Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Холловский двигатель мощностью 6 кВт работает в Лаборатории реактивного движения НАСА

Электрический ракетный двигатель система использует электрическую, и , возможно , также магнитные поля, чтобы изменить скорость движения космического аппарата . Большинство из этих видов двигательных систем космических кораблей работают за счет электрического вытеснения топлива ( реакционной массы ) с высокой скоростью. [1]

Электрические двигатели обычно используют гораздо меньше топлива, чем химические ракеты, потому что они имеют более высокую скорость истечения (работают с более высоким удельным импульсом ), чем химические ракеты. [2] Из-за ограниченной электрической мощности тяга намного слабее по сравнению с химическими ракетами, но электрическая тяга может обеспечивать тягу в течение более длительного времени. [3]

Электродвигатели - это зрелая и широко используемая технология на космических кораблях. Российские спутники десятилетиями использовали электрические двигатели. [4] По состоянию на 2019 год более 500 космических аппаратов, эксплуатируемых по всей Солнечной системе, использовали электрическую тягу для поддержания станции , подъема на орбиту или основного двигателя. [5] В будущем самые продвинутые электрические двигатели могут создавать дельта-v в 100 км / с, чего достаточно, чтобы доставить космический корабль к внешним планетам Солнечной системы (с ядерной энергией ), но недостаточно для межзвездных путешествий . [2] [6]Электрическая ракета с внешним источником энергии (передаваемой через лазер на фотоэлектрические панели ) имеет теоретическую возможность для межзвездного полета . [7] [8] Однако электрическая тяга не подходит для запусков с поверхности Земли, так как тяга для таких систем слишком мала.

История [ править ]

Идея электрического двигателя для космических кораблей возникла в 1911 году, изложена в публикации Константина Циолковского . [9] Ранее Роберт Годдард отмечал такую ​​возможность в своей личной записной книжке. [10]

Электроэнергетическая двигательная установка с ядерным реактором была рассмотрена доктором Тони Мартином для межзвездного проекта «Дедал» в 1973 году, но новый подход был отклонен из-за очень низкой тяги , тяжелого оборудования, необходимого для преобразования ядерной энергии в электричество, и, как следствие, небольшого размера. ускорение , которое потребовало бы столетия для достижения желаемой скорости. [11]

Демонстрацией электрического движения был ионный двигатель, установленный на борту космического корабля SERT-1 (Space Electric Rocket Test) [12] [13], запущенного 20 июля 1964 года и проработавшего 31 минуту. [12] Последующая миссия, запущенная 3 февраля 1970 года, SERT-2, несла два ионных двигателя, один работал более пяти месяцев, а другой - почти три месяца. [12] [14] [15]

К началу 2010-х годов многие производители спутников предлагали на своих спутниках электрические двигательные установки - в основном для управления ориентацией на орбите - в то время как некоторые операторы коммерческих спутников связи начали использовать их для вывода на геосинхронную орбиту вместо традиционных химических ракетных двигателей . [16]

Типы [ править ]

Ионные и плазменные приводы [ править ]

Эти типы реактивных двигателей типа ракет используют электрическую энергию для получения тяги от топлива, переносимого с транспортным средством. В отличие от ракетных двигателей, эти типы двигателей не обязательно имеют ракетные сопла , и поэтому многие типы не считаются настоящими ракетами. [ необходима цитата ]

Электродвигатели для космических аппаратов можно разделить на три семейства в зависимости от типа силы, используемой для ускорения ионов плазмы:

Электростатический [ править ]

Основная статья: Ионный двигатель

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

  • Сетевой ионный двигатель
    • Готовность к применению солнечной технологии НАСА (NSTAR)
    • HiPEP
    • Радиочастотный ионный двигатель
  • Двигатель Холла
    • SPT - Стационарный плазменный двигатель
    • TAL - Двигатель с анодным слоем
  • Коллоидно-ионный двигатель
  • Автоэмиссионная электрическая тяга
  • Двигатель для извлечения поля наночастиц

Электротермический [ править ]

К электротермической категории относятся устройства, в которых электромагнитные поля используются для генерации плазмы для повышения температуры основной массы топлива. Тепловая энергия, сообщаемая газу-вытеснителю, затем преобразуется в кинетическую энергию соплом из твердого материала или магнитных полей. Газы с низким молекулярным весом (например, водород, гелий, аммиак) являются предпочтительными пропеллентами для такого типа систем.

Электротермический двигатель использует сопло для преобразования тепла газа в линейное движение его молекул, так что это настоящая ракета, даже если энергия, производящая тепло, исходит от внешнего источника.

Характеристики электротермических систем с точки зрения удельного импульса (Isp) несколько скромны (от 500 до ~ 1000 секунд), но они превышают характеристики двигателей на холодном газе , монотопливных ракет и даже большинства двухкомпонентных ракет . В СССР электротермические двигатели применялись с 1971 г .; советский « Метеор-3 », «РЕСУРС-O» спутник серии «Метеор-Природа» и русский «Elektro» спутник оборудованы с ними. [17] Электротермические системы Aerojet (MR-510) в настоящее время используются на спутниках Lockheed Martin A2100, использующих гидразин в качестве топлива.

  • Arcjet
  • СВЧ-дуговая струя
  • Resistojet
  • Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом (ВАЗИМР)

Электромагнитный [ править ]

Основная статья: Плазменный двигатель

Если ионы ускоряются силой Лоренца или действием электромагнитных полей, когда электрическое поле не направлено в сторону ускорения, устройство считается электромагнитным.

  • Безэлектродный плазменный двигатель
  • Магнитоплазмодинамический двигатель
  • Импульсный индуктивный двигатель
  • Импульсный плазменный двигатель
  • Двухслойный двигатель Helicon

Неионные приводы [ править ]

Фотонный [ править ]

Фотонный драйв не вытесняет материю для реакционной тяги, только фотоны. См. Лазерное движение , Фотонный лазерный двигатель , Фотонная ракета .

Электродинамический трос [ править ]

Основная статья: Электродинамический трос

Электродинамические тросы представляют собой длинные проводящие провода, такие как провод, развернутый от спутника троса , который может работать на электромагнитных принципах как генераторы , преобразовывая свою кинетическую энергию в электрическую , или как двигатели , преобразовывая электрическую энергию в кинетическую энергию. [18] Электрический потенциал генерируется через проводящий трос в результате его движения через магнитное поле Земли. Выбор металлического проводника для электродинамического троса определяется множеством факторов. Первичные факторы обычно включают высокую электропроводность и низкую плотность.. Вторичные факторы, в зависимости от области применения, включают стоимость, прочность и температуру плавления.

Спорный [ править ]

Было предложено несколько методов движения, где неясно, могут ли они работать в соответствии с понятными в настоящее время законами физики, в том числе: [19]

  • Квантовый вакуумный двигатель
  • EM Drive или Cannae Drive

Устойчивый против неустойчивого [ править ]

Электродвигательные установки также можно охарактеризовать как установившиеся (непрерывная работа в течение заданной продолжительности) или нестационарные (импульсные зажигания, накапливающиеся до желаемого импульса ). Однако эти классификации не являются уникальными для электрических силовых установок и могут применяться ко всем типам двигательных установок.

Динамические свойства [ править ]

Дополнительная информация: Двигатель реакции § Использование энергии

Ракетные двигатели с электрическим приводом обеспечивают меньшую тягу по сравнению с химическими ракетами на несколько порядков из-за ограниченной электрической мощности, которую можно обеспечить в космическом корабле. [3] Химическая ракета передает энергию непосредственно продуктам сгорания, тогда как электрическая система требует нескольких шагов. Однако высокая скорость и меньшая реактивная масса, затрачиваемая на ту же тягу, позволяет электрическим ракетам работать в течение длительного времени. Это отличается от типичного космического корабля с химическим двигателем, где двигатели работают только в короткие промежутки времени, в то время как космический корабль в основном следует по инерционной траектории.. Находясь рядом с планетой, двигательная установка с малой тягой может не компенсировать гравитационное притяжение планеты. Электрический ракетный двигатель не может обеспечить достаточную тягу, чтобы поднять транспортное средство с поверхности планеты, но низкая тяга, прикладываемая в течение длительного периода времени, может позволить космическому кораблю маневрировать рядом с планетой.

См. Также [ править ]

  • Магнитный парус , предлагаемая система, работающая от солнечного ветра от Солнца или любой звезды.
  • Список космических аппаратов с электрической двигательной установкой , список прошлых и предлагаемых космических аппаратов, в которых использовалась электрическая тяга.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Mazouffre, Stéphane (1 июня 2016). «Электродвигатели для спутников и космических кораблей: отработанные технологии и новые подходы». Наука и технологии источников плазмы . 25 (3): 033002. DOI : 10,1088 / 0963-0252 / 25/3/033002 . ISSN  0963-0252 .
  2. ^ Б Choueiri, Эдгар Y. (2009) Новый рассвет электрической ракеты Scientific American 300, 58-65 DOI : 10.1038 / scientificamerican0209-58
  3. ^ а б «Электрическая против химического движения» . Электродвигатель космического корабля . ЕКА . Проверено 17 февраля 2007 года .
  4. ^ Исследования электродвигателя в Институте фундаментальных технологических исследований
  5. ^ Лев, Дан; Майерс, Роджер М .; Леммер, Кристина М .; Кольбек, Джонатан; Коидзуми, Хироюки; Пользин, Курт (июнь 2019). «Технологическое и коммерческое расширение электродвигателя». Acta Astronautica . 159 : 213–227. DOI : 10.1016 / j.actaastro.2019.03.058 .
  6. ^ Choueiri, Эдгар Y. (2009). Новая заря электрической ракеты
  7. ^ Laser-Powered Interstellar Probe G Landis - APS Bulletin, 1991
  8. ^ Джеффри А. Лэндис. Межзвездный зонд с лазерным приводом. Архивировано 22 июля 2012 года на Wayback Machine на космическом корабле Джеффри А. Лэндис: Наука. документы доступны в сети
  9. ^ Палашевский, Брайан. «Электродвигатель для будущих космических миссий (PowerPoint)» . Электродвигатель для будущих космических полетов . Исследовательский центр Гленна НАСА . Источник +31 декабре +2011 .
  10. ^ Choueiri, Эдгар Y. (2004). «Критическая история электрического движения: первые 50 лет (1906–1956)» . Журнал движения и мощности . 20 (2): 193–203. CiteSeerX 10.1.1.573.8519 . DOI : 10.2514 / 1.9245 . 
  11. ^ ПРОЕКТ ДАЕДАЛ: СИСТЕМА ДВИЖЕНИЯ Часть 1; Теоретические соображения и расчеты. 2. ОБЗОР УЛУЧШЕННЫХ ДВИГАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ. Архивировано 28 июня 2013 г. на Wayback Machine.
  12. ^ a b c Вклад Гленна в НАСА в глубокий космос 1
  13. ^ Cybulski, Рональд Дж .; Shellhammer, Daniel M .; Ловелл, Роберт Р .; Домино, Эдвард Дж .; Котник, Джозеф Т. (1965). «Результаты летных испытаний ионной ракеты SERT I» (PDF) . НАСА . НАСА-TN-D-2718.
  14. ↑ NASA Glenn, «SPACE ELECTRIC ROCKET TEST II (SERT II)». Архивировано 27 сентября 2011 г. на Wayback Machine (доступ к 1 июля 2010 г.)
  15. ^ SERT Архивировано 25 октября 2010 г. настранице Wayback Machine в Astronautix (по состоянию на 1 июля 2010 г.)
  16. ^ де Селдинг, Питер Б. (20 июня 2013 г.). "Спутники с электродвигательной установкой - все в ярости" . SpaceNews . Дата обращения 6 февраля 2015 .
  17. ^ "Родные электрические двигатели сегодня" (на русском языке). Новости Космонавтики. 1999. Архивировано из оригинала 6 июня 2011 года.
  18. ↑ NASA, Tethers In Space Handbook , под редакцией ML Cosmo и EC Lorenzini, Третье издание, декабрь 1997 г. (по состоянию на 20 октября 2010 г.); см. также версию в NASA MSFC ; доступно на scribd
  19. ^ «Почему« электромагнитная теория относительности »Шоуера является мошенничеством» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 25 августа 2014 года.
  • Aerospace America, публикация AIAA, декабрь 2005 г., раздел «Двигательные установки и энергия», стр. 54–55, автор: Митчелл Уокер.

Внешние ссылки [ править ]

  • Лаборатория реактивного движения НАСА
  • Технологическое и коммерческое расширение электродвигателей - Д. Лев и др. [1]
  • Электрический (ионный) двигатель , Университетский центр атмосферных исследований, Университет Колорадо в Боулдере, 2000 г.
  • Распределенная энергетическая архитектура для электрического движения
  • Choueiri, Эдгар Ю. (2009). Новая заря электрической ракеты
  • Роберт Дж. Ян и Эдгар Ю. Чуэири. Электродвигатель
  • Лаборатория электрического движения и плазменной инженерии (CEPPE) государственного университета Колорадо
  • Стационарные плазменные двигатели (PDF)
  • https://web.archive.org/web/20090530080218/http://www.daviddarling.info/encyclopedia/E/electricprop.html
  • [2]
  • Критическая история электрического движения ： Первые пятьдесят лет (1906–1956) - AIAA-2004-3334