stringtranslate.com

Электроракетная двигательная установка космического корабля

Двигатель Холла мощностью 6 кВт в работе в Лаборатории реактивного движения НАСА

Электроракетная двигательная установка космического корабля (или просто электрическая двигательная установка ) — это тип двигательной установки космического корабля , которая использует электростатические или электромагнитные поля для ускорения массы до высокой скорости и, таким образом, создает тягу для изменения скорости космического корабля на орбите. [1] Двигательная установка управляется силовой электроникой .

Электрические двигатели обычно используют гораздо меньше топлива, чем химические ракеты, поскольку они имеют более высокую скорость истечения (работают с более высоким удельным импульсом ), чем химические ракеты. [1] Из-за ограниченной электрической мощности тяга намного слабее по сравнению с химическими ракетами, но электрические двигатели могут обеспечивать тягу в течение более длительного времени. [2]

Электротяга была впервые продемонстрирована в 1960-х годах и в настоящее время является зрелой и широко используемой технологией на космических аппаратах. Американские и российские спутники использовали электротягу в течение десятилетий. [3] По состоянию на 2019 год более 500 космических аппаратов, работающих по всей Солнечной системе, используют электротягу для удержания на орбите , подъема на орбиту или первичного движения. [4] В будущем самые передовые электрические двигатели, возможно, смогут придать дельта-v 100 км/с (62 мили/с), что достаточно, чтобы доставить космический аппарат к внешним планетам Солнечной системы (с ядерной энергией ), но недостаточно для межзвездных путешествий . [1] [5] Электрическая ракета с внешним источником питания (передаваемым через лазер на фотоэлектрические панели ) имеет теоретическую возможность для межзвездного полета . [6] [7] Однако электротяга не подходит для запусков с поверхности Земли, так как она обеспечивает слишком малую тягу.

Во время путешествия на Марс корабль с электрическим приводом мог бы перевезти к месту назначения 70% своей первоначальной массы, в то время как химическая ракета могла бы перевезти лишь несколько процентов. [8]

История

Идея электрического движения для космических кораблей была предложена в 1911 году Константином Циолковским . [9] [10] Ранее Роберт Годдард отметил такую ​​возможность в своей личной записной книжке. [11]

15 мая 1929 года советская научно-исследовательская лаборатория Газодинамической лаборатории (ГДЛ) начала разработку электроракетных двигателей. Возглавляемая Валентином Глушко , [12] в начале 1930-х годов он создал первый в мире образец электротермического ракетного двигателя. [13] [14] Эта ранняя работа ГДЛ постоянно продолжалась, и электроракетные двигатели использовались в 1960-х годах на борту космического корабля «Восход-1» и марсианского зонда «Зонд-2» . [15]

Первым испытанием электрической тяги был экспериментальный ионный двигатель, установленный на борту советского космического корабля Зонд-1 в апреле 1964 года [16] , однако он работал нестабильно, возможно, из-за проблем с зондом. [17] Космический корабль Зонд-2 также нес шесть импульсных плазменных двигателей (PPT), которые служили приводами системы управления ориентацией. Двигательная система PPT была испытана в течение 70 минут 14 декабря 1964 года, когда космический корабль находился в 4,2 миллионах километров от Земли. [18]

Первой успешной демонстрацией ионного двигателя стал космический аппарат NASA SERT-1 (Space Electric Rocket Test). [19] [20] Он был запущен 20 июля 1964 года и проработал 31 минуту. [19] Последующая миссия была запущена 3 февраля 1970 года, SERT-2. Он нес два ионных двигателя, один из которых проработал более пяти месяцев, а другой — почти три месяца. [19] [21] [22]

Электроприводной двигатель с ядерным реактором рассматривался Тони Мартином для межзвездного проекта «Дедал» в 1973 году, но этот подход был отвергнут из-за его профиля тяги , веса оборудования, необходимого для преобразования ядерной энергии в электричество, и, как следствие, небольшого ускорения , которому потребовалось бы столетие для достижения желаемой скорости. [23]

К началу 2010-х годов многие производители спутников предлагали варианты электрических двигателей на своих спутниках — в основном для управления ориентацией на орбите — в то время как некоторые коммерческие операторы спутников связи начали использовать их для вывода на геостационарную орбиту вместо традиционных химических ракетных двигателей . [24]

Типы

Ионные и плазменные двигатели

Эти типы реактивных двигателей, подобных ракетным, используют электрическую энергию для получения тяги от топлива . [25]

Электроракетные двигатели малой тяги для космических аппаратов можно разделить на три семейства в зависимости от типа силы, используемой для ускорения ионов плазмы:

Электростатический

Если ускорение вызвано в основном силой Кулона (т.е. приложением статического электрического поля в направлении ускорения), устройство считается электростатическим. Типы:

Электротермический

Электротермическая категория объединяет устройства, которые используют электромагнитные поля для генерации плазмы с целью повышения температуры основного топлива. Тепловая энергия, сообщаемая топливному газу, затем преобразуется в кинетическую энергию с помощью сопла из твердого материала или магнитных полей. Низкомолекулярные газы (например, водород, гелий, аммиак) являются предпочтительными топливами для такого рода систем.

Электротермический двигатель использует сопло для преобразования тепла в поступательное движение, поэтому он является настоящей ракетой, даже несмотря на то, что энергия, вырабатывающая тепло, поступает из внешнего источника.

Производительность электротермических систем по удельному импульсу (Isp) составляет от 500 до ~1000 секунд, но превышает таковую у двигателей на холодном газе , однокомпонентных ракет и даже большинства двухкомпонентных ракет . В СССР электротермические двигатели начали использоваться в 1971 году; ими оснащены советские спутники серий « Метеор-3 », «Метеор-Природа», «Ресурс-О» и российский спутник «Электро». [26] Электротермические системы Aerojet (MR-510) в настоящее время используются на спутниках Lockheed Martin A2100, использующих гидразин в качестве топлива.

Электромагнитный

Электромагнитные двигатели ускоряют ионы либо силой Лоренца , либо воздействием электромагнитных полей, где электрическое поле не совпадает с направлением ускорения. Типы:

Неионные приводы

Фотонный

Фотонный привод взаимодействует только с фотонами.

Электродинамический трос

Электродинамические тросы представляют собой длинные проводящие провода, например, те, что развёртываются со спутника-троса , которые могут работать на электромагнитных принципах как генераторы , преобразуя свою кинетическую энергию в электрическую , или как двигатели , преобразуя электрическую энергию в кинетическую. [27] Электрический потенциал генерируется на проводящем тросе при его движении через магнитное поле Земли. Выбор металлического проводника для использования в электродинамическом тросе определяется такими факторами, как электропроводность и плотность . Вторичные факторы, в зависимости от применения, включают стоимость, прочность и температуру плавления.

Спорный

Некоторые предлагаемые методы движения, по-видимому, нарушают известные в настоящее время законы физики, в том числе: [28]

Устойчивый против неустойчивого

Электрические двигательные системы можно охарактеризовать как устойчивые (непрерывное срабатывание в течение заданного времени) или неустойчивые (импульсное срабатывание, накапливающееся до желаемого импульса ). Эти классификации могут быть применены ко всем типам двигателей.

Динамические свойства

Электрические ракетные двигатели обеспечивают меньшую тягу по сравнению с химическими ракетами на несколько порядков из-за ограниченной электрической мощности, доступной в космическом аппарате. [2] Химическая ракета передает энергию продуктам сгорания напрямую, тогда как электрическая система требует нескольких этапов. Однако высокая скорость и меньшая реактивная масса, затрачиваемая на ту же тягу, позволяют электрическим ракетам работать на меньшем количестве топлива. Это отличается от типичного химического космического корабля, где двигателям требуется больше топлива, требуя от космического корабля в основном следовать по инерциальной траектории . При приближении к планете тяга с малой тягой может не компенсировать силу гравитации. Электрический ракетный двигатель не может обеспечить достаточную тягу, чтобы поднять транспортное средство с поверхности планеты, но малая тяга, применяемая в течение длительного интервала, может позволить космическому кораблю маневрировать вблизи планеты.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Choueiri, Edgar Y. (2009) Новый рассвет электрических ракет Scientific American 300, 58–65 doi :10.1038/scientificamerican0209-58
  2. ^ ab "Электрическое и химическое движение". Электрическое движение космических аппаратов . ESA . Получено 17 февраля 2007 г.
  3. ^ "Исследования электродвижения в Институте фундаментальных технологических исследований". 16 августа 2011 г. Архивировано из оригинала 16 августа 2011 г.
  4. ^ Лев, Дэн; Майерс, Роджер М.; Леммер, Кристина М.; Колбек, Джонатан; Коидзуми, Хироюки; Ползин, Курт (июнь 2019 г.). «Технологическое и коммерческое расширение электродвижения». Акта Астронавтика . 159 : 213–227. Бибкод : 2019AcAau.159..213L. doi :10.1016/j.actaastro.2019.03.058. S2CID  115682651.
  5. ^ "Чуэйри, Эдгар Й. (2009). Новый рассвет электрической ракеты".
  6. ^ "Google Академия". scholar.google.com .
  7. ^ Джеффри А. Лэндис. Лазерный межзвездный зонд Архивировано 22 июля 2012 г. в Wayback Machine на Geoffrey A. Landis: Science. статьи, доступные в сети
  8. ^ Бойл, Алан (29 июня 2017 г.). «Плазменный двигатель MSNW может взбудоражить Конгресс на слушаниях по космическому движению». GeekWire . Получено 15 августа 2021 г.
  9. ^ Палашевски, Брайан. "Электродвижение для будущих космических миссий (PowerPoint)". Электродвижение для будущих космических миссий . Исследовательский центр имени Гленна, НАСА. Архивировано из оригинала (PPT) 23 ноября 2021 г. Получено 31 декабря 2011 г.
  10. ^ Choueiri, Edgar (26 июня 2004 г.). «Критическая история электрического движения: первые пятьдесят лет (1906-1956)». 40-я совместная конференция и выставка AIAA/ASME/SAE/ASEE по движению . Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. doi :10.2514/6.2004-3334.
  11. ^ Choueiri, Edgar Y. (2004). «Критическая история электрического движения: первые 50 лет (1906–1956)». Journal of Propulsion and Power . 20 (2): 193–203. CiteSeerX 10.1.1.573.8519 . doi :10.2514/1.9245. 
  12. ^ Сиддики, Асиф (2000). Вызов Аполлону: Советский Союз и космическая гонка, 1945-1974 (PDF) . Вашингтон, округ Колумбия: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Отдел истории НАСА. стр. 6. Получено 11 июня 2022 г.
  13. ^ "Газодинамическая лаборатория (на русском языке)". История российской советской космонавтики . Получено 10 июня 2022 г. .
  14. ^ Черток, Борис (31 января 2005 г.). Ракеты и люди (том 1, ред.). Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. стр. 164–165 . Получено 29 мая 2022 г.
  15. ↑ Глушко, Валентин (1 января 1973 г.). Развитие ракетно-космической техники в СССР. Издательство «Новости-Пресс». С. 12–13.
  16. ^ "Зонд 1". Координированный архив космических научных данных НАСА . НАСА . Получено 28 февраля 2024 г.
  17. ^ LePage, Andrew (28 апреля 2014 г.). «…Попробуйте, попробуйте еще раз». The Space Review . Получено 28 февраля 2024 г.
  18. ^ Щепетилов, ВА (декабрь 2018 г.). «Разработка электрореактивных двигателей в Курчатовском институте атомной энергии». Physics of Atomic Nuclei . 81 (7): 988–999 . Получено 28 февраля 2024 г.
  19. ^ Администратор abc , NASA Content (14 апреля 2015 г.). «Вклад Гленна в Deep Space 1». NASA .
  20. ^ Cybulski, Ronald J.; Shellhammer, Daniel M.; Lovell, Robert R.; Domino, Edward J.; Kotnik, Joseph T. (1965). «Результаты летных испытаний ионной ракеты SERT I» (PDF) . NASA . NASA-TN-D-2718.
  21. ^ NASA Glenn, "SPACE ELECTRIC ROCKET TEST II (SERT II)" Архивировано 27 сентября 2011 г. на Wayback Machine (доступ 1 июля 2010 г.)
  22. ^ SERT Архивировано 25 октября 2010 г. на странице Wayback Machine в Astronautix (дата обращения 1 июля 2010 г.)
  23. ^ "ПРОЕКТ ДЭДАЛ: ДВИГАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА Часть 1; Теоретические соображения и расчеты. 2. ОБЗОР НОВЕЙШИХ ДВИГАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ". Архивировано из оригинала 28 июня 2013 г.
  24. ^ de Selding, Peter B. (20 июня 2013 г.). «Спутники с электроприводом в моде». SpaceNews . Получено 6 февраля 2015 г.
  25. ^ ДеФеличе, Дэвид (18 августа 2015 г.). «Ионное движение». NASA . Получено 31 января 2023 г.
  26. ^ "Отечественные электроракетные двигатели сегодня". Новости космонавтики. 1999. Архивировано из оригинала 6 июня 2011.
  27. ↑ NASA, Tethers In Space Handbook, под редакцией ML Cosmo и EC Lorenzini, третье издание, декабрь 1997 г. (дата обращения: 20 октября 2010 г.); см. также версию на сайте NASA MSFC; доступно на scribd
  28. ^ "Почему 'электромагнитный релятивистский привод' Шойера является мошенничеством" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 25 августа 2014 года.

Внешние ссылки