráhe, tak o 40 %. .
