Импульсный плазменный двигатель

Импульсный плазменный двигатель ( РРТ ), также известный как реактивный двигатель плазмы, является формой электрического движени космического летательного аппарата . ^[1] PPT обычно считаются простейшей формой электрического двигателя космического корабля и были первым видом электрического двигателя, который запускался в космос, начиная с 1964 года на двух советских зондах ( Zond 2 и Zond 3 ). ^[2] PPT являются обычно летают на космических кораблях с избытком электричества из доступной солнечной энергии.

Операция [ править ]

Принципиальная схема импульсного плазменного двигателя

Большинство ППТ используют твердый материал (обычно ПТФЭ , более известный как тефлон) в качестве топлива , хотя очень немногие используют жидкие или газообразные топлива. На первом этапе работы PPT электрическая дуга проходит через топливо, вызывая абляцию и сублимацию топлива. Тепло, выделяемое этой дугой, заставляет образовавшийся газ превращаться в плазму , тем самым создавая облако заряженного газа. Из-за силы абляции плазма перемещается с низкой скоростью между двумя заряженными пластинами ( анодом и катодом).). Поскольку плазма заряжена, топливо эффективно замыкает цепь между двумя пластинами, позволяя току течь через плазму. Этот поток электронов создает сильное электромагнитное поле, которое затем воздействует на плазму силой Лоренца , ускоряя плазму из выхлопной трубы PPT с высокой скоростью. ^[1] Его режим работы похож на рельсотрон . Пульсация возникает из-за времени, необходимого для перезарядки пластин после каждого выброса топлива, и времени между каждой дугой. Частота пульсации обычно очень высока, поэтому она создает почти непрерывную и плавную тягу. Хотя тяга очень мала, PPT может работать непрерывно в течение продолжительных периодов времени, обеспечивая большую конечную скорость.

Энергия, используемая в каждом импульсе, хранится в конденсаторе. ^[3] Изменяя время между каждым разрядом конденсатора, можно изменять тягу и потребляемую мощность PPT, что позволяет гибко использовать систему. ^[2]

Сравнение с химическим двигателем [ править ]

Уравнение для изменения скорости космического корабля задается уравнением ракеты следующим образом:

${\ displaystyle \ Delta v = v _ {\ text {e}} \ ln {\ frac {m_ {0}} {m_ {1}}}}$

куда:

${\ displaystyle \ Delta v \}$ является дельта-v - максимальное изменение скорости транспортного средства (без воздействия внешних сил),

${\displaystyle v_{\text{e}}}$- эффективная скорость истечения ( где - удельный импульс, выраженный как период времени, а - стандартная сила тяжести ),${\displaystyle v_{\text{e}}=I_{\text{sp}}\cdot g_{0}}$${\displaystyle I_{\text{sp}}}$${\displaystyle g_{0}}$

${\displaystyle \ln }$относится к функции натурального логарифма ,

${\displaystyle m_{0}}$ - начальная полная масса, включая топливо,

${\displaystyle m_{1}}$ окончательная общая масса.

PPT имеют гораздо более высокие скорости выхлопа, чем химические двигатели, но имеют гораздо меньший расход топлива. Из приведенного выше уравнения Циолковского это приводит к пропорционально более высокой конечной скорости движущегося аппарата. Скорость истечения PPT составляет порядка десятков км / с, в то время как обычная химическая двигательная установка генерирует тепловые скорости в диапазоне 2–4,5 км / с. Из-за этой более низкой тепловой скорости химические двигательные установки становятся экспоненциально менее эффективными при более высоких скоростях транспортного средства, что требует использования электрических двигателей космических кораблей, таких как PPT. Поэтому выгодно использовать электрическую двигательную установку, такую ​​как PPT, для создания высоких межпланетных скоростей в диапазоне 20–70 км / с.

Исследовательский PPT НАСА (пилотируемый в 2000 году) достиг скорости истечения 13 700 м / с, создал тягу 860 мкН и потреблял 70  Вт электроэнергии. ^[1]

Преимущества и недостатки [ править ]

PPT очень надежны из-за своей изначально простой конструкции (по сравнению с другими электрическими двигателями космических аппаратов). Как электрическая двигательная установка, PPT выигрывают от меньшего расхода топлива по сравнению с традиционными химическими ракетами, снижения стартовой массы и, следовательно, затрат на запуск, а также высокого удельного импульса, улучшающего характеристики. ^[1]

Однако из-за потерь энергии, вызванных абляцией на позднем этапе и быстрой кондуктивной теплопередачей от топлива к остальной части космического корабля, эффективность тяги (кинетическая энергия выхлопа / общая используемая энергия) очень низка по сравнению с другими формами электрического движения, при около 10%.

Использует [ редактировать ]

PPT хорошо подходят для использования на относительно небольших космических аппаратах с массой менее 100 кг (особенно CubeSats ) для таких ролей, как управление ориентацией , удержание станции , маневры по спуску с орбиты и исследование глубокого космоса. Использование PPT может удвоить срок службы этих небольших спутников без значительного увеличения сложности или стоимости из-за присущей PPT простоте и относительно низкой стоимости. ^[3]

Первое использование PPT было на советской космической станции Zond 2 30 ноября 1964 года.

PPT был запущен НАСА в ноябре 2000 года в качестве летного эксперимента на космическом корабле Earth Observing-1 . Двигатели успешно продемонстрировали способность управлять креном космического корабля и продемонстрировали, что электромагнитные помехи от импульсной плазмы не влияют на другие системы космического корабля. ^[1] Импульсные плазменные двигатели также являются областью исследований, используемых университетами для начала экспериментов с электрическими двигателями из-за относительной простоты и более низкой стоимости, связанных с PPT, в отличие от других форм электрических двигателей, таких как ионные двигатели на эффекте Холла . ^[2]

См. Также [ править ]

• Вакуумный дуговой двигатель

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• «Дизайн высокоэнергетического двухступенчатого импульсного плазменного двигателя» . Принстонский университет . Проверено 27 июня 2020 .
• "Импульсный плазменный двигатель EO1" (PDF) . Центр космических полетов Годдарда . Архивировано из оригинального (PDF) 16 июля 2011 года . Проверено 27 июня 2020 .
• Ефрем Чен. "Газовые импульсные плазменные двигатели: от искр до лазерного инициирования" (PDF) . Принстонский университет . Проверено 27 июня 2020 .
• Майкл Бретти. «Одноканальный сетевой импульсный плазменный двигатель AIS-gPPT3-1C» . Прикладные ионные системы . Проверено 27 июня 2020 .