| Motor rachetă electric | |
|---|---|
| Utilizare | |
| Dezvoltare | potrivit pentru zboruri către planetele exterioare ale sistemului solar [1] |
Caracteristici de greutate și dimensiune |
|
| Caracteristici de operare | |
Un motor electric de rachetă (EP) este un motor de rachetă , al cărui principiu de funcționare se bazează pe conversia energiei electrice în energie cinetică direcționată a particulelor [2] . Există, de asemenea, nume care includ cuvintele jet și propulsie .
Complexul, format dintr-un set de motoare de propulsie electrice, un sistem de stocare și alimentare cu fluid de lucru (SHiP), un sistem de control automat (ACS), un sistem de alimentare cu energie (EPS), se numește sistem de propulsie electrică a rachetei (EPP). ) .
Ideea de a folosi energia electrică în motoarele cu reacție pentru accelerare a apărut aproape la începutul dezvoltării tehnologiei rachetelor. Se știe că o astfel de idee a fost exprimată de K. E. Ciolkovsky . În 1916 - 1917, R. Goddard a efectuat primele experimente, iar în anii 30 ai secolului XX , unul dintre primele motoare de propulsie electrice funcționale a fost creat în URSS sub conducerea lui V.P. Glushko .
De la bun început, s-a presupus că separarea sursei de energie și a substanței accelerate ar asigura o viteză mare a curgerii fluidului de lucru (RT), precum și o masă mai mică a navei spațiale (SC) prin reducerea masei de fluidul de lucru stocat . Într-adevăr, în comparație cu alte motoare de rachetă, ERE-urile pot crește semnificativ durata de viață activă (SAS) a navei spațiale, reducând în același timp semnificativ masa sistemului de propulsie (PS), ceea ce, în consecință, vă permite să creșteți sarcina utilă sau să îmbunătățiți greutatea. și caracteristicile de dimensiune ale navei spațiale în sine [3 ] .
Calculele arată că utilizarea unui motor de propulsie electrică va face posibilă reducerea duratei unui zbor către planete îndepărtate (în unele cazuri chiar posibile astfel de zboruri) sau, cu aceeași durată de zbor, creșterea sarcinii utile.
Începând de la mijlocul anilor 1960 , testele la scară completă ale motoarelor electrice de propulsie au început în URSS și în Statele Unite , iar la începutul anilor 1970, motoarele electrice de propulsie au început să fie utilizate ca sisteme de propulsie standard.
În prezent, ERE-urile sunt utilizate pe scară largă atât în sistemele de propulsie ale sateliților Pământului, cât și în sistemele de propulsie ale navelor spațiale interplanetare.
Clasificarea EJE nu a fost stabilită, cu toate acestea, în literatura în limba rusă, este de obicei obișnuit să se clasifice EJE în funcție de mecanismul predominant de accelerare a particulelor. Distingeți următoarele tipuri de motoare :
ETD, la rândul lor, sunt împărțite în motoare de încălzire electrică (END) și motoare cu arc electric (EDD).
Propulsoarele electrostatice sunt împărțite în propulsoare ionice (inclusiv coloidale) (ID, KD) - acceleratori de particule într-un fascicul unipolar și acceleratori de particule într-o plasmă cvasi-neutră. Acestea din urmă includ acceleratoare cu o derivă de electroni închisă și o zonă de accelerație extinsă (USDA) sau scurtată (USDA). Primele sunt de obicei numite propulsoare cu plasmă staționare (SPD), denumirea se găsește și (din ce în ce mai rar) - un propulsor liniar Hall (LHD), în literatura occidentală este numit propulsor Hall . SPL-urile sunt denumite în mod obișnuit motoare de accelerație cu patul anodic (ALS).
Motoarele cu curent ridicat (magnetoplasmatic, magnetodinamic) includ motoare cu propriul câmp magnetic și motoare cu un câmp magnetic extern (de exemplu, un motor Hall final - THD).
Motoarele cu impulsuri folosesc energia cinetică a gazelor care apar atunci când un corp solid se evaporă într-o descărcare electrică.
Orice lichide și gaze , precum și amestecurile acestora, pot fi utilizate ca fluid de lucru într-un motor de propulsie electrică. Cu toate acestea, pentru fiecare tip de motor există fluide de lucru, a căror utilizare vă permite să obțineți cele mai bune rezultate. Pentru ETD, amoniacul este folosit în mod tradițional , pentru electrostatic - xenon , pentru curent mare - litiu , pentru impuls - fluoroplastic .
Dezavantajul xenonului este costul acestuia, din cauza producției anuale reduse (mai puțin de 10 tone pe an la nivel mondial), care îi obligă pe cercetători să caute alte RT-uri similare ca caracteristici, dar mai puțin costisitoare. Argonul este considerat principalul candidat de înlocuire . Este, de asemenea, un gaz inert, dar, spre deosebire de xenon, are o energie de ionizare mai mare cu o masă atomică mai mică (energia cheltuită pentru ionizare pe unitatea de masă accelerată este una dintre sursele de pierderi de eficiență ).
EJE sunt caracterizate printr-un debit scăzut de masă al RT și o viteză mare a fluxului accelerat de particule. Limita inferioară a vitezei de ieșire coincide aproximativ cu limita superioară a vitezei de ieșire a jetului motorului chimic și este de aproximativ 3.000 m/s. Limita superioară este teoretic nelimitată (în limita vitezei luminii), însă, pentru modelele avansate de motoare, se consideră o viteză care nu depășește 200.000 m/s. În prezent, pentru motoarele de diferite tipuri, viteza de evacuare de la 16.000 la 60.000 m/s este considerată optimă.
Datorită faptului că procesul de accelerare în EJE are loc la o presiune scăzută în canalul de accelerare (concentrația particulelor nu depășește 1020 particule /m³), densitatea de tracțiune este destul de scăzută, ceea ce limitează utilizarea EJE: exteriorul presiunea nu trebuie să depășească presiunea din canalul de accelerație, iar accelerația navei spațiale este foarte mică (zecimi sau chiar sutimi de g ). O excepție de la această regulă poate fi EDD pe nave spațiale mici.
Puterea electrică a unui motor de propulsie electrică variază de la sute de wați la megawați. EJE utilizate în prezent pe nave spațiale au o putere de 800 până la 2000 W.
EJE se caracterizează prin eficiență - de la 30 la 80%.
În 1964, în sistemul de control al atitudinii navei spațiale sovietice Zond-2, 6 căi de rulare cu impuls eroziv operate pe fluoroplast au funcționat timp de 70 de minute ; ciorchinii de plasmă rezultate au avut o temperatură de ~ 30.000 K și au expirat cu o viteză de până la 16 km / s (bancul de condensatori avea o capacitate de 100 μF , tensiunea de funcționare a fost de ~ 1 kV). În Statele Unite, teste similare au fost efectuate în 1968 pe nava spațială LES-6. În 1961, un motor de rachetă cu impuls de strângere al companiei americane Republic Aviation a dezvoltat o tracțiune de 45 mN la o viteză de evacuare de 10-70 km/s.
La 1 octombrie 1966, laboratorul ionosferic automat Yantar-1 a fost lansat la o înălțime de 400 km de o rachetă geofizică 1Ya2TA în trei etape pentru a studia interacțiunea curentului cu jet al unui motor de rachetă electric (EPR), care funcționează pe argon, cu plasmă ionosferică . EJE experimental cu ioni de plasmă a fost pornit mai întâi la o altitudine de 160 km, iar în timpul zborului următor, au fost efectuate 11 cicluri de funcționare. S-a atins o viteză a curentului cu jet de aproximativ 40 km/s. Laboratorul Yantar a atins altitudinea de zbor țintă de 400 km, zborul a durat 10 minute, EJE a funcționat constant și a dezvoltat o forță de proiectare de cinci grame de forță. Comunitatea științifică a aflat despre realizarea științei sovietice dintr-un raport TASS .
Azotul a fost folosit în a doua serie de experimente . Viteza de evacuare a fost crescută la 120 km/s. În 1966 - 1971 au fost lansate patru astfel de dispozitive (după alte surse, până în 1970 și șase dispozitive).
În toamna anului 1970, a trecut cu succes testele în zbor real cu un motor de propulsie electrică acționat de aer cu flux direct . În octombrie 1970, la al XXI-lea Congres al Federației Internaționale Astronomice, oamenii de știință sovietici - profesorul G. Grodzovsky , candidații la științe tehnice Yu. Danilov și N. Kravtsov, candidații la științe fizice și matematice M. Marov și V. Nikitin, doctor în Științe tehnice V. Utkin - a raportat despre testarea unui sistem de propulsie cu aer. Viteza înregistrată a curentului cu jet a ajuns la 140 km/s.
În 1971, în sistemul de corecție al satelitului meteorologic sovietic Meteor , două motoare cu plasmă staționare dezvoltate de Institutul de Energie Atomică. I. V. Kurchatov și Design Bureau Fakel, fiecare dintre acestea, cu o sursă de alimentare de ~ 0,4 kW, a dezvoltat o tracțiune de 18–23 mN și o viteză de evacuare de peste 8 km/s. RD avea o dimensiune de 108 × 114 × 190 mm, o masă de 32,5 kg și un stoc de RT (xenon comprimat) de 2,4 kg. În timpul uneia dintre incluziuni, unul dintre motoare a funcționat continuu timp de 140 de ore.Acest sistem de propulsie electrică este prezentat în figură.
De asemenea, motoarele electrice cu rachete sunt folosite în misiunea Dawn și în proiectul BepiColombo .
Deși motoarele electrice cu rachete au o tracțiune scăzută în comparație cu rachetele cu combustibil lichid , ele sunt capabile să funcționeze timp îndelungat și să efectueze zboruri lente pe distanțe lungi [4] [1] . Cele mai avansate motoare de rachete electrice de până acum au ΔV de până la 100 km/s și, atunci când folosesc surse de energie nucleară, sunt potrivite pentru zboruri către planetele exterioare ale sistemului solar , dar nu suficient de puternice pentru zborul interstelar [4] [1] . Dacă vorbim despre zborul interstelar, atunci un motor de rachetă electric cu un reactor nuclear a fost luat în considerare pentru proiectul Daedalus , dar a fost respins din cauza forței reduse, a greutății mari necesare pentru a transforma energia nucleară în energie electrică, echipamente și, ca rezultat, o mică accelerație care ar dura secole până la atingerea vitezei dorite [5] [6] [7] . Cu toate acestea, metoda rachetei electrice de zbor interstelar este teoretic posibilă cu o sursă de alimentare externă printr-un laser către bateriile solare ale navei spațiale [8] [9] [10] .
În prezent, multe țări investighează crearea de nave spațiale interplanetare cu echipaj cu sisteme de propulsie electrică. EJE-urile existente nu sunt optime pentru a fi utilizate ca motoare de propulsie pentru astfel de nave și, prin urmare, în viitorul apropiat ar trebui să ne așteptăm la un interes reînnoit pentru dezvoltarea de EJE-uri de înaltă intensitate bazate pe metal lichid RT ( bismut , litiu , potasiu , cesiu ) cu un electric. putere de până la 1 MW, capabilă să funcționeze timp îndelungat la curenți de până la 5-10 kA. Aceste motoare rachete ar trebui să dezvolte o tracțiune de până la 20-30 N și o 30% sau mai multeficiență20-30 km/s cu oevacuareviteză de
Pe lângă Rusia și SUA , Marea Britanie , Germania , Franța , Japonia și Italia sunt, de asemenea, implicate în cercetarea și dezvoltarea propulsiei electrice . Principalele domenii de activitate ale acestor țări sunt: ID (dezvoltările Marii Britanii și Germaniei sunt cele mai de succes, în special cele comune); SPD și DAS (Japonia, Franța); ETD (Franța). Practic, aceste motoare sunt proiectate pentru sateliți.
| Motoare de rachete sovietice și rusești | ||
|---|---|---|
| motoare rachete la joasă altitudine | ||
| motoare rachete de mare altitudine | ||
| CURTE | RD-0410 | |