Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Солнечная тепловая ракета теоретическая космический аппарата двигательная система , которая будет использовать солнечную энергию , чтобы непосредственно нагревать реакционную массу , и , следовательно , не требует электрического генератора, как и большинство других форм солнечных батарей двигателей делают. Ракета должна будет нести только средства улавливания солнечной энергии, такие как концентраторы и зеркала . Нагретое топливо будет подаваться через сопло обычной ракеты для создания тяги. Тяга его двигателя будет напрямую связана с площадью поверхности солнечного коллектора и с локальной интенсивностью солнечного излучения.

В краткосрочной перспективе солнечные тепловые двигатели были предложены как для более длительного, недорогого, более эффективного использования солнца и более гибких криогенных ракет-носителей с разгонной ступенью, так и для орбитальных складов топлива . Солнечные тепловые двигатели также являются хорошим кандидатом для использования в многоразовых межорбитальных буксирах, поскольку это высокоэффективная система с малой тягой, которую можно относительно легко заправлять топливом.

Концепции солнечно-теплового дизайна [ править ]

Существуют две концепции солнечной тепловой силовой установки, различающиеся, прежде всего, методом, с помощью которого они используют солнечную энергию для нагрева топлива: [ необходима цитата ]

  • Косвенное солнечное отопление включает перекачку топлива через проходы в теплообменнике, который нагревается солнечным излучением. Концепция полости теплообменника без окон - это конструкция, основанная на таком подходе к поглощению излучения.
  • При прямом солнечном нагреве топливо подвергается прямому воздействию солнечного излучения. Концепция вращающейся кровати - одна из предпочтительных концепций прямого поглощения солнечного излучения; он предлагает более высокий удельный импульс, чем другие конструкции с прямым нагревом, за счет использования метода удерживаемой затравки ( карбид тантала или карбид гафния ). Пропеллент протекает через пористые стенки вращающегося цилиндра, забирая тепло от семян, которые удерживаются на стенках при вращении. Эти карбиды являются стабильными при высоких температурах и имеют превосходные свойства теплопередачи.

Из-за ограничений по температуре, которую выдерживают материалы теплообменника (примерно 2800 K ), конструкции с непрямым поглощением не могут достигать удельных импульсов более 900 секунд (9 кН · с / кг = 9 км / с) (или до 1000 секунд, см. ниже). Конструкции с прямым поглощением допускают более высокие температуры топлива и, следовательно, более высокие удельные импульсы, приближающиеся к 1200 секундам. Даже более низкий удельный импульс представляет собой значительное увеличение по сравнению с обычными химическими ракетами , однако, увеличение , которое может обеспечить существенный прирост полезной нагрузки (45 процента для очень LEO -До- ГЭП миссии) за счет увеличения времени поездки (14 дней по сравнению с 10 часов). [ необходима цитата ]

Мелкомасштабное оборудование было разработано и изготовлено для Лаборатории ракетного движения ВВС (AFRPL) для оценки наземных испытаний. [1] Системы с тягой от 10 до 100 Н были исследованы SART. [2]

Были предложены многоразовые орбитальные транспортные средства (OTV), иногда называемые (межорбитальными) космическими буксирами, приводимые в движение солнечными тепловыми ракетами. Концентраторы на гелиотермических буксирах менее восприимчивы к излучению в поясах Ван Аллена, чем солнечные батареи солнечных электрических ОТВ. [3]

Первоначальное подтверждение концепции было продемонстрировано в 2020 году с использованием гелия на солнечном симуляторе Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса. [4]

Горючее [ править ]

В большинстве предлагаемых конструкций солнечных тепловых ракет в качестве топлива используется водород из-за его низкой молекулярной массы, который дает отличный удельный импульс до 1000 секунд (10 кН · с / кг) при использовании теплообменников из рения. [5]

Традиционно считалось, что водород - хотя он дает отличный удельный импульс - не хранится в космосе. В ходе проектных работ в начале 2010-х годов был разработан подход к значительному уменьшению испарения водорода и к экономичному использованию небольшого остаточного продукта испарения для необходимых задач в космосе, по существу, достигая нулевого испарения (ZBO) с практической точки зрения. [6] : с. 3,4,7

Могут использоваться и другие вещества. Вода дает довольно низкую производительность 190 секунд (1,9 кН · с / кг), но требует только простого оборудования для очистки и обращения, и ее можно хранить в космосе, и это очень серьезно было предложено для межпланетного использования с использованием ресурсов на месте . [7]

Аммиак был предложен в качестве топлива. [8] Он предлагает более высокий удельный импульс, чем вода, но легко хранится, с температурой замерзания -77 градусов Цельсия и температурой кипения -33,34 ° C. Выхлопные газы диссоциируют на водород и азот, что приводит к более низкой средней молекулярной массе и, следовательно, более высокому Isp (65% водорода). [ необходима цитата ]

Архитектура солнечно-теплового двигателя превосходит архитектуры, включающие электролиз и сжижение водорода из воды более чем на порядок, поскольку для электролиза требуются мощные генераторы энергии, тогда как для дистилляции требуется только простой и компактный источник тепла (ядерный или солнечный); таким образом, скорость производства топлива, соответственно, намного выше для любой заданной начальной массы оборудования. Однако его использование зависит от наличия четких представлений о местонахождении водяного льда в Солнечной системе, особенно на лунных и астероидных телах, и такая информация неизвестна, кроме того, что ожидаются тела с поясом астероидов и дальше от Солнца. быть богатым водяным льдом. [9] [10]

Солнечно-тепловая для наземного запуска [ править ]

Солнечные тепловые ракеты были предложены [11] [ требуется полная цитата ] в качестве системы для запуска на орбиту небольшого личного космического корабля. Дизайн основан на высотном дирижабле, который использует свою оболочку для фокусировки солнечного света на трубе. Затем пропеллент, который, вероятно, будет аммиаком, пропускается для создания тяги. Возможные конструктивные недостатки включают в себя то, может ли двигатель производить достаточную тягу для преодоления сопротивления, и не откажет ли обшивка дирижабля на гиперзвуковых скоростях. Он имеет много общего с орбитальным дирижаблем, предложенным JP Aerospace .

Предлагаемые солнечно-тепловые космические системы [ править ]

По состоянию на 2010 год было сделано два предложения по использованию солнечно-тепловых двигателей в космических системах после запуска космических аппаратов.

В концепции создания низкоорбитальных (НОО) топливных складов, которые можно было бы использовать в качестве промежуточных станций для других космических кораблей, чтобы останавливаться и дозаправляться на пути к миссиям за пределами НОО, предлагалось, чтобы газообразный водород - неизбежный побочный продукт длительного хранения жидкости хранение водорода в космической среде, излучающей тепло, - может быть использовано в качестве монотоплива в солнечно-тепловой двигательной установке. Отработанный водород можно было бы продуктивно использовать как для поддержания орбитальной станции, так и для управления ориентацией , а также для обеспечения ограниченного количества топлива и тяги, которые можно было бы использовать для орбитальных маневров, чтобы улучшитьсближение с другим космическим кораблем, который должен был получить топливо со склада. [6]

Солнечные тепловые monoprop водородные двигатели являются также неотъемлемой частью конструкции криогенной следующего поколения разгонной ракеты , предложенных США компании United Launch Alliance (ULA). Advanced Common Evolved Stage (ACES) был задуман как более дешевые, более-способной и более-гибкой верхней ступени , которая будет дополнять, и , возможно , заменить, существующие ULA Centaur и ULA Delta Криогенная Второй этап транспортных средств верхней ступени (DCSS). Опция ACES Integrated Vehicle Fluids исключает все монотопливо гидразин и весь гелий.давление из космического корабля - обычно используется для ориентации и удержания станции - и вместо этого зависит от солнечно-тепловых моновинтовых двигателей, использующих отработанный водород. [6] : с. 5 [ требуется обновление ]

Жизнеспособность различных поездок с использованием солнечной тепловой тяги была исследована Гордоном Вудкоком и Дэйвом Байерсом в 2003 году. [ Требуется пояснение ] [12]

Следующим предложением в 2010-х годах был космический корабль Solar Moth, который будет использовать легкие зеркала для фокусировки солнечного излучения на солнечном тепловом двигателе. [13] [14]

См. Также [ править ]

  • Солнечная электрическая тяга
  • Ядерная тепловая ракета

Ссылки [ править ]

  1. ^ Солнечная тепловая тяга для малых космических аппаратов - Разработка и оценка инженерных систем PSI-SR-1228, издатель AIAA, июль 2005 г.
  2. ^ Веб-страница DLR Solar Thermal Propulsion of Institut für Raumfahrtantriebe Abteilung Systemanalyse Raumtransport (SART) дата = ноябрь 2006 г. Архивировано 6 июля 2007 г. на Wayback Machine
  3. ^ Джон Х. Шиллинг, Франк С. Гульчинский III. «Сравнение концепций орбитальных транспортных средств, использующих среднесрочные варианты мощности и тяги» (PDF) . Проверено 23 мая 2018 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  4. ↑ Оберхаус, Даниэль (20 ноября 2020 г.). «Ракета на солнечной энергии может стать нашим билетом в межзвездное пространство» . Проводной .
  5. ^ Ультрамет. «Передовые концепции движения - солнечная тепловая тяга» . Ультрамет . Проверено 20 июня 2012 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  6. ^ a b c Zegler, Франк; Бернард Куттер (02.09.2010). «Переход к архитектуре космического транспорта на базе депо» (PDF) . Конференция и выставка AIAA SPACE 2010 . AIAA. п. 3 . Проверено 31 марта 2017 года . отработанный водород, который испарился, оказывается наиболее известным ракетным топливом (как монотопливо в базовой солнечно-тепловой силовой установке) для этой задачи. Практическое хранилище должно выделять водород с минимальной скоростью, которая соответствует потребностям содержания станции. CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  7. ^ НАСА. «Финальный отчет о фазе 1 НИАК, занимающегося поиском роботизированных астероидов» (PDF) . НАСА . Проверено 11 марта 2021 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  8. ^ PSI. "Солнечные тепловые двигатели для малых космических аппаратов. Разработка и оценка инженерных систем" (PDF) . PSI . Проверено 12 августа 2017 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  9. ^ Zuppero, Энтони (2005). «Движение спутников Юпитера с использованием тепла и воды без электролиза или криогеники» (PDF) . Исследование космоса 2005 . Серия конференций SESI. 001 . Проверено 20 июня 2012 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  10. ^ Zuppero, Энтони. «новое топливо: топливо для объектов, сближающихся с Землей (новое топливо, использующее изобилие внеземных ресурсов для межпланетного транспорта)» . Проверено 20 июня 2012 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  11. ^ NewMars, Солнечная тепловая технология для наземного запуска? Архивировано 20 февраля 2012 года на Wayback Machine.
  12. ^ Байерс, Вудкок (2003). «Результаты оценки солнечного теплового движения, AIAA 2003-5029». AIAA. Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  13. ↑ Nick Stevens Graphics , 18 января 2018 г., по состоянию на 20 января 2019 г.
  14. ^ Характеристики ракетного двигателя как функция скорости истечения и массовой доли для различных космических аппаратов , Project Rho, по состоянию на 20 января 2019 г.

Внешние ссылки [ править ]

  • Солнечные тепловые двигатели для малых космических аппаратов - разработка и оценка инженерных систем (2005 г.)
  • Pratt & Whitney Rocketdyne выигрывает контракт на 2,2 миллиона долларов на ракетный двигатель с солнечным тепловым движением (веб-страница цитирует пресс-релиз
    от 25 июня 2008 г., Pratt & Whitney Rocketdyne )