Sistemul de propulsie al unei nave spațiale este un sistem al unei nave spațiale care asigură accelerația acesteia . Transformă diferite tipuri de energie în energie mecanică, în timp ce atât sursele de energie, cât și metodele de conversie în sine pot diferi; fiecare metodă are avantajele și dezavantajele ei, cercetarea și căutarea de noi opțiuni continuă până în prezent.
Cel mai comun tip de sistem de propulsie a navelor spațiale este motorul de rachetă chimic , în care gazul curge cu viteză mare dintr -o duză Laval . În plus, instalațiile de rachete fără ardere a combustibilului, inclusiv motoarele de rachete electrice și altele, au devenit larg răspândite. Motoarele promițătoare sunt instalații bazate pe o velă solară .
După lansarea navei în spațiu , poziția sa în spațiu trebuie corectată. În stadiul inițial, acest lucru se poate datora necesității de a transfera aparatul pe o orbită sau traiectorie dată, precum și pentru a asigura iluminarea maximă a panourilor solare , directivitatea antenelor și a sistemelor de observare. În viitor, pot fi efectuate manevre orbitale [1] , asociate atât cu utilizarea aparatului în scopul propus, cât și cauzate de necesitate tehnică, de exemplu, în cazul sustragerii de la alte obiecte [2] . Sistemele LEO, de altfel, sunt supuse frânării de către atmosferă, motiv pentru care menținerea pe o perioadă îndelungată a orbitei lor necesită ca aparatul să aibă un sistem de propulsie [3] . După ce posibilitățile de manevră sunt epuizate, perioada de viață activă a dispozitivului se consideră încheiată.
Sarcina sistemului de propulsie al vehiculelor interplanetare poate fi accelerarea la a doua viteză spațială (uneori se folosește ultima etapă a vehiculului de lansare pentru aceasta ). Corectarea traiectoriei se realizează de obicei printr-o serie de porniri scurte ale motorului, între care dispozitivul se află în zbor liber. Cel mai eficient mod de a muta o navă spațială de pe o orbită circulară pe alta este o orbită de transfer eliptică care este tangentă la ambele orbite circulare. Pentru a-l forma, în secțiunea inițială se utilizează o serie de accelerații, iar în secțiunea finală o serie de decelerații, în restul timpului dispozitivul se deplasează prin inerție [4] . Uneori se folosesc metode speciale pentru frânare – de exemplu, datorită rezistenței aerodinamice a atmosferei planetei [5] .
Unele tipuri de sisteme de propulsie, cum ar fi motoarele electrice cu rachete sau vele solare [6] , asigură o mică creștere a vitezei în timpul acțiunii pe termen lung. În acest caz, traiectoria vehiculului interplanetar va fi diferită: accelerație constantă în prima parte a traseului și decelerație constantă în a doua. Vela solară ca elice a fost testată cu succes pe aparatul japonez IKAROS [7 ] .
Călătoria interstelară necesită, de asemenea, propriile sisteme de propulsie. În prezent, astfel de dispozitive nu există, dar posibilele lor opțiuni sunt în discuție. Distanța până la cele mai apropiate stele de Soare este extrem de mare, iar atingerea obiectivului într-un timp rezonabil necesită o viteză mare de zbor. Accelerarea și decelerația unei nave spațiale interstelare nu este o sarcină ușoară pentru designeri. [opt]
Sarcina principală a sistemului de propulsie este schimbarea vitezei navei spațiale. Deoarece energia necesară pentru aceasta depinde de masa aparatului, proiectanții folosesc conceptul de impuls , care este egal cu produsul dintre masă și viteză [9] . Astfel, sistemul de propulsie modifică impulsul navei spațiale.
Pentru vehiculele al căror sistem de propulsie funcționează pe locul de lansare (ca, de exemplu, în sistemul de transport al navetei spațiale ), metoda aleasă de accelerare ar trebui să asigure depășirea gravitației Pământului - dați vehiculului prima viteză de evacuare [10] , care pentru Pământul are aproximativ 7,9 km/s. Când se deplasează în jurul planetei, impactul sistemului de propulsie duce la o schimbare a orbitei aparatului.
Atingerea vitezei stabilite poate fi asigurată prin perioade scurte de comutare a sistemului de propulsie la accelerații mari sau prin perioade lungi de comutare cu accelerații reduse. În același timp, a doua metodă este de puțin folos pentru lansarea aparatului în spațiu, deoarece necesită costuri exorbitante de energie pentru a depăși gravitația planetară. Cu toate acestea, un corp lansat în spațiu în stadiul inițial al traiectoriei poate, ca un avion, să folosească forța de susținere a aripii până când ajunge la straturi mai puțin dense ale atmosferei.
O persoană este obișnuită cu efectul gravitației, caracterizat printr-o accelerație a căderii libere de aproximativ 9,8 m / s², sau 1 g. Pentru un vehicul cu pilot, un sistem de propulsie ideal ar fi un sistem care asigură o accelerație constantă egală cu această valoare, care ar elimina fenomene neplăcute pentru echipaj: greață, slăbiciune musculară, scurgerea calciului din țesutul osos, pierderea gustului. Cu toate acestea, este dificil să se asigure o astfel de accelerare: în timpul lansării, aceasta ar duce la un consum ineficient de combustibil, iar în spațiu nu ar corespunde sarcinilor principale ale aparatului sau ar duce la un timp de zbor prea lung.
Legea conservării impulsului afirmă că atunci când impulsul unei nave spațiale se modifică, impulsul altuia trebuie să se schimbe pentru ca impulsul total al sistemului să fie constant. Pentru sistemele de propulsie care utilizează energia câmpurilor magnetice sau a presiunii ușoare, această problemă nu există, dar majoritatea navelor spațiale sunt forțate să aibă la bord o sursă de fluid de lucru , din cauza respingerii căreia impulsul aparatului în sine se poate schimba. Sistemele de propulsie care funcționează pe acest principiu se numesc reactive .
Pentru a accelera fluidul de lucru, este nevoie de energie, care poate fi obținută din diverse surse. În motoarele de rachetă cu combustibil solid , lichid și hibrid , energia este eliberată în timpul reacției chimice a componentelor, iar fluidul de lucru este gazul rezultat, care curge din duză sub presiune înaltă. Într -un motor cu ioni , energia electrică este utilizată pentru a accelera particulele fluidului de lucru, obținute din panouri solare , o centrală nucleară sau din alte surse. [zece]
La evaluarea eficienței sistemelor de propulsie cu reacție, se utilizează conceptul de impuls specific , care este egal cu raportul dintre impulsul generat și debitul fluidului de lucru. În sistemul SI, impulsul specific are dimensiunea „metru pe secundă”, dar în practică dimensiunea sistemului MKGSS - „secunda” este mai des folosită.
Un impuls specific mai mare corespunde unei viteze mai mari de expirare a fluidului de lucru, totuși, energia necesară pentru a accelera fluidul de lucru este proporțională cu pătratul vitezei, datorită căreia, odată cu creșterea impulsului specific, energia eficiența sistemului de propulsie scade. Acesta este un dezavantaj al motoarelor de mare putere, ceea ce are ca rezultat majoritatea motoarelor cu impuls specific ridicat cu tracțiune scăzută, cum ar fi motoarele electrice cu rachete.
Sistemele de propulsie sunt împărțite în mai multe tipuri în funcție de principiile fizice care stau la baza acestora.
Sistemul de propulsie cu reacție modifică viteza navei spațiale prin aruncarea fluidului de lucru. În acest caz, mișcarea aparatului respectă legea conservării impulsului și consecințele acesteia.
Exemple de motoare cu reacție sunt motoarele cu rachetă, inclusiv cele electrice, motoarele care utilizează gaz comprimat și variantele exotice bazate pe amplificatoare electromagnetice . La locul de lansare, navele spațiale pot folosi motoare cu reacție alimentate de oxigenul atmosferic.
Motor de rachetă chimicMajoritatea motoarelor rachete sunt motoare cu ardere internă . Fluidul de lucru din ele este un gaz fierbinte, care se formează prin reacția combustibilului cu un oxidant în camera de ardere.l. În unele cazuri, una sau mai multe componente sunt folosite drept combustibil. Produșii unei reacții chimice din camera de ardere intră în duza Laval, ceea ce asigură conversia maximă a energiei termice în energie cinetică . Viteza de ieșire a gazului este de obicei de zece ori mai mare decât viteza sunetului la nivelul mării.
Motoarele de rachete chimice sunt cele mai puternice dintre toate tipurile de motoare de nave spațiale. Ele sunt folosite, printre altele, la lansarea vehiculelor în spațiu.
Proiectul de motor al rachetei ionice implică încălzirea unei plasme sau a unui gaz ionizat în interiorul unei „ sticle magnetice ” și eliberarea acesteia printr-o „ duză magnetică ”. În acest caz, plasma nu intră în contact cu părți ale aparatului. Crearea unui astfel de motor este o sarcină extrem de dificilă, dar principiile sale sunt deja folosite în fizica nucleară sau sunt testate în laborator.
Motor rachetă electricPe lângă accelerarea fluidului de lucru datorită forțelor gaz-dinamice, este posibil să se folosească acțiune directă asupra particulelor acestuia. Pentru aceasta, se folosesc forțe electromagnetice și, de regulă, gazul este ales ca fluid de lucru. Datorită energiei electrice, gazul este mai întâi ionizat, apoi accelerat de un câmp electric și ejectat din motor la turație mare.
Posibilitatea creării unui astfel de motor în 1906 a fost menționată pentru prima dată de Robert Goddard în caietul său [11] . În 1911, o idee similară a fost publicată de Konstantin Ciolkovski .
Pentru motoarele electrice cu rachete, eficiența energetică este invers proporțională cu viteza de curgere a fluidului de lucru și cu forța generată. Din această cauză, odată cu dezvoltarea modernă a energiei, sistemele de propulsie de acest tip sunt de putere redusă, dar în același timp consumă o cantitate foarte mică din fluidul de lucru.
Când zboară la distanțe relativ apropiate de Soare, energia pentru motoarele electrice de rachetă poate fi obținută folosind panouri solare. Când zburați în spațiul adânc, este necesar să utilizați o altă sursă de energie - de exemplu, un reactor nuclear .
Capacitățile centralei electrice sunt principalul factor limitator în utilizarea motoarelor electrice cu rachete, deoarece, odată cu cantitatea de energie generată, crește și masa instalației în sine, ceea ce crește masa navei spațiale și forța necesară pentru aceasta. accelerare.
Centralele nucleare existente au aproximativ jumătate din greutatea celulelor solare de aceeași putere atunci când funcționează în vecinătatea orbitei pământului. Generatoarele chimice nu sunt utilizate din cauza timpilor de funcționare mai scurti. Una dintre opțiunile promițătoare pentru alimentarea cu energie a navelor spațiale este transferul de energie sub formă de fascicul, dar pierderile prin împrăștiere fac această metodă nepotrivită pentru zborurile pe distanțe lungi.
Motoarele electrice pentru rachete includ:
În propulsoarele electrotermale și electromagnetice, ionii și electronii sunt accelerați simultan, eliminând necesitatea neutralizării fluxului.
Legea conservării impulsului stabilește că este imposibil să se schimbe poziția centrului de masă al navei spațiale fără a arunca corpul de lucru. Cu toate acestea, forțele gravitaționale, câmpurile magnetice și radiația solară acționează în spațiu. Pe utilizarea lor se bazează mai multe sisteme de propulsie, dar datorită distribuției acestor forțe în spațiu, instalațiile sunt mari.
Există mai multe motoare care nu necesită un fluid de lucru sau necesită o cantitate extrem de mică din acesta. Acestea includ sisteme de prindere [12] , pânze solare care folosesc o presiune ușoară și pânze magnetice care reflectă vântul solar folosind un câmp magnetic.
Nava spațială respectă legea conservării momentului unghiular , prin urmare, în loc să se rotească în jurul centrului de masă, o parte a acestui aparat care se rotește în direcția opusă poate fi folosită ca sistem de propulsie. Acest lucru nu necesită consumul de fluid de lucru, cu toate acestea, aparatul este afectat de forțe externe, de exemplu, gravitaționale sau aerodinamice [13] , care necesită periodic „descărcarea” sistemului de propulsie principal într-un mod diferit, de exemplu , din cauza motoarelor cu reacție. Implementarea acestui principiu sunt giroscoape de putere (gyrodynes). [paisprezece]
Un alt mod de a folosi câmpul gravitațional al planetei este un motor inerțial. Se bazează pe modificarea momentului de inerție al aparatului în diferite părți ale orbitei, totuși, pentru a obține un efect tangibil, dimensiunile sistemului trebuie să fie suficient de mari.
De asemenea, pentru a schimba traiectoria navei spațiale, se folosește o manevră gravitațională . În acest caz, gravitația corpurilor cerești este folosită pentru accelerare sau decelerare. [15] Când se utilizează un motor rachetă, eficiența manevrei gravitaționale poate fi crescută.
Există mai multe variante ipotetice ale sistemelor de propulsie a navelor spațiale bazate pe noi principii fizice și, posibil, neimplementate în practică. Până acum, sunt de interes deosebit următoarele:
Mai jos este un tabel de comparație a diferitelor tipuri de sisteme de propulsie, inclusiv opțiuni dovedite și ipotetice.
Prima coloană conține impulsul specific (egal cu viteza de curgere a fluidului de lucru) sau valoarea echivalentă a acestuia pentru motoarele nereactive, a doua coloană este forța motorului, a treia este timpul de funcționare a motorului, a patra este maximul creșterea vitezei (pentru un sistem cu o singură treaptă), în timp ce:
A cincea coloană indică nivelul de pregătire pentru tehnologie:
| Tip de | Impuls specific echivalent (km/s) |
Impingerea ( N ) |
Timp de lucru |
Max. creșterea vitezei (km/s) |
Nivelul de pregătire |
|---|---|---|---|---|---|
| Motor rachetă cu combustibil solid | 1-4 | 10 3 — 10 7 | minute | ~ 7 | 9 |
| Motor de rachetă hibrid | 1,5—4,2 | <0,1 — 10 7 | minute | > 3 | 9 |
| Motor rachetă monocomponent | 1-3 | 0,1 - 100 | milisecunde/minute | ~ 3 | 9 |
| Motor rachetă cu combustibil lichid | 1,0—4,7 | 0,1 - 10 7 | minute | ~9 | 9 |
| motor ionic | 15 - 210 [17] | 10 -3 - 10 | luni/ani | > 100 | 9 |
| motor cu efect hall | 8-50 | 10 -3 - 10 | luni/ani | > 100 | 9 [18] |
| Motor rachetă cu rezistență | 2-6 | 10 -2 - 10 | minute | ? | 8 [19] |
| Motor rachetă electric termic | 4-16 | 10 -2 - 10 | minute | ? | opt |
| Motor rachetă electrostatic | 100 [20] - 130 | 10 −6 [20] — 10 −3 [20] | luni/ani | ? | 8 [20] |
| Unitate cu plasmă pulsatorie | ~ 20 | ~0,1 | ~2000-10000 h | ? | 7 |
| motor rachetă cu două moduri | 1—4.7 | 0,1 - 10 7 | milisecunde/minute | ~ 3 - 9 | 7 |
| velă solară | 300.000 (presiune ușoară) 145-750 ( vânt solar ) |
9 la 1 a. e. 230 la 0,2 a. e. 10 −10 pe 4 St. ani (pentru o velă de 1 km²) |
nelimitat | > 40 | 9, 6, 5 |
| Motor de rachetă cu trei căi | 2,5—5,3 | 0,1 - 10 7 | minute | ~9 | 6 [21] |
| Motor magnetoplasmoddinamic | 20-100 | 100 | săptămâni | ? | 6 [22] |
| motor de rachetă nucleară | 9 [23] | 10 7 [23] | minute [23] | > ~ 20 | 6 |
| Accelerator electromagnetic | 0 - ~30 | 10 4 — 10 8 | luni | ? | 6 |
| Sistem de frânghie | — | 1—10 12 | minute | ~ 7 | 7 [24] |
| motor ramjet | 5-6 | 0,1 - 10 7 | secunde/minute | > 7? | 6 [25] [26] |
| Motor de lichefiere a aerului atmosferic | 4.5 | 10 3 — 10 7 | secunde/minute | ? | 6 |
| Motor inductiv cu pulsații | 10–80 [27] | douăzeci | luni | ? | 5 [27] |
| Rachetă electromagnetică de amplificare | 10-300 | 40 - 1.200 | zile/luni | > 100 | 5 |
| Motor cu plasmă | 10-130 | 0,1-1 | zile/luni | > 100 | 5 |
| motor de rachetă solară | 7-12 | 1 - 100 | săptămâni | > ~ 20 | 4 [28] |
| motor de rachetă cu radioizotopi | 7-8 | 1,3 - 1,5 | luni | ? | patru |
| Motor de rachetă electric nuclear | variabil | variabil | variabil | ? | patru |
| Proiectul „Orion” („exploziv nuclear”) | 20-100 | 10 9 — 10 12 | câteva zile | ~ 30-60 | 3 [29] [30] |
| lift spațial | — | — | nelimitat | > 12 | 3 |
| Motor rachetă SABRE | 30/4.5 | 0,1 - 10 7 | minute | 9.4 | 3 |
| Velă magnetică | 145-750 | 70/40 tone [31] | nelimitat | ? | 3 |
| Mini propulsor cu plasmă magnetosferică | 200 | ~1 N/kW | luni | ? | 3 [32] |
| Motor cu fascicul (laser). | variabil | variabil | variabil | ? | 3 |
| Lansare buclă / punte spațială | — | ~10 4 | minute | ≫ 11 - 30 | 2 |
| Proiectul Daedalus | 20-1000 | 10 9 — 10 12 | ani | ~ 15.000 | 2 |
| Motor cu reacție nuclear în fază gazoasă | 10-20 | 10 3 — 10 6 | ? | ? | 2 |
| Motor de rachetă nucleară pe o soluție omogenă de săruri de combustibil nuclear | 100 | 10 3 — 10 7 | jumatate de ora | ? | 2 |
| Navigați pe particule de degradare nucleară | ? | ? | ? | ? | 2 |
| Motor de rachetă alimentat de particule de fisiune nucleară | 15.000 | ? | ? | ? | 2 |
| Motor fotonic | 300 000 | 10 -5 - 1 | ani/decenii | ? | 2 |
| Motor de rachetă cu fuziune | 100-1000 | ? | ? | ? | 2 |
| Motor de rachetă cu impuls nuclear catalitic cu antimaterie | 200-4000 | ? | zilele săptămânii | ? | 2 |
| ramjet interstelar Bassard | 2,2–20.000 | ? | nelimitat | ~30 000 | 2 |
| motor Alcubierre | > 300.000 | ? | ? | nelimitat | 2 |
| unitate warp | > 300.000 | ? | ? | nelimitat | unu |
| Tip de | Impuls specific echivalent (km/s) |
Impingerea (N) |
Timp de lucru |
Creșterea vitezei maxime (km/s) |
Nivelul de pregătire |