Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Подруливающее устройство MPD во время испытательных стрельб

Magnetoplasmadynamic (МПД) подруливающее устройство ( MPDT ) является формой электрического ракетного двигателя , который использует силу Лоренца (силу на заряженную частице с помощью электромагнитного поля) для генерации тяги. Его иногда называют ускорителем силы Лоренца (LFA) или (в основном в Японии) дуговым двигателем MPD.

Обычно газообразный материал ионизируется и подается в камеру ускорения, где магнитное и электрическое поля создаются с помощью источника энергии. Затем частицы двигаются силой Лоренца, возникающей в результате взаимодействия между током, протекающим через плазму, и магнитным полем (которое либо прикладывается извне, либо индуцируется током) через выхлопную камеру. В отличие от химической двигательной установки, здесь не происходит сгорания топлива. Как и в случае других вариантов электрической тяги, удельный импульс и тяга увеличиваются с потребляемой мощностью, а тяга на ватт падает.

Существует два основных типа подруливающих устройств MPD: прикладное поле и собственное поле. Двигатели с приложенным полем имеют магнитные кольца, окружающие выхлопную камеру, для создания магнитного поля, в то время как двигатели с собственным полем имеют катод, проходящий через середину камеры. Прикладные поля необходимы на более низких уровнях мощности, где конфигурации собственного поля слишком слабы. Используются различные пропелленты, такие как ксенон , неон , аргон , водород , гидразин и литий , причем литий обычно является лучшим исполнителем.

По словам Эдгара Чуэири, магнитоплазмодинамические двигатели имеют входную мощность 100–500 киловатт, скорость истечения 15–60 километров в секунду, тягу 2,5–25 ньютонов и эффективность 40–60 процентов. Однако дополнительные исследования показали, что скорость выхлопа может превышать 100 километров в секунду. [1] [2]

Одно из возможных применений магнитоплазмодинамических двигателей - это главный двигательный двигатель для тяжелых грузов и пилотируемых космических аппаратов (например, двигатель для полета человека на Марс ). [1] [2]

Преимущества [ править ]

Теоретически подруливающие устройства MPD могут производить чрезвычайно высокие удельные импульсы (I sp ) со скоростью истечения до и выше110 000  м / с , что в три раза больше, чем у современных ионных двигателей на основе ксенона, и примерно в 25 раз лучше, чем у жидкостных ракет. Технология MPD также имеет потенциал для уровней тяги до 200 ньютонов (Н) (45  фунтов F ), что является самым высоким показателем для любой формы электрического движения и почти таким же высоким, как у многих межпланетных химических ракет. [ необходима цитата ] Это позволит использовать электрическую тягу в миссиях, которые требуют быстрых маневров треугольником (таких как захват на орбиту вокруг другой планеты), но с во много раз большей топливной экономичностью. [3]

Развитие [ править ]

Визуализация CGI самополевого двигателя MPD Принстонского университета с питанием от лития (из журнала Popular Mechanics)

Технология подруливающего устройства MPD была изучена академически, но коммерческий интерес был низким из-за нескольких остающихся проблем. Одна из больших проблем заключается в том, что для оптимальной работы требуется потребляемая мощность порядка сотен киловатт. Существующие энергосистемы межпланетных космических кораблей (такие как радиоизотопные термоэлектрические генераторы и солнечные батареи) неспособны производить такую ​​большую мощность. Ожидалось, что реактор НАСА « Прометей» будет вырабатывать мощность в сотни киловатт, но в 2005 году его производство было прекращено.

Проект для создания космического собирается ядерный реактор , предназначенный для генерации 600 киловатт электроэнергии началось в 1963 году и побежал на протяжении большей части 1960 - х годов в СССР . Это должно было привести в действие спутник связи, который в конце концов не получил одобрения. [4] Ядерные реакторы, вырабатывающие киловатт электроэнергии (порядка десяти раз больше, чем нынешние источники питания РИТЭГов), были выведены на орбиту СССР: RORSAT ; [5] и ТОПАЗ . [6]

Планы по разработке мегаватта масштаба ядерного реактора для использования на борту пилотируемых корабля были объявлены в 2009 году российской атомной Курчатовский институт , [7] Национальное космическое агентство Роскосмос , [8] и подтвердил президент России Дмитрий Медведев в своем обращении ноября 2009 года Федеральное Собрание . [9]

Другой план, предложенный Брэдли С. Эдвардсом , заключается в передаче энергии с земли. Этот план предусматривает использование 5 200-киловаттных лазеров на свободных электронах на 0,84 микрометра с адаптивной оптикой на земле для передачи энергии на космический корабль с приводом от MPD, где он преобразуется в электричество с помощью фотоэлектрических панелей из GaAs . Настройка длины волны лазера 0,840 мкм (1,48 эВ на один фотон) и PV панели зонной из1,43 эВ по отношению друг к другу дает расчетную эффективность преобразования 59% и расчетную плотность мощности до540 кВт / м 2 . Этого будет достаточно для питания верхней ступени MPD, возможно, для подъема спутников с LEO на GEO. [10]

Еще одна проблема с технологией MPD - это деградация катодов из-за испарения из-за высоких плотностей тока (превышающих 100 А / см 2 ). Использование смесей топлива из лития и бария и многоканальных полых катодов было показано в лаборатории как многообещающее решение проблемы эрозии катода [ цитата необходима ] .

Исследование [ править ]

Исследования двигателей MPD проводились в США, бывшем Советском Союзе , Японии, Германии и Италии. Экспериментальные прототипы были впервые запущены на советских космических кораблях и совсем недавно, в 1996 году, на японском космическом летном аппарате , который продемонстрировал успешную работу квазистационарного импульсного двигателя MPD в космосе. Исследования в Московский авиационный институт , РКК Энергия , Национальный аэрокосмический университет, Харьковский авиационный институт , Институт космических систем в университете Штутгарта , ISAS , Centrospazio , Alta SpA , Университет Осаки ,Университет Южной Калифорнии , Princeton University «s Electric Propulsion и Plasma Dynamics Lab (EPPDyL) (где MPD подруливающее исследования продолжается непрерывно с 1967 года), и НАСА центры ( Jet Propulsion Laboratory и научно - исследовательский центр Гленн ), принял решение многих проблем , связанных с производительность, стабильность и срок службы двигателей MPD.

Двигатель MPD был испытан на борту японского космического летчика в рамках EPEX (Electric Propulsion EXperiment), который был запущен 18 марта 1995 года и извлечен космическим челноком STS-72 20 января 1996 года. На сегодняшний день это единственный действующий двигатель. Двигатель MPD будет летать в космосе в качестве двигательной установки. Впервые опытные образцы были запущены на советских космических кораблях.

Применяемого поле MPD подруливающие в развитии в Институте космических систем в Университете Штутгарта достиг эффективности ракетного двигателя 61,99% в 2019 году, что соответствует удельному импульсу от I SP = 4665 сек и 2,75 N тяги. [11]

См. Также [ править ]

  • Двигатель Холла
  • Ионный двигатель
  • Магнитогидродинамика
  • Магнитный парус
  • Импульсный плазменный двигатель
  • Солнечные батареи на космических кораблях
  • Движение космического корабля
  • ВАСИМР
  • Список статей по плазме (физике)

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Choueiri, Эдгар Ю. (2009). Новая заря электрической ракеты. Двигатель нового поколения
  2. ^ Б Choueiri, Эдгар Y. (2009) Новый рассвет электрической ракеты Scientific American 300, 58-65 DOI : 10.1038 / scientificamerican0209-58
  3. ^ Курчатовский институт совместно с Роскосмосом возобновил работы по созданию ядерных источников энергии для межпланетных полетов, июнь 2009 г., (на русском языке)
  4. ↑ Спутник глобальной связи, использующий ядерную энергию. Архивировано 9 июля 2008 г. на Wayback Machine.
  5. ↑ СССР / Россия - РОРСАТ, Топаз и РИТЭГ
  6. ^ ТОПАЗ
  7. ^ Курчатовский институт совместно с Роскосмосом возобновили работы по созданию ядерных источников энергии для межпланетных полетов , июнь 2009 г., (на русском языке)
  8. ↑ Роскосмос подготовил проект пилотируемого космического корабля с ядерным двигателем , РИАН , октябрь 2009 г.
  9. ^ «Разработки в ядерной области будут активно применяться ... также для создания топливных устройств, способных обеспечить космические полеты даже к другим планетам», из Послания к Федеральному Собранию в ноябре 2009 г. [ постоянная мертвая ссылка ] .
  10. ^ Эдвардс, Брэдли К. Вестлинг, Эрик А. Космический лифт: революционная транспортная система Земля-космос. 2002, 2003 гг. До н.э. Эдвардс, Хьюстон, Техас.
  11. ^ Боксбергер, Адам; Бенке, Александр; Хердрих, Георг (2019). «Современные достижения в оптимизации рабочих режимов установившихся полевых двигателей MPD» (PDF) . Международная конференция по электродвигателям (IEPC) . IEPC-2019-585.

Внешние ссылки [ править ]

  • Choueiri, Эдгар Ю. (2009). Новая заря электрической ракеты. Двигатель нового поколения
  • Поисковая система для большого архива технических статей по исследованиям двигателей MPD
  • MPD - MagnetoPlasmaDynamic Propulsion