Электрическая двигательная установка космического корабля (или просто электрическая двигательная установка ) — это тип метода движения космического корабля , который использует электростатические или электромагнитные поля для ускорения массы до высокой скорости и, таким образом, создания тяги 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 выхлопа (работают с более высоким удельным импульсом ), чем химические ракеты. [1] Из-за ограниченной электрической мощности тяга намного слабее по сравнению с химическими ракетами, но электрическая двигательная установка может обеспечивать тягу в течение более длительного времени. [2]
Электрическая двигательная установка была впервые продемонстрирована в 1960-х годах и в настоящее время является развитой и широко используемой технологией на космических кораблях. Американские и российские спутники десятилетиями использовали электрическую тягу. [3] По состоянию на 2019 год более 500 космических кораблей[обновлять] , эксплуатируемых по всей Солнечной системе , используют электрическую двигательную установку для удержания станции , подъема на орбиту или основного движения. [4] В будущем самые совершенные электрические двигатели смогут развивать дельта-v 100 км/с (62 мили/с), что достаточно, чтобы доставить космический корабль к внешним планетам Солнечной системы (с ядерная энергия ), но недостаточна для межзвездных путешествий . [1] [5] Электрическая ракета с внешним источником энергии (передаваемой через лазер на фотоэлектрических панелях ) имеет теоретическую возможность межзвездного полета . [6] [7] Однако электрическая двигательная установка не подходит для запусков с поверхности Земли, поскольку она обеспечивает слишком малую тягу.
На пути к Марсу корабль с электрическим приводом сможет доставить к месту назначения 70% своей первоначальной массы, тогда как химическая ракета сможет нести лишь несколько процентов. [8]
Идею электрического движения космических кораблей выдвинул в 1911 году Константин Циолковский . [9] [10] Ранее Роберт Годдард отметил такую возможность в своем личном блокноте. [11]
15 мая 1929 года советская научно-исследовательская лаборатория «Лаборатория газовой динамики» (ГДЛ) приступила к разработке электроракетных двигателей. Под руководством Валентина 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 в 1960-х годах на борту космического корабля «Восход-1» и марсианского зонда «Зонд-2» использовались электрические ракетные двигатели. [15]
Первым испытанием электродвижения стал экспериментальный ионный двигатель , установленный на борту советского космического корабля «Зонд-1» в апреле 1964 года [16] , однако он работал с перебоями, возможно, из-за проблем с зондом. [17] Космический корабль «Зонд-2» также нес шесть импульсных плазменных двигателей (ИПТ), которые служили приводами системы ориентации. Двигательная установка PPT была испытана в течение 70 минут 14 декабря 1964 года, когда космический корабль находился на высоте 4,2 миллиона километров от Земли. [18]
Первой успешной демонстрацией ионного двигателя стал космический корабль NASA SERT-1 (Space Electric Rocket Test). [19] [20] Он был запущен 20 июля 1964 года и проработал 31 минуту. [19] Последующая миссия SERT-2 стартовала 3 февраля 1970 года. На нем было два ионных двигателя, один проработал более пяти месяцев, а другой почти три месяца. [19] [21] [22]
Электрическая двигательная установка с ядерным реактором рассматривалась Тони Мартином для межзвездного проекта «Дедал» в 1973 году, но этот подход был отвергнут из-за профиля тяги , веса оборудования, необходимого для преобразования ядерной энергии в электричество, и, как следствие, небольшого ускорения . для достижения желаемой скорости потребуется столетие. [23]
К началу 2010-х годов многие производители спутников предлагали варианты электрических двигателей для своих спутников — в основном для управления ориентацией на орбите — в то время как некоторые операторы коммерческих спутников связи начали использовать их для вывода на геостационарную орбиту вместо традиционных химических ракетных двигателей . [24]
Эти типы ракетных реактивных двигателей используют электрическую энергию для получения тяги от топлива . [25]
Электрические маршевые двигатели космических аппаратов можно разделить на три семейства в зависимости от типа силы, используемой для ускорения ионов плазмы:
Если ускорение вызвано главным образом силой Кулона (т.е. приложением статического электрического поля в направлении ускорения), устройство считается электростатическим. Типы:
В электротермическую категорию входят устройства, которые используют электромагнитные поля для генерации плазмы для повышения температуры объемного топлива. Тепловая энергия, передаваемая пороховому газу, затем преобразуется в кинетическую энергию с помощью сопла из твердого материала или магнитных полей. Газы с низкой молекулярной массой (например, водород, гелий, аммиак) являются предпочтительными пропеллентами для систем такого типа.
Электротермический двигатель использует сопло для преобразования тепла в линейное движение, поэтому это настоящая ракета, хотя энергия, производящая тепло, поступает из внешнего источника.
Производительность электротермических систем с точки зрения удельного импульса (Isp) составляет от 500 до ~ 1000 секунд, но превосходит характеристики двигателей на холодном газе , монотопливных ракет и даже большинства двухкомпонентных ракет . В СССР электротермические двигатели вошли в употребление в 1971 году; Ими оснащены советские спутники серии « 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.
Электромагнитные двигатели ускоряют ионы либо силой Лоренца , либо действием электромагнитных полей, когда электрическое поле направлено не в направлении ускорения. Типы:
Фотонный привод взаимодействует только с фотонами.
Электродинамические тросы — это длинные проводящие провода, например, те, что развёрнуты с тросового спутника , которые могут работать на электромагнитных принципах как генераторы , преобразуя свою кинетическую энергию в электрическую , или как двигатели , преобразующие электрическую энергию в кинетическую энергию. [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.
Некоторые предложенные методы движения, очевидно, нарушают понимаемые в настоящее время законы физики, в том числе: [28]
Электрические двигательные установки можно охарактеризовать как устойчивые (непрерывное срабатывание в течение заданной продолжительности) или нестационарные (импульсное срабатывание, накапливающееся до желаемого импульса ). Эти классификации применимы ко всем типам маршевых двигателей.
Ракетные двигатели с электрическим приводом обеспечивают меньшую тягу по сравнению с химическими ракетами на несколько порядков из-за ограниченной электрической мощности, доступной в космическом корабле. [2] Химическая ракета передает энергию непосредственно продуктам сгорания, 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 космического корабля с химическим двигателем, двигатели которого требуют больше топлива, что требует, чтобы космический корабль в основном следовал по инерционной траектории . Находясь рядом с планетой, движение с малой тягой может не компенсировать силу гравитации. Электрический ракетный двигатель не может обеспечить достаточную тягу, чтобы поднять аппарат с поверхности планеты, но низкая тяга, приложенная в течение длительного периода времени, может позволить космическому кораблю маневрировать вблизи планеты.