Bir dizi elektrikli tahrik motorundan, bir çalışma sıvısı depolama ve besleme sisteminden (SHiP), bir otomatik kontrol sisteminden (ACS), bir güç kaynağı sisteminden (EPS) oluşan bir komplekse denir. elektrikli tahrik sistemi (EPP).
Tanıtım
Jet motorlarında hızlanma için elektrik enerjisi kullanma fikri, roket teknolojisinin gelişiminin neredeyse başlangıcında ortaya çıktı. Böyle bir fikrin K. E. Tsiolkovsky tarafından ifade edildiği bilinmektedir. 1917'de R. Goddard ilk deneyleri yaptı ve 20. yüzyılın 30'larında, V.P. Glushko önderliğinde SSCB'de ilk çalışan EJE'lerden biri kuruldu.
En başından beri, enerji kaynağının ve hızlandırılmış maddenin ayrılmasının, çalışma sıvısının (RT) son kullanma hızının yüksek olmasını ve ayrıca bir uzay aracı (SC) nedeniyle daha küçük bir uzay aracı kütlesini sağlayacağı varsayılmıştır. depolanan çalışma sıvısının kütlesinde azalma. Gerçekten de, diğer roket motorlarıyla karşılaştırıldığında, ERE'ler uzay aracının aktif ömrünü (SAS) önemli ölçüde artırmayı mümkün kılarken, buna göre yükü artırmanıza izin veren tahrik sisteminin (PS) kütlesini önemli ölçüde azaltır, veya uzay aracının kendisinin ağırlık ve boyut özelliklerini iyileştirebilir.
Hesaplamalar, bir elektrikli tahrik motorunun kullanılmasının, uzak gezegenlere uçuş süresini kısaltmayı (bazı durumlarda bu tür uçuşları mümkün kılmaktadır) veya aynı uçuş süresi ile yükü artırmayı mümkün kıldığını göstermektedir.
- yüksek akımlı (elektromanyetik, manyetodinamik) motorlar;
- dürtü motorları.
ETD, sırayla, elektrikli ısıtma (END) ve elektrik ark (EDD) motorlarına bölünmüştür.
Elektrostatik motorlar, iyon (kolloidal dahil) motorlara (ID, KD) - tek kutuplu bir ışındaki parçacık hızlandırıcıları ve yarı nötr bir plazmadaki parçacık hızlandırıcılarına ayrılır. İkincisi, kapalı elektron kayması ve uzatılmış (USDA) veya kısaltılmış (USDA) hızlanma bölgesi olan hızlandırıcıları içerir. İlki genellikle sabit plazma iticileri (SPD'ler) olarak adlandırılır ve adı da bulunur (giderek daha nadir) - lineer bir Hall iticisi (LHD), Batı literatüründe buna Hall iticisi denir. SPL'lere genel olarak anot yatağı hızlandırma motorları (ALS) denir.
Yüksek akımlı (manyetoplazma, manyetodinamik) motorlar, kendi manyetik alanına sahip motorları ve harici bir manyetik alana sahip motorları (örneğin, bir uç Hall motoru - THD) içerir.
Darbeli motorlar, katı bir cisim bir elektrik boşalmasında buharlaştığında ortaya çıkan gazların kinetik enerjisini kullanır.
Herhangi bir sıvı ve gaz ile bunların karışımları, bir elektrikli tahrik motorunda çalışma sıvısı olarak kullanılabilir. Bununla birlikte, her motor tipi için, kullanımı en iyi sonuçları elde etmenizi sağlayan çalışma sıvıları vardır. Amonyak geleneksel olarak ETD için, xenon elektrostatik için, lityum yüksek akım için ve PTFE darbeli için kullanılır.
Ksenonun dezavantajı, araştırmacıları benzer özelliklere sahip ancak daha ucuz olan diğer RT'leri aramaya zorlayan küçük yıllık üretim (dünya çapında yılda 10 tondan az) nedeniyle maliyetidir. Argon, ana yedek aday olarak kabul ediliyor. Aynı zamanda bir soy gazdır, ancak ksenonun aksine, daha düşük bir atom kütlesinde daha yüksek bir iyonlaşma enerjisine sahiptir. Hızlandırılmış kütle birimi başına iyonizasyon için harcanan enerji, verimlilik kayıplarının kaynaklarından biridir.
Kısa özellikler
EJE'ler, oda sıcaklığının düşük kütle akış hızı ve hızlandırılmış parçacık akışının yüksek hızı ile karakterize edilir. Dışarı akış hızının alt sınırı, kimyasal motor jetinin çıkış hızının üst sınırı ile yaklaşık olarak çakışmaktadır ve yaklaşık 3.000 m/s'dir. Üst sınır teorik olarak sınırsızdır (ışık hızı dahilinde), ancak gelişmiş motor modelleri için 200.000 m/s'yi aşmayan bir hız kabul edilir. Şu anda, çeşitli tiplerdeki motorlar için 16.000 ila 60.000 m/s arasındaki egzoz hızı optimal kabul edilmektedir.
EJE'deki hızlanma işleminin hızlanma kanalında düşük bir basınçta gerçekleşmesi nedeniyle (partikül konsantrasyonu 1020 partikül/m³'ü geçmez), itme yoğunluğu oldukça düşüktür, bu da EJE'nin kullanımını sınırlar: harici basınç, hızlanma kanalındaki basıncı geçmemelidir ve uzay aracının ivmesi çok küçüktür (onda biri hatta yüzde biri) G ). Bu kuralın bir istisnası, küçük uzay gemilerinde EDD olabilir.
Bir elektrikli tahrik motorunun elektrik gücü, yüzlerce watt ile megawatt arasında değişir. Şu anda uzay gemilerinde kullanılan EJE, 800 ila 2.000 W güce sahiptir.
umutlar
Elektrikli roket motorları, sıvı roketlere kıyasla düşük itiş gücüne sahip olmasına rağmen, uzun süreler boyunca çalışabilir ve uzun mesafelerde yavaş uçuşlar yapabilirler.
ELEKTRİKLİ ROKET MOTORLARI(elektrojet motorları, ERD) - uzay. jet akımının yönlendirilmiş hareketinin elektrikle oluşturulduğu jet motorları. enerji. Elektrikli roket tahrik sistemi (EPP), gerçek EP'yi, çalışma maddesini tedarik etmek ve depolamak için bir sistemi ve elektrik gücünü dönüştüren bir sistemi içerir. güç kaynağının parametrelerinin EJE için nominal değerlere ve EJE'nin çalışmasını kontrol etmesine. ERD - uzun süre çalışan küçük itme motorları. uzay gemisinde geçen süre (yıl). uçak (SCV) sıfır yerçekiminde veya çok düşük yerçekiminde. alanlar. EJE'nin yardımıyla, uzay aracının uçuş yolunun parametreleri ve uzaydaki oryantasyonu, yüksek bir doğruluk derecesi ile korunabilir veya belirli bir aralık içinde değiştirilebilir. E-mag ile. veya e-statik. hızlanma, ERE'deki jet akışının hızı, sıvı veya katı yakıtlı roket motorlarından çok daha yüksektir; bu, uzay aracının yükünde bir kazanç sağlar. Bununla birlikte, elektrikli tahrik bir elektrik kaynağı gerektirirken, geleneksel roket motorlarında enerji taşıyıcısı yakıt bileşenleridir (yakıt ve oksitleyici). ERD ailesi şunları içerir: plazma iticiler(PD), el-kimya. iticiler (ECD) ve iyon iticiler (ID).
elektrokimyasal motorlar. ECD'de elektrik, ısıtma ve kimyasal için kullanılır. çalışma maddesinin ayrışması. EHD, elektrikli ısıtma (END), termal katalitik (TKD) ve hibrit (GD) motorlara bölünmüştür. END'de, çalışan madde (hidrojen, amonyak) bir elektrikli ısıtıcı tarafından ısıtılır ve daha sonra bir ağızlıktan süpersonik hızda dışarı akar (Şekil 1). TKD'de katalizör, çalışma maddesini (amonyak, hidrazin) kimyasal olarak ayrıştıran elektrikle (~500 o C sıcaklığa kadar) ısıtılır; daha fazla bozunma ürünleri memeden akar. GD'de, çalışma maddesi önce ayrıştırılır, ardından bozunma ürünleri ısıtılır ve bunların son kullanma tarihi gerçekleşir. ECD tasarımı ve kullanılan yapılar. Malzemeler, 105'e kadar fırlatma sayısı, sürekli çalışma süresi ~ 10-100 saat ve itme özelliklerinin nominal değerden sapması ile 7-10 yıl boyunca uzay aracında çalıştırılmak üzere tasarlanmıştır. %5-10'dan fazla. Tüketilen EHD elektrik seviyesi. güç - onlarca W, itme aralığı - 0,01 -10 N. ECD, bir elektrik tahriki için çok düşük bir enerjiye sahiptir. itme fiyatı ~3 kW/N, çalışma maddesinin düşük moleküler ağırlığı ve bozunma ürünleri nedeniyle yüksek jet akış hızı (3 km/s). 0,44 N itiş gücüne sahip bir hidrazin ana motoru, Intel-sat-5 iletişim uydusunda başarıyla çalıştırıldı; 0.15 N itme kuvvetine sahip amonyak END, Meteor serisinin uydularının normal EPS'sinin bir parçasıdır ve uydunun yörüngesini ve yönünü düzeltir.
Pirinç. 1. Elektrikli ısıtma motorunun şeması: 1 - gözenekli elektrikli ısıtıcı; 2-termal ekran; 3 - kasa; 4- meme.
iyon iticiler. Kimliği girin. e-statikte çalışan maddenin iyonları hızlandırılır. alan. ID (Şek. 2) bir iyon yayıcı 4'ten, hızlandırılmış iyonların içinden geçtiği deliklere (yarıklara) sahip bir hızlandırıcı elektrottan 5 ve bir dıştan oluşur. elektrot 6 (ekran), rolünde genellikle kimlik kasası kullanılır. Hızlandırıcı elektrot negatif altındadır. yayıcıya göre potansiyel (~10 3 -10 4 V). Elektrik akım ve boşluklar. elektrik jet akımı sıfır olmalıdır, bu nedenle giden iyon ışını elektronlar tarafından nötralize edilir, to-çavdar nötrleştirici 7 yayar. Ext. elektrot, emitöre göre potansiyel olarak negatif ve hızlanan elektrota göre pozitiftir; pozitif potansiyel kayması, nötrleştiriciden nispeten düşük enerjili elektronların elektriksel olarak bloke edilmesi için seçilir. alan ve emitör ile hızlanan elektrot arasındaki hızlanan boşluğa düşmedi. Hızlandırılmış iyonların enerjisi, emitör ve harici arasındaki potansiyel fark tarafından belirlenir. elektrot. varlığı olumludur. boşluklar. hızlanma boşluğundaki yük, emitörden gelen iyon akımını sınırlar. Ana Kimlik parametreleri: egzoz hızı, çekiş verimliliği, enerji. itme fiyatı (W/N), enerjik. iyon fiyatı (eV/ion) - bir iyon oluşumu için harcanan enerji miktarı. ID'deki çalışma maddesinin derecesi mümkün olduğu kadar yüksek olmalıdır (>0.90.95).
Pirinç. 2. Toplu iyonizasyonlu bir iyon motorunun şeması G. Kaufman'ın tasarımları: 1 - katot gaz boşaltma odasıry; 2- anot; 3 - manyetik bobin; 4-yayan elektrot; 5 - hızlandırıcı elektrot; 6 - harici elektrot; 7 - nötrleştirici.
Yayıcı tipine bağlı olarak, SM'ler yüzey iyonizasyon iticileri (SPID), koloidal iticiler (CD) ve toplu iyonizasyon iticileri (SPID) olarak alt bölümlere ayrılır. IDPI'de, çalışan maddenin buharı gözenekli bir emitörden geçtiğinde iyonlaşma meydana gelir; çalışma maddesi, yayıcı malzemenin çalışma işlevinden daha az olmalıdır. Genellikle bir çift sezyum (çalışma maddesi) - tungsten (yayıcı) seçilir. Yayıcı, çalışma maddesinin yoğunlaşmasını önlemek için 1500 o K sıcaklığa kadar ısıtılır. CD'de (yalnızca laboratuvar prototipleri mevcuttur), çalışma maddesi (gliserin içinde %20'lik bir potasyum iyodür çözeltisi), hızlanan boşluğa pozitif yüklü mikrodamlacıklar biçiminde kılcal damarlardan püskürtülür; elektrik mikrodamlacıkların yükü, güçlü bir elektrikte kılcal damarlardan jetlerin çıkarılması sürecinde ortaya çıkar. alan ve müteakip damlalar halinde parçalanması. IDOI'deki iyonların kaynağı, çalışma maddesinin (metal buharları, soy gazlar) atomlarının düşük basınçlı bir gaz deşarjında [elektrot 1 ve 2 arasındaki deşarj] elektron etkisiyle iyonize edildiği bir gaz deşarj odasıdır (GDC). (Şekil 2) veya elektrotsuz mikrodalga deşarjı ]; GDC'den gelen iyonlar, hızlandırıcı elektrot ile birlikte bir iyon optik oluşturan GDC'nin yayan elektrot duvarının deliklerinden hızlanan boşluğa çekilir. iyonların hızlanması ve odaklanması için sistem (IOS). GDC'nin duvarları, yayan elektrot hariç, plazmadan manyetik olarak izole edilmiştir. IDOY - naib. mühendislikle tasarlanmış ve fiziksel PD açısından, çekiş verimleri ~%70'dir, zemin testlerinde onaylanan çalışma ömrü 2 10 4 saat çalışma maddesine çıkarılır. Enerji ID'deki itme ve iyon fiyatları (CH'ler hariç) oldukça önemlidir (2·10 4 W/N, 250 eV/ion). Bu nedenle, kimlikler, uzay gemisinde defalarca test edilmiş olmalarına rağmen, henüz çalışan EJE'ler (ECD'ler, PD'ler) olarak uzayda kullanılmamaktadır. Naib. SERT-2 programı kapsamında önemli test (1970, ABD); EPS, G. Kaufman tarafından tasarlanan (çalışma akışkanı cıva, güç tüketimi 860 W, verim %68, itme 0,03 H) 3800 saat ve 2011 saat kesintisiz çalışan iki IDP'den oluşuyordu, sırasıyla ve uzun bir süre sonra çalışmaya devam etti. kırmak.
Kapalı bir elektron sürüklenmesi ve genişletilmiş bir hızlanma bölgesi olan plazma hızlandırıcıların şemasına göre PD, uzay gemilerinde, özellikle jeostatik iletişim uydularında sistematik olarak kullanılır.
Aydınlatılmış.: Gilzin K.A., Elektrikli gezegenler arası gemiler, 2. baskı, M., 1970; Morozov A.I., Shubin A.P., Uzay elektrikli tahrik motorları, M., 1975; Grishin S.D., Leskov L.V., Kozlov H.P., Elektrikli roket motorları, M., 1975.
"Bilim dünyasında" 5 2009 s. 34-42
ANA HÜKÜMLER
*
Geleneksel roket motorlarında, itme kimyasal yakıtın yanmasından gelir. Elektroreaktif olarak, bir elektrik veya manyetik alan tarafından bir yüklü parçacık veya plazma bulutunun hızlandırılmasıyla oluşturulur.
*
Elektrikli roket motorlarının çok daha düşük itme gücü ile karakterize olmasına rağmen, aynı yakıt kütlesi ile uzay aracını sonuçta çok daha yüksek hızlara hızlandırmaya izin veriyorlar.
*
Yüksek hızlara ulaşma yeteneği ve çalışma maddesini ("yakıt") kullanmanın yüksek verimliliği, elektrikli tahrik motorlarını uzun mesafeli uzay uçuşları için umut verici hale getirir.
Uzayın karanlığında yalnız, bir sonda Şafak("Şafak") NASA, Mars'ın yörüngesinin ötesine, asteroit kuşağına koşar. Güneş sisteminin oluşumunun ilk aşamaları hakkında yeni bilgiler toplaması gerekiyor: çarpışması ve birbirleriyle etkileşimi sonucunda gezegen embriyolarının en büyük kalıntıları olan asteroitler Vesta ve Ceres'i keşfetmek. 4,5-4,7
milyar yıl önce bugünün gezegenleri oluştu.
Ancak bu uçuş sadece amacı için dikkat çekici değil. Ekim 2007'de piyasaya sürülen Dawn, uzun mesafeli uçuşu gerçeğe dönüştürebilen bir plazma motoruyla çalışıyor. Bugüne kadar, bu tür motorların birkaç türü vardır. İçlerindeki çekiş, geleneksel olanlarda olduğu gibi sıvı veya katı kimyasal yakıtların yakılmasıyla değil, yüklü parçacıkların bir elektrik alanıyla iyonlaşması ve hızlandırılmasıyla oluşturulur.
NASA'nın Jet Propulsion Laboratuvarı'ndaki Dawn sondasının yaratıcıları, asteroid kuşağına ulaşmak için kimyasal yakıtlı bir iticiden on kat daha az itici gaz gerektireceği için bir plazma itici seçti. Geleneksel bir roket motoru, Dawn sondasının ya Vesta'ya ya da Ceres'e ulaşmasına izin verebilirdi, ancak her ikisine birden değil.
Elektrikli roket motorları hızla popülerlik kazanıyor. Son uzay sondası uçuşu Derin Uzay 1 NASA'nın kuyruklu yıldıza ulaşması, elektrik tahrikinin kullanılmasıyla mümkün oldu. Plazma iticileri ayrıca Japon sondasının iniş girişimi için gereken itişi sağladı. Hayabusa bir asteroide ve uzay aracı uçuşu için AKILLI-1 Avrupa Uzay Ajansı Ay'a. Gösterilen faydaların ışığında, ABD, Avrupa ve Japonya'daki geliştiriciler, güneş sistemini keşfetmek ve Dünya gibi gezegenlerin ötesinde araştırma yapmak için gelecekteki görevler için uzun menzilli uçuş planlaması için bu motorları seçiyorlar. Plazma iticileri, aynı zamanda, temel fiziksel araştırmalar için uzay boşluğunu bir laboratuvara dönüştürmeyi de mümkün kılacaktır.
Uzun uçuşlar dönemi geliyor
20. yüzyılın ilk on yılında, uzay aracı için motorlar oluşturmak için elektrik kullanma olasılığı düşünüldü. 1950'lerin ortalarında. Ernst Stuhlinger, Wernher von Braun'un ABD uzay programına öncülük eden efsanevi Alman roket ekibinin üyesi. teoriden pratiğe geçti. Birkaç yıl sonra, NASA'nın Glenn Araştırma Merkezi'ndeki (daha sonra Lewis Araştırma Merkezi olarak adlandırılan) mühendisler, ilk uygulanabilir plazma motorunu yarattılar. 1964 yılında atmosferin yoğun katmanlarına girmeden yörüngesini düzeltmek için kullanılan böyle bir motor, Uzay Elektrikli Roket Testi programı kapsamında yörünge altı uçuş yapan bir aparatla donatıldı.
Plazma elektrikli tahrik motorları kavramı da SSCB'de bağımsız olarak geliştirildi. 1970'lerin ortalarından beri. Sovyet mühendisleri, az miktarda çalışma maddesi tükettikleri için telekomünikasyon uydularının coğrafi yörüngesinin oryantasyonunu ve stabilizasyonunu sağlamak için bu tür motorları kullandılar.
füze gerçekleri
Plazma motorlarının avantajları, geleneksel roket motorlarının dezavantajları ile karşılaştırıldığında özellikle etkileyicidir. İnsanlar kara boşlukta uzak bir gezegene doğru ilerleyen bir uzay gemisi hayal ettiğinde, motor memesinden uzun bir alev meşalesi zihinlerinin gözünün önünde belirir. Gerçekte, her şey tamamen farklı görünüyor: neredeyse tüm yakıt uçuşun ilk dakikalarında tüketiliyor, bu nedenle gemi atalet tarafından hedefine doğru ilerliyor. Kimyasal yakıtlı roket motorları, uzay aracını Dünya yüzeyinden kaldırır ve uçuş sırasında yörünge ayarlamalarına izin verir. Ancak derin uzay araştırmaları için uygun değiller, çünkü o kadar büyük miktarda yakıt gerektiriyorlar ki, onu Dünya'dan yörüngeye pratik ve ekonomik bir şekilde kaldırmak mümkün değil.
Uzun uçuşlarda, ek yakıt maliyeti olmadan belirli bir yörüngeye yüksek hız ve doğrulukta ulaşmak için, sondalar, gezegenler veya uyduları yönünde rotalarından sapmak zorunda kaldılar, bu nedenle istenen yönde hızlanma verebiliyordu. yerçekimi kuvvetleri (yerçekimi sapanı etkisi veya yerçekimi kullanan bir manevra). Böyle bir "döner kavşak" rotası, fırlatma fırsatlarını oldukça kısa zaman pencereleriyle sınırlar, bu da bir yerçekimi güçlendirici rolü oynaması gereken bir gök cismi tarafından doğru bir geçişi garanti eder.
Uzun vadeli çalışmalar yapmak için, uzay aracı hareket yörüngesini düzeltebilmeli, nesnenin etrafında yörüngeye girebilmeli ve böylece görevi yerine getirmek için koşulları sağlayabilmelidir. Manevra başarısız olursa, gözlemler için mevcut süre çok kısa olacaktır. Böylece, 2006 yılında fırlatılan ve dokuz yıl sonra Plüton'a yaklaşan Yeni Ufuklar NASA uzay sondası, onu bir Dünya gününü geçmeyecek kadar kısa bir sürede gözlemleyebilecek.
roket hareket denklemi
Neden şimdiye kadar uzaya yeterli yakıtı göndermenin bir yolu önerilmedi? Bu sorunun çözümünü engelleyen nedir?
Anlamaya çalışalım. Açıklamak için, roket hareketinin temel denklemini kullanıyoruz - uzmanların bu görev için gerekli yakıt kütlesini hesaplarken kullandığı Tsiolkovsky formülü. 1903 yılında Rus bilim adamı K.E. Roket teknolojisi ve astronotiğin babalarından biri olan Tsiolkovsky.
|
KİMYASAL VE ELEKTRİKLİ ROKETLER
Plazmanın çalışma ortamı (yakıt) olarak hizmet ettiği elektrikli roket motorları (sağda), yani. iyonize gaz, çok daha az itme geliştirir, ancak kıyaslanamayacak kadar az yakıt tüketir, bu da çok daha uzun süre çalışmasına izin verir. Ve uzay ortamında, harekete karşı direncin olmadığı durumlarda, uzun süre etki eden küçük bir kuvvet, aynı ve hatta daha yüksek hızlara ulaşmayı mümkün kılar. Bu özellikler, plazma füzelerini birden fazla varış noktasına uzun menzilli uçuşlar için uygun hale getirir. |
 |
Aslında, bu formül, bir roketten yanma ürünlerinin çıkış hızı ne kadar yüksek olursa, bu manevrayı gerçekleştirmek için o kadar az yakıt gerektiğine dair sezgisel olarak gerçekleştirilen gerçeği matematiksel olarak açıklar. Bir kaykay (uzay aracı) üzerinde bir sepet top (yakıt) ile duran bir beyzbol atıcısı (roket motoru) hayal edin. Topları geri fırlatma hızı ne kadar yüksek olursa (yanma ürünlerinin egzoz hızı), son topu attıktan sonra kaykay o kadar hızlı yuvarlanır veya eşdeğer olarak, hızını artırmak için ihtiyaç duyduğu daha az top (yakıt) olacaktır. Kaykayın belirli bir değere. Bilim adamları, hızdaki bu artışı sembolü ile belirtirler. dV
(delta-ve'yi okuyun).
Daha spesifik olarak formül, bir roketin derin uzayda belirli bir görevi yerine getirmek için ihtiyaç duyduğu itici gaz kütlesini iki temel miktarla ilişkilendirir: roket memesinden yanma ürünlerinin egzoz hızı ve değeri. dV
belirli bir miktarda yakıt yakılarak elde edilebilir. Anlam dV
uzay aracının eylemsizlik hareketini değiştirmek ve gerekli manevrayı gerçekleştirmek için harcaması gereken enerjiye karşılık gelir. Belirli bir roket teknolojisi için (belirli bir egzoz hızı sağlayarak), roketin hareket denklemi, gerekli değeri elde etmek için gereken yakıt kütlesini hesaplamamızı sağlar. dV
, yani gerekli manevrayı yapmak için Böylece. dV
Görevin "fiyatı" olarak düşünülebilir, çünkü uçuş yoluna yakıt almanın maliyeti genellikle tüm görevi tamamlamanın maliyetinin büyük kısmını oluşturur.
Geleneksel kimyasal yakıtlı roketlerde, yanma ürünlerinin egzoz hızı düşüktür ( 3-4
km/s). Tek başına bu durum, uzun mesafeli uçuşlar için kullanımlarının uygunluğunu sorgulamaktadır. Ek olarak, roket hareket denkleminin formu, artan ile dV
uzay aracının ilk kütlesindeki yakıt oranı ("yakıt kütle oranı") katlanarak büyür. Sonuç olarak, büyük bir değer gerektiren uzun mesafeli uçuşlar için bir aparatta dV
, yakıt neredeyse tüm fırlatma kütlesini oluşturacak.
Birkaç örneğe bakalım. Alçak Dünya yörüngesinden Mars'a uçuş durumunda, gerekli değer dV
hakkında 4,5
km/sn. Roket hareketi denkleminden, böyle bir gezegenler arası uçuşu gerçekleştirmek için gereken yakıtın kütle fraksiyonunun şundan daha fazla olduğu sonucu çıkar. 2/3
. Dış gezegenler gibi güneş sisteminin daha uzak bölgelerine uçuşlar, dV
itibaren 35
önce 70
km/sn. Geleneksel bir rokette yakıtın payı alınmalı 99,98
% başlangıç ağırlığı. Aynı zamanda, ekipman veya diğer yükler için yer kalmayacak. Uzay araçlarının hedefleri güneş sisteminin gittikçe daha uzak bölgeleri haline geldikçe, kimyasal yakıtlı motorlar giderek daha umutsuz hale gelecek. Belki de mühendisler, yanma ürünlerinin son kullanma hızını önemli ölçüde artırmanın bir yolunu bulacaklardır. Ama bu çok zor bir görevdir. Hem kimyasal reaksiyondan salınan enerji miktarı hem de roket motoru duvar malzemesinin ısı direnci ile sınırlı olan çok yüksek bir yanma sıcaklığı gerekli olacaktır.
Plazma Çözümü
Plazma iticileri çok daha yüksek egzoz hızlarına izin verir. İtme, plazmanın - kısmen veya tamamen iyonize gazın - geleneksel gaz dinamik motorlar için sınırdan önemli ölçüde daha yüksek hızlara hızlandırılmasıyla yaratılır. Plazma, gaza enerji verilerek, örneğin bir lazer, mikro veya radyo frekans dalgaları ile ışınlanarak veya güçlü elektrik alanları kullanılarak oluşturulur. Fazla enerji, elektronları atomlardan veya moleküllerden ayırır, bu da sonuç olarak pozitif bir yük kazanır ve ayrılan elektronlar gaz içinde serbestçe hareket edebilir, bu da iyonize gazı metalik bakırdan çok daha iyi bir akım iletkeni yapar. Plazma, hareketi büyük ölçüde elektrik ve manyetik alanlar tarafından belirlenen yüklü parçacıklar içerdiğinden, onu elektrik veya elektromanyetik alanlara maruz bırakmak, bileşenlerini hızlandırabilir ve onları itme oluşturmak için çalışan bir madde olarak çıkarabilir. Gerekli alanlar, elektrotlar ve mıknatıslar kullanılarak, harici antenler veya tel bobinler kullanılarak veya plazmadan akım geçirilerek oluşturulabilir.
Plazmayı oluşturacak ve hızlandıracak enerji genellikle güneş panellerinden elde edilir. Ancak Mars yörüngesinin ötesine giden uzay aracı için atom enerjisi kaynakları gerekli olacaktır, çünkü. güneşten uzaklaştıkça güneş enerjisi akışının yoğunluğu azalır. Bugün, robotik uzay sondaları, radyoaktif izotopların bozunma enerjisiyle ısıtılan termoelektrik cihazlar kullanır, ancak daha uzun uçuşlar nükleer ve hatta füzyon reaktörleri gerektirir. Sadece uzay aracı, Dünya'dan güvenli bir mesafede bulunan kararlı bir yörüngeye yerleştirildikten sonra, çalışmaya başlayana kadar açılacaklar, nükleer yakıt atıl bir durumda tutulmalıdır.
Pratik uygulama düzeyinde üç tip elektrikli roket motoru geliştirilmiştir. Down probu ile donatılmış en yaygın kullanılan iyon motoru.
iyon motoru
Elektrikli tahrikin en başarılı kavramlarından biri olan iyon tahriki fikri, bir asır önce Amerikalı roket öncüsü Robert H. Goddard tarafından henüz Worcester Politeknik Enstitüsü'nde yüksek lisans öğrencisiyken ortaya atıldı. İyon iticiler, egzoz hızlarının elde edilmesini mümkün kılar. 20
önce 50
km/s (sonraki sayfada iç metin).
En yaygın versiyonda, böyle bir motor, bariyer katmanlı fotosel panellerden enerji alır. Uzay aracının arkasına monte edilmiş, bir kovadan biraz daha büyük olan kısa bir silindirdir. "Yakıt" deposundan, elektromanyetik alanın elektronları ksenon atomlarından ayırarak bir plazma oluşturduğu iyonizasyon odasına giren gazlı ksenon ona verilir. Pozitif iyonları, iki ızgara elektrotu arasındaki bir elektrik alanı tarafından çekilir ve çok yüksek hızlara hızlandırılır. Her pozitif plazma iyonu, motorun arkasında bulunan negatif elektrot tarafından güçlü bir şekilde çekilir ve bu nedenle geriye doğru hızlandırılır.
Pozitif iyonların dışarı akışı uzay aracı üzerinde negatif bir yük oluşturur ve bu yük biriktiğinde yayılan iyonları uzay aracına geri çekerek itmeyi sıfıra indirir. Bunu önlemek için, elektronları dışarı akan iyonların akışına sokan harici bir elektron kaynağı (negatif elektrot veya elektron tabancası) kullanılır. Böylece, uzay aracının elektriksel olarak nötr kalması sonucunda, çıkışın nötralizasyonu sağlanır.
Günümüzde ticari uzay araçları (çoğunlukla sabit yörüngelerdeki iletişim uyduları), yörünge konumlarını ve yönelimlerini düzeltmek için kullanılan düzinelerce iyon iticiyle donatılmıştır.
20. yüzyılın sonunda, Dünya'ya yakın yörüngeden yola çıkarken dünyanın yerçekimini yenmek için elektrikli bir tahrik sisteminin kullanıldığı dünyadaki ilk uzay aracı, 20. yüzyılın sonlarındaydı. incelemek, bulmak Derin Uzay 1 Kuyruklu Yıldız Borrelli'nin tozlu kuyruğundan uçmak için hızını artırması gerekiyordu. 4,3
km / s, daha az olan 74
kg ksenon (yaklaşık olarak böyle bir kütlenin dolu bir bira fıçısı vardır). Bu, yerçekimi sapanı değil, itme kuvveti kullanan herhangi bir uzay aracı tarafından elde edilen bugüne kadarki en büyük hız artışıdır. Şafak yakında rekoru kıracak 10
km/sn. Jet Propulsion Laboratuvarı'ndaki mühendisler yakın zamanda, üç yıldan fazla sürekli çalışabilen iyon iticilerini gösterdiler.
ELEKTRİKLİ ROKET MOTORLARI DÖNEMİNİN BAŞLANGICI
1903
şehir: K.E. Tsiolkovsky, uzay uçuşlarında yakıt tüketimini hesaplamak için yaygın olarak kullanılan roket hareket denklemini türetmiştir. 1911'de bir elektrik alanının yüklü parçacıkları hızlandırarak jet itiş gücü yaratabileceğini öne sürdü.
1906
G.: Robert Goddard, jet tahriki oluşturmak için yüklü parçacıkların elektrostatik ivmesinin kullanımını düşündü. 1917'de modern iyon motorlarının öncüsü olan motoru yarattı ve patentini aldı.
1954
Ernst Stülinger, bir iyon itici performansının nasıl optimize edileceğini gösterdi
1962
: Daha güçlü bir plazma itici türü olan Hall iticisinin Sovyet, Avrupalı ve Amerikalı araştırmacıların çalışmalarına dayanan ilk açıklaması yayınlandı.
1962
: Adriano Ducati, en güçlü plazma itici türü olan manyetoplazma dinamik (MPD) iticinin çalışma prensibini keşfetti
1964
g.: Uzay aracı SERT 1 NASA, uzayda bir iyon motorunun ilk başarılı testini gerçekleştirdi
1972
: Sovyet uydusu "Meteor", Hall motorunu kullanarak ilk uzay uçuşunu yaptı
1999
g.: uzay sondası Derin Uzay 1 NASA'nın Aktif Olmayan İtme Laboratuvarları, düşük Dünya yörüngesinden fırlatıldığında Dünya'nın yerçekiminin üstesinden gelmek için ana tahrik sistemi olarak bir iyon iticisinin ilk başarılı kullanımını göstermiştir.
Elektrikli roket motorlarının özellikleri, yalnızca yüklü parçacıkların çıkış hızıyla değil, aynı zamanda itme yoğunluğuyla da belirlenir - bu parçacıkların içinden geçtiği deliğin birim alanı başına itme kuvvetinin değeri. İyon ve benzeri elektrostatik iticilerin yetenekleri, ulaşılabilir itme yoğunluğuna çok düşük bir sınır koyan uzay yükü ile sınırlıdır. Gerçek şu ki, pozitif iyonlar motorun elektrostatik ızgaralarından geçerken, aralarında kaçınılmaz olarak pozitif bir yük birikir ve bu da iyonları hızlandıran elektrik alanının gücünü azaltır.
Bu nedenle, sonda motorunun itme gücü Derin boşluk 1, bilimkurgu filmlerindeki motorların itiş gücünden çok uzak olan bir kağıt parçasının ağırlığına eşittir. Arabayı sıfırdan böyle bir kuvvetle hızlandırmak için 100
km / s (hareket direncinin yokluğunda: yerde duran bir araba, böyle bir kuvvet bile kıpırdamaz. - Yaklaşık Şerit) iki günden fazla sürer. Hiç direnç göstermeyen uzay boşluğunda, çok küçük bir kuvvet bile, yeterince uzun süre hareket ederse, aparata büyük hız kazandırabilir.
salon motoru
Plazma iticinin Hall iticisi (sayfa 39'da eklenmiş) olarak adlandırılan bir versiyonu, uzay yükü sınırlamalarından muaftır ve bu nedenle, bir uzay aracını benzer boyuttaki bir iyon iticisinden daha hızlı yüksek hızlara hızlandırma yeteneğine sahiptir (daha yüksek itme yoğunluğu nedeniyle). Batı'da, bu teknoloji 1990'ların başında, eski SSCB'de gelişmenin başlamasından otuz yıl sonra tanındı.
Motorun çalışma prensibi, o zamanlar Johns Hopkins Üniversitesi'nde yüksek lisans öğrencisi olan Edwin H. Hall tarafından 1879'da keşfedilen temel bir etkinin kullanımına dayanmaktadır. Hall, karşılıklı olarak dik elektrik ve manyetik alanların yaratıldığı bir iletkende, bu alanların her ikisine de dik bir yönde bir elektrik akımının (Hall akımı olarak adlandırılır) ortaya çıktığını gösterdi.
Bir Hall iticisinde, plazma, iç pozitif elektrot (anot) ile dış negatif elektrot (katot) arasındaki elektrik boşalmasıyla oluşturulur. Boşalma, elektrotlar arasındaki boşluktaki nötr gaz atomlarından elektronları ayırır. Elde edilen plazma, uygulanan radyal manyetik alanın azimut yönünde akan bir elektrik akımı (bu durumda Hall akımı) ile etkileşiminin bir sonucu olarak ortaya çıkan Lorentz kuvveti tarafından silindirik motorun çıkışına doğru hızlandırılır. , yani merkezi elektrot etrafında. Hall akımı, elektronların elektrik ve manyetik alanlardaki hareketiyle oluşturulur. Mevcut güce bağlı olarak, akış hızları arasında değişebilir. 10
önce 50
km/sn.
Bu tür plazma iticisi, tüm plazmayı (hem pozitif iyonlar hem de negatif elektronlar) hızlandırdığı için uzay yükü sınırlamalarından muaftır. Bu nedenle, ulaşılabilir itme yoğunluğu ve buna bağlı olarak gücü (ve dolayısıyla potansiyel olarak ulaşılabilir değer) dV
) aynı boyuttaki bir iyon motorundan birçok kat daha yüksektir. 200'den fazla Hall iticisi, dünya yörüngesindeki uydularda halihazırda çalışıyor. Ve böyle bir motor, Avrupa Uzay Ajansı tarafından uzay aracının ekonomik hızlandırılması için kullanıldı. AKILLI 1 aya uçarken.
 |
Salon iticileri oldukça küçüktür ve mühendisler bu tür cihazları yüksek egzoz hızları ve itme değerleri elde etmek için gerekli olan daha yüksek güçlerle sağlanabilecek şekilde tasarlamaya çalışmaktadırlar.
Princeton Üniversitesi'nin Plazma Fizik Laboratuvarı'ndaki bilim adamları, plazmayı dar bir çıkış ışınına odaklayacak şekilde bir elektrik alanını şekillendiren bir Hall iticisinin duvarlarına kesitli elektrotlar monte ederek bir miktar başarı elde ettiler. Tasarım, itme kuvvetinin işe yaramaz eksenel olmayan bileşenini azaltır ve plazma ışınının motorun duvarlarıyla temas etmemesi nedeniyle motorun ömrünün artmasına izin verir. Alman mühendisler, özel bir konfigürasyonun manyetik alanlarını uygulayarak yaklaşık olarak aynı sonuçları elde ettiler. Ve Stanford Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, motor duvarlarını güçlü polikristal elmasla kaplamanın, plazma erozyonuna karşı dirençlerini önemli ölçüde artırdığını gösterdi. Tüm bu iyileştirmeler, Hall iticilerini derin uzay görevleri için uygun hale getirdi.
yeni nesil motor
İtme yoğunluğunu daha da artırmanın bir yolu, motorda hızlandırılan toplam plazma miktarını artırmaktır. Ancak Hall iticisindeki plazma yoğunluğundaki bir artışla, elektronların atomlar ve iyonlarla çarpışma sıklığı artar, bu da
elektronların hızlanma için gerekli Hall akımını taşımasını engeller. Daha yoğun bir plazma bir manyetoplazmodinamik (MPD) motor tarafından kullanılabilir, burada Hall akımı yerine esas olarak elektrik alanı boyunca yönlendirilen bir akım kullanılır (soldaki iç kısım) ve nedeniyle yıkıma çok daha az duyarlıdır. atomlarla çarpışmalar.
Genel anlamda, MPD motoru, daha büyük bir silindirik anot içinde yer alan merkezi bir katottan oluşur. Gaz (genellikle lityum buharı), katottan anoda radyal yönde akan bir elektrik akımı ile iyonlaştırıldığı katot ve anot arasındaki halka şeklindeki boşluğa beslenir. Akım, azimut bir manyetik alan (merkezi katodu çevreleyen) yaratır ve alan ile akımın etkileşimi, itme yaratan bir Lorentz kuvveti oluşturur.
Sıradan bir kepçe boyutunda bir MPD motoru, bir güneş veya nükleer kaynaktan yaklaşık bir megavat gücü işleyebilir ve 15 ila 60 km/sn egzoz hızlarının elde edilmesini sağlar. Gerçekten, küçük ve cesur.
MPD motorunun bir başka avantajı, kısma olasılığıdır: içindeki egzoz hızı ve itme, mevcut gücü veya çalışma maddesinin akış hızını değiştirerek ayarlanabilir. Bu, uçuş yolunu optimize etme ihtiyacına göre motor itme ve egzoz hızını değiştirmeyi mümkün kılar. MPD motorlarının özelliklerini kötüleştiren ve hizmet ömürlerini etkileyen, özellikle plazma erozyonu, plazma kararsızlıkları ve içindeki güç kayıplarına yönelik yoğun çalışmalar, yüksek performanslı yeni motorların oluşturulmasını mümkün kılmıştır. İçlerinde çalışma maddesi olarak lityum veya baryum buharları kullanılır. Bu metallerin atomları kolaylıkla iyonize olur, bu da plazmadaki iç enerji kaybını azaltır ve daha düşük bir katot sıcaklığının korunmasını mümkün kılar. Çalışma maddeleri olarak sıvı metallerin kullanılması ve katodun, elektrik akımının yüzeyiyle etkileşiminin doğasını değiştiren kanallara sahip olağandışı tasarımı, katot aşınmasını önemli ölçüde azaltmaya ve daha güvenilir MPD motorları oluşturmaya yardımcı oldu.
Akademi ve NASA'dan bir bilim insanı ekibi, yakın zamanda yeni bir "lityum" MPD motorunun geliştirilmesini tamamladı. a2. Ay ve Mars'a büyük bir yük ve insan taşıyan nükleer santralli bir uzay aracının yanı sıra güneş sisteminin dış gezegenlerine otomatik uzay istasyonları uçuşları sağlama potansiyeline sahip.
Kaplumbağa kazanır
İyon, Hall ve manyetoplazmodinamik, halihazırda pratik uygulama bulmuş üç tip plazma motorudur. Geçtiğimiz on yıllar boyunca, araştırmacılar birçok umut verici seçenek önerdiler. Darbeli ve sürekli modlarda çalışan motorlar geliştirilmektedir. Bazılarında plazma, elektrotlar arasında elektrik boşalması yoluyla, bazılarında ise bir bobin veya anten kullanılarak endüktif olarak oluşturulur. Plazma hızlandırma mekanizmaları da farklıdır: Lorentz kuvvetinin kullanılması, plazmanın manyetik olarak oluşturulmuş akım levhalarına eklenmesi veya hareket eden bir elektromanyetik dalga kullanılması. Bir türde, manyetik alanlar kullanılarak oluşturulan görünmez "roket memeleri" aracılığıyla plazmayı fırlatması bile gerekiyordu.
Her durumda, plazma roket motorları normal olanlardan daha yavaş hız kazanır. Ancak, "daha yavaş, daha hızlı" paradoks nedeniyle, uzay aracını aynı yakıt kütlesine sahip kimyasal yakıtlı motorlardan çok daha yüksek bir hıza çıkardıkları için daha kısa sürede uzaktaki hedeflere ulaşmayı sağlarlar. Bu, yerçekimi sapanı etkisi sağlayan gövdelerdeki sapmalarda zaman kaybetmekten kaçınmanıza olanak tanır. Sonunda tavşanı geride bırakan ünlü tembel kaplumbağa hikayesinde olduğu gibi, derin uzay araştırmalarının önümüzdeki döneminde daha fazla gerçekleştirilecek olan "maraton" uçuşlarında, kaplumbağa kazanacaktır.
Bugün, en gelişmiş plazma iticileri şunları sağlayabilir: dV
önce 100
km/sn. Bu, dış gezegenlere makul bir sürede uçuş yapmak için oldukça yeterlidir. Derin uzay araştırmalarındaki en etkileyici projelerden biri, bilim adamlarına göre, milyarlarca yıl önce Dünya'yı saran atmosfere çok benzeyen bir atmosfere sahip olan Satürn'ün en büyük ayı olan Titan'dan toprak örneklerinin Dünya'ya geri dönüşünü içeriyor.
Titan'ın yüzeyinden bir örnek, bilim adamlarına yaşamın kimyasal öncüllerinin belirtilerini aramak için ender bir fırsat sağlayacaktır. Kimyasal yakıtlı roket motorları böyle bir keşif gezisini olanaksız kılıyor. Yerçekimi sapanlarının kullanılması, uçuş süresini üç yıldan fazla artıracaktır. Ve "küçük ama uzak" bir plazma sürücüye sahip bir sonda, böyle bir yolculuğu çok daha hızlı hale getirebilir.
Tercüme: I.E. satseviç
EK EDEBİYAT
Dış Gezegen Keşfi için Nükleer Elektrik Tahrikinin Faydaları. G. Woodcock ve ark. Amerikan Havacılık ve Uzay Bilimleri Enstitüsü, 2002.
Elektrikli Tahrik. Fiziksel Bilim ve Teknoloji Ansiklopedisinde Robert G. Jahn ve Edgar Y. Choueiri. üçüncü baskı. Akademik Basın, 2002.
Elektrikli Tahrikin Eleştirel Tarihi: İlk 50 Yıl (1906-1956). Edgar Y. Choueiri, Journal of Propulsion and Power, Vol. 20, hayır. 2, sayfa 193-203; 2004.
Internet Explorer 1024X768 için optimize edilmiştir
ortalama yazı tipi boyutu
Tasarım A Semenov
Buluş, elektrikli roket motorları alanı ile ilgilidir. Tek tip sabit plazma deşarjlı (sabit plazma motorları - SPT) iyi bilinen motor tipi gibi, süpersonik nozullar içeren bir elektrikli roket motoru cihazı önerilmiştir, kutuplar arasında silindirik bir boşlukta bulunan bir manyetohidrodinamik hızlandırıcı kanalı. koaksiyel manyetik devre, EMF kaynağına bağlı bir manyetik alan uyarma bobini. SPT'nin aksine, önerilen motor, çalışma sıvısının düzgün olmayan bir gaz-plazma akışını kullanır. Plazma halkaları şeklinde plazma homojensizlikleri oluşturmak için motor, hızlandırıcı kanalının girişine takılan ek bir bobine bağlı darbeli yüksek frekanslı bir voltaj kaynağı içerir. Manyetik alan uyarma bobinine endüktif olarak bağlanan plazma halkalarındaki deşarjın korunması, bobine bağlı değişken bir EMF kaynağı tarafından gerçekleştirilir. Manyetodinamik hızlandırıcının kanalından çıktıkları anda plazma halkalarındaki akımı açmak için, motor difüzörünün girişine radyal dielektrik kaburgalar monte edilir. ETKİ: Buluş, motorun itiş gücünü ve çalışma süresini artırmayı mümkün kılar. 1 hasta.
Buluş, elektrikli roket motorları alanına ilişkindir, bir elektrikli roket motorunun itişini artıran, sabit homojen plazma deşarjını homojen olmayan bir gaz-plazma akışıyla değiştirmeyi öneren bir yöntem [I] vardır. Plazma demetleri (T-katmanları), aşırı ısınma kararsızlığının gelişmesine karşı dayanıklıdır, bu da motor kanalından geçen çalışma sıvısının yoğunluğunu tekrar tekrar arttırmayı ve böylece itme kuvvetini orantılı olarak artırmayı mümkün kılar. Bu yöntemi uygulayan cihaz, gaz-dinamik bir memeden, elektrot duvarlı dikdörtgen kesitli bir manyetohidrodinamik hızlandırıcının bir kanalından, hızlandırıcı kanalında çalışma sıvısının akışına çapraz bir manyetik alan oluşturan bir manyetik sistemden, bir manyetik sistemden oluşur. Akışta T-katmanları oluşturan darbeli elektrot yüksek akım deşarj sistemi, hızlandırıcı kanalının elektrotlarına bağlı bir kaynak sabit EMF. Cihaz, gaz akışını hızlandıran plazma pistonları olarak etki eden T-tabakalarının hacmine etki eden elektrodinamik kuvvet nedeniyle akışın hızlanmasını sağlamalıdır. Bu cihazın kanalındaki çalışma modunun sayısal simülasyonu, MHD kanalında hızlanma modunu sağlayan 1000 N'ye kadar bir itme seviyesinde 50.000 m/s'ye kadar bir çıkış hızının elde edilebileceğini göstermiştir. T-katmanlarında akım akışının modu arktır. Elektrotların kaçınılmaz ark erozyonu, motorun ömrünü önemli ölçüde azaltır (plazma torçlarının deneyiminden, elektrotların 100 saatten fazla sürekli çalışma sağlamaması beklenmelidir). Yeniden kullanılabilir uzay aracı için, motor kaynağı en az bir yıllık sürekli çalışma olmalıdır.Elektriksel olarak iletken ortam üzerindeki elektrodinamik etki nedeniyle plazma akışını hızlandırmak için kullanılan bir elektrikli roket motoru (sabit plazma motoru - SPT) bilinmektedir. Bu cihaz, süpersonik nozullar, bir koaksiyel manyetik devrenin kutupları arasındaki silindirik bir boşlukta bulunan bir manyetohidrodinamik (MHD) hızlandırıcı kanalı, sabit bir EMF kaynağına bağlı bir manyetik alan uyarma bobini ve sabit bir plazma deşarj güç kaynağı sisteminden oluşur. Cihaz aşağıdaki şemaya göre çalışır. Gazlı bir çalışma sıvısı, MHD hızlandırıcısının kanalına girdikten sonra, güç kaynağı sistemi tarafından desteklenen sabit bir plazma deşarj bölgesine giren, iyonize olan ve plazma durumuna geçen gaz dinamik memesinden beslenir. Deşarjdaki akım kanal boyunca akar, güç kaynağı sisteminin anodu ise gaz dinamik bir memedir ve katot kanalın çıkışında bulunur. Kararlı bir hızlanma rejimi, yalnızca Hall parametresinin 100 mertebesindeki değerlere ulaşabildiği çok düşük bir plazma yoğunluğunda gerçekleştirilir. Bu koşullar altında, kanal boyunca küçük bir deşarj akımı, kendine kapalı önemli bir azimut akımı üretir. . Azimut akımının, manyetik devrenin koaksiyel kutupları arasında uyarma bobini tarafından oluşturulan radyal manyetik alanla etkileşimi, plazma hacminde hızlandırıcı bir elektrodinamik kuvvet oluşturur. Bunun için elektrotlar kullanılmadan ana akımın kapatılması, motorun ömrünü pratik olarak sınırsız hale getirmeyi mümkün kılar Bilinen cihazın bir dezavantajı, çalışma sıvısının düşük yoğunluğudur, bu da motorun stabil çalışmasını sağlamak için gereklidir. motor. Buna göre, böyle bir motorun itme gücü 0.1 N'yi geçmez. Buluş, bir yıl mertebesinde sürekli çalışma süresi olan bir yüksek itme elektrikli roket motoru yaratma görevine dayanmaktadır. Bu buluşa göre EMF kaynağına bağlı manyetik alan uyarma bobini olan manyetik devre, hızlandırıcı kanalın girişine monte edilmiş ek bir bobine bağlı darbeli yüksek frekanslı bir voltaj kaynağı ve radyal dielektrik nervürlü bir difüzör ile donatılmıştır. , manyetik alan uyarma bobini değişken EMF kaynağına bağlıyken Buluş, cihazın enine kesitini gösteren bir çizim ile gösterilmektedir Elektrikli roket motoru, manyetohidrodinamik hızlandırmanın süpersonik nozülleri 1, kanal 2'yi içerir. Şekil 1, koaksiyel manyetik devrenin 3 kutupları arasında silindirik bir boşlukta yer alır, değişken bir EMF kaynağına 5 bağlı bir manyetik alan uyarma bobini 4, girişte kurulu ek bir bobine 7 bağlı bir darbeli yüksek frekanslı voltaj kaynağı 6 hızlandırıcının 2. kanalı. Motor ayrıca radyal dielektrik kirişleri 9 olan bir difüzör 8 içerir. Bir elektrikli roket motoru aşağıdaki gibi çalışır. Darbeli yüksek frekanslı boşaltma sistemi 6 belirli bir zaman görev döngüsü ile periyodik olarak açılır ve her açılma, MHD hızlandırıcısının kanal 2 girişindeki gaz akışında bir plazma demeti oluşturur. Değişken EMF'nin harici bir kaynağı, koaksiyel manyetik devrenin 3 kutupları arasında zamanla değişen bir radyal manyetik alan oluşturan uyarma bobininde (4) bir alternatif akım yaratır. Bu, bir azimut girdap elektrik alanı oluşturur. Azimut elektrik ve radyal manyetik alanların etkisi altında, kendi kendine devam eden azimut plazma akım bobinleri (T-katmanları) plazma demetlerinden oluşur ve bunlar da gaz akışı üzerinde hızlandırıcı pistonlar olarak hareket eder. MHD hızlandırıcısının kanalından sonra, hızlandırılmış akış, radyal dielektrik kanatçıkların 9 takıldığı genişleyen kanal-difüzör 8'e girer, kanatlar gaz akışı tarafından etrafa akıtılır, ancak T-katmanlarının elektrik devreleri bozulur. bunlar, akış hızlanmasının elektrodinamik aşamasını kesintiye uğratmayı mümkün kılar. MHD hızlandırıcısının kanalının devamı olan difüzör 8'de, T katmanlarından akışa aktarılan termal enerji nedeniyle gaz akışı daha da hızlandırılır. Önerilen cihazın, verimli bir elektrikli roket motoru (EPM) oluşturma görevine karşılık gelen aşağıdaki parametrelerle uygulanabileceği gösterilmiştir: - Elektriği çalışma sıvısının kinetik enerjisine dönüştürme işleminin verimliliği %95'tir. ; - Motor çıkışındaki ortalama akış hızı 40 km/s'dir; - MHD hızlandırıcısının kanalının uzunluğu 0,3 m; - MHD hızlandırıcısının kanalının ortalama çapı 11 cm; - kanal yüksekliği (arasındaki mesafe) kutuplar) 1 cm; - EJE girişindeki hidrojen basıncı 10 4 Pa; - EJE güç kaynağının EMF ortalama değeri 5 kV; - Uyarma sargısındaki akımın ortalama değeri 2 kA; - Elektrik güç tüketimi 10 MW; - Yükleri Dünya'ya yakın yörüngelerden sabit, ay ve güneş sisteminin gezegenlerine taşımak için tasarlanmış motor itme 500 N uzay taşıma sistemi. 1. M.Ö. Slavin, V.V. Danilov, M.V. Kraev. Bir roket motorunun kanalındaki çalışma sıvısının akışını hızlandırma yöntemi, RF patent No. 2162958, F 02 K 11/00, F 03 H 1/00, 2001. 2. SD Grishin, L.V. Leskov. Uzay araçlarının elektrikli roket motorları. - M.: Mashinostroenie, 1989, s. 163.
İddia
Süpersonik nozullar içeren bir elektrikli roket motoru, bir koaksiyel manyetik devrenin kutupları arasında silindirik bir boşlukta bulunan bir manyetohidrodinamik hızlandırıcı kanalı, bir EMF kaynağına bağlı bir manyetik alan uyarma bobini, özelliği, cihazın darbeli bir yüksek frekans ile donatılmasıdır. giriş hızlandırıcı kanalına monte edilmiş ek bir bobine bağlı voltaj kaynağı ve radyal dielektrik nervürlü bir difüzör, manyetik alan uyarma bobini ise değişken bir emf kaynağına bağlanır.
Benzer patentler:
Buluş plazma teknolojisi ile ilgilidir ve kapalı elektron sürüklenmesine sahip bir plazma hızlandırıcıya dayalı elektrikli roket motorlarında ve ayrıca vakumlu plazma teknolojisi işlemlerinde kullanılan teknolojik hızlandırıcılarda kullanılabilir.
Elektrikli roket motoru - çalışma prensibi, bir uzay aracındaki bir elektrik santralinden alınan elektrik enerjisinin itme oluşturmak için kullanılmasına dayanan bir roket motoru. Ana uygulama kapsamı, yörüngenin küçük bir düzeltmesinin yanı sıra uzay aracının uzayında oryantasyondur. Bir elektrikli roket motoru, bir çalışma sıvısını beslemek ve depolamak için bir sistem, bir otomatik kontrol sistemi ve bir güç kaynağı sisteminden oluşan komplekse elektrikli roket tahrik sistemi denir.
İtki oluşturmak için roket motorlarında elektrik enerjisi kullanma olasılığından söz, K. E. Tsiolkovsky'nin yazılarında bulunur. 1916-1917'de. ilk deneyler R. Goddard tarafından ve zaten 30'larda yapıldı. 20. yüzyıl V.P. Glushko'nun önderliğinde, ilk elektrikli roket motorlarından biri oluşturuldu.
Diğer roket motorlarıyla karşılaştırıldığında, elektrik motorları uzay aracının ömrünü artırmayı mümkün kılar ve aynı zamanda tahrik sisteminin kütlesi önemli ölçüde azalır, bu da yükü artırmayı ve en eksiksiz ağırlığı elde etmeyi mümkün kılar. ve boyut özellikleri. Elektrikli roket motorlarını kullanarak uzak gezegenlere uçuş süresini kısaltmak ve herhangi bir gezegene uçuşu mümkün kılmak mümkündür.
60'ların ortalarında. 20. yüzyıl elektrikli roket motorları, SSCB ve ABD'de ve zaten 1970'lerde aktif olarak test edildi. standart tahrik sistemleri olarak kullanıldılar.
Rusya'da sınıflandırma, parçacık hızlandırma mekanizmasına dayanmaktadır. Aşağıdaki motor türleri ayırt edilebilir: elektrotermal (elektrikli ısıtma, elektrik arkı), elektrostatik (anot tabakasında hızlanan kolloidal, sabit plazma motorları dahil iyon), yüksek hassasiyetli (elektromanyetik, manyetodinamik) ve dürtü motorları.
Çalışma sıvısı olarak, herhangi bir sıvı ve gaz ile bunların karışımları kullanılabilir. Her tip elektrik motoru için en iyi sonucu elde etmek için uygun çalışma sıvılarının uygulanması gerekir. Amonyak geleneksel olarak elektrotermal motorlarda, xenon elektrostatik motorlarda, lityum yüksek akımlı motorlarda ve floroplastik darbeli motorlarda en etkili çalışma sıvısıdır.
Kayıpların ana kaynaklarından biri, hızlandırılmış kütle birimi başına iyonizasyon için harcanan enerjidir. Elektrikli roket motorlarının avantajı, çalışma sıvısının düşük kütle akış hızının yanı sıra hızlandırılmış parçacık akışının yüksek hızıdır. Egzoz hızının üst sınırı teorik olarak ışık hızı içindedir.
Şu anda, çeşitli motor tipleri için egzoz hızı 16 ila 60 km/s arasında değişmektedir, ancak gelişmiş modeller 200 km/s'ye kadar partikül akışı egzoz hızı verebilir.
Dezavantajı çok düşük bir itme yoğunluğudur, ayrıca dış basıncın hızlanma kanalındaki basıncı geçmemesi gerektiğine de dikkat edilmelidir. Uzay araçlarında kullanılan modern elektrikli roket motorlarının elektrik gücü, teorik güç megavatlara ulaşabilse de 800 ila 2000 W arasında değişmektedir. Elektrikli roket motorlarının verimliliği düşüktür ve %30 ile %60 arasında değişmektedir.
Önümüzdeki on yılda, bu tür motorlar esas olarak hem sabit hem de düşük Dünya yörüngelerinde bulunan uzay aracının yörüngesini düzeltmenin yanı sıra, uzay aracını Dünya yörüngesine yakın bir referanstan daha yüksek olanlara, örneğin jeostatiklere ulaştırma görevlerini yerine getirecektir.
Yörünge düzeltici işlevini yerine getiren sıvı yakıtlı bir roket motorunun elektrikli bir motorla değiştirilmesi, tipik bir uydunun kütlesini %15 oranında azaltacak ve yörüngede aktif kalma süresi artarsa, o zaman %40 oranında azaltacaktır. .
