Электрическая двигательная установка, дышащая атмосферой

Атмосферно-дышащая электрическая двигательная установка , или воздушно-реактивная электрическая двигательная установка , сокращенно ABEP, ^{[ 1 ]} — это технология движения для космических кораблей , которая может обеспечить создание тяги на низких орбитах без необходимости использования бортового топлива за счет использования остаточных газов в атмосфере в качестве топлива. Электрическая двигательная установка, дышащая атмосферой, может сделать возможным новый класс долгоживущих низкоорбитальных миссий.

В настоящее время эту концепцию исследует Европейское космическое агентство (ЕКА). ^{[ 2 ]} финансируемый ЕС проект проект BREATHE в Школе перспективных исследований Сант-Анна в Пизе и финансируемый ЕС DISCOVERER. ^{[ 3 ]} Современные обычные электрические двигатели не могут поддерживать полет на малых высотах более двух лет. ^{[ 4 ]} из-за ограничений по хранению топлива и количеству создаваемой тяги, что приводит к затуханию орбиты космического корабля. ЕКА официально объявило о первой успешной наземной демонстрации прототипа RAM-EP в марте 2018 года. ^{[ 5 ]}

Принцип работы

ABEP состоит из воздухозаборника и электрического двигателя: разреженные газы, которые отвечают за сопротивление на низкой околоземной орбите (LEO) и очень низкой околоземной орбите используются в качестве топлива (VLEO) . ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} Эта технология в идеале позволила бы КА выйти на орбиту на очень малых высотах (< 400 км вокруг Земли) без необходимости использования бортового топлива, что позволило бы совершать более продолжительные миссии в новом участке высот атмосферы. Это преимущество делает технологию интересной для научных миссий, военных и гражданских служб наблюдения, а также низкоорбитальных служб связи с еще более низкой задержкой, чем у Starlink .

Специальный воздухозаборник будет использоваться для сбора молекул газа и направления их в двигатель. Затем молекулы будут ионизированы двигателем и выброшены со стадии ускорения на очень высокой скорости, создавая тягу. Необходимая электроэнергия может быть обеспечена теми же силовыми подсистемами, которые разработаны для реальных электрических двигательных установок, вероятно, комбинацией солнечных батарей и батарей, хотя можно рассмотреть и другие виды электроэнергетических подсистем. ABEP может продлить срок службы спутников на LEO и VLEO, компенсируя сопротивление атмосферы во время их работы. Высота ABEP на околоземной орбите может быть оптимизирована в пределах 120–250 км. ^{[ 8 ]} Эта технология также может быть использована на любой планете с атмосферой, если двигатель может перерабатывать другое топливо и если источник энергии может обеспечить необходимую мощность, например, достаточное солнечное излучение для солнечных панелей, таких как Марс и Венера , в противном случае другая электроэнергия. такие подсистемы, как космический ядерный реактор или радиоизотопный термоэлектрический генератор (РТГ), должны быть реализованы, например, для миссии вокруг Титана .

Концепции и моделирование

Прототип плазменного двигателя (IPT) на базе RF Helicon, работающего на азоте Пресс-релиз Университета Штутгарта

Первые исследования, рассматривающие сбор и использование верхних слоев атмосферы в качестве топлива для электрического двигателя, можно найти уже в 1959 году при исследованиях аккумулятора двигательной жидкости от ST Demetriades . ^{[ 9 ]} ^{[ 10 ]} ^{[ 11 ]} ^{[ 12 ]}

При разработке ионных двигателей, дышащих атмосферой, заметное расширение Закона Чайлда привело к его реализации в концепции ABEP в 1995 году. ^{[ 13 ]}^{[ 14 ]} Первоначально закон Чайлда моделировал поток заряда между анодом и катодом, предполагая, что начальная скорость ионов равна нулю. Однако это предположение неприменимо к ионным двигателям, работающим на низкой околоземной орбите, где окружающий газ поступает в ионизационную камеру на высоких скоростях.

Бьюфорд Рэй Конли обобщил закон Чайлда, объясняющий ненулевую начальную скорость ионов. Эта адаптация сыграла важную роль в теоретическом моделировании ионных двигательных установок, особенно тех, которые работают в разреженных условиях низкой околоземной орбиты.

Обобщение закона Чайлда имеет значение для конструкции и эффективности ионных двигателей, дышащих атмосферой. Учитывая высокоскоростной окружающий газ, который попадает в ионизационную камеру на низкой околоземной орбите, модифицированный закон позволяет провести более точное теоретическое моделирование. Как только окружающий газ ионизируется в камере, он электромагнитно ускоряется из выхлопных газов, способствуя приведению космического корабля в движение.

Разработка и тестирование

Европейские проекты

RAM-EP ЕКА, спроектированный и разработанный SITAEL в Италии , впервые был протестирован в лаборатории в мае 2017 года. ^{[ 15 ]}^{[ 16 ]}^{[ 17 ]}

Институт космических систем Штутгартского университета разрабатывает воздухозаборник и двигатель, последний представляет собой плазменный двигатель на основе радиочастотного геликона (IPT). ^{[ 18 ]}^{[ 19 ]} который впервые был зажжен в марте 2020 года, см. пресс-релиз IRS Uni Stuttgart . Основное преимущество такого устройства состоит в том, что компоненты не находятся в прямом контакте с плазмой, что сводит к минимуму ухудшение характеристик с течением времени из-за эрозии агрессивными порохами, такими как атомарный кислород в VLEO, и не требует нейтрализатора. Воздухозаборник и подруливающее устройство разработаны в рамках проекта DISCOVERER EU H2020 .

Воздухозаборники были разработаны в результате многочисленных исследований и основаны на условиях свободного молекулярного потока и моделях взаимодействия газа с поверхностью: на основе свойств зеркального отражения материалов воздухозаборников теоретически можно достичь высокой эффективности за счет использования конструкций, подобных телескопу. При полностью диффузном отражении эффективность обычно ниже, но с помощью механизма улавливания распределение давления перед двигателем также может быть улучшено. ^{[ 20 ]}

Работа в США и Японии

Компания Busek Co. Inc. в США запатентовала свою концепцию двигателя с воздушным дыханием на эффекте Холла (ABHET) в 2004 году. ^{[ 21 ]} и при финансовой поддержке Института передовых концепций НАСА в 2011 году начал технико-экономическое обоснование, которое будет применено к Марсу (Mars-ABHET или MABHET), где система будет дышать и ионизировать атмосферный углекислый газ . ^{[ 22 ]} Концепция MABHET основана на тех же общих принципах, что и ионный двигатель с воздушным дыханием JAXA (ABIE) или RAM-EP ЕКА. ^{[ 23 ]}

См. также

Ионный самолет
Накопитель реактивной жидкости - самозаполняющийся орбитальный склад ракетного топлива.

Ссылки

^ Романо, Франческо (январь 2022 г.). RF Helicon Plasma двигатель для атмосферно-дышащей электрической двигательной установки (ABEP) . Верлаг Доктор Хат. п. 165. ИСБН 978-3-8439-4953-8 .
^ «Первый в мире запуск воздушно-реактивного электродвигателя» . Космическая инженерия и технологии . Европейское космическое агентство. 5 марта 2018 года . Проверено 7 марта 2018 г.
^ «Дом-Первооткрыватель» . Discoverer.com . Проверено 28 марта 2018 г.
^ Д. ДиКара, Дж. Г. дель Амо, А. Сантовинченцо, Б. К. Домингес, М. Арчиони, А. Колдуэлл и И. Рома, «Электрическая двигательная установка RAM для работы на низкой околоземной орбите: исследование ЕКА», 30-я конференция IEPC, IEPC-2007 -162, 2007 г.
^ «Первый в мире запуск воздушно-реактивного электродвигателя» . Космическая инженерия и технологии . Европейское космическое агентство. 5 марта 2018 года . Проверено 7 марта 2018 г.
^ Т. Шёнхерр, К. Комурасаки, Ф. Романо, Б. Массути-Баллестер и Г. Хердрич, Анализ атмосферно-дышащей электрической силовой установки, Транзакции IEEE по плазменной науке, том 43, № 1, январь 2015 г.
^ Романо, Франческо; Массути-Баллестер, Бартомеу; Биндер, Тилман; Хердрих, Георг; Шёнхерр, Тони (2018). «Системный анализ и испытательный стенд атмосферной электроэнергетической двигательной установки с использованием индуктивного плазменного двигателя» . Акта Астронавтика . 147 : 114–126. arXiv : 2103.02328 . Бибкод : 2018AcAau.147..114R . дои : 10.1016/j.actaastro.2018.03.031 . hdl : 2117/116081 . S2CID 116462856 .
^ Романо, Франческо; Массути-Баллестер, Бартомеу; Биндер, Тилман; Хердрих, Георг; Шёнхерр, Тони (2018). «Системный анализ и испытательный стенд атмосферной электроэнергетической двигательной установки с использованием индуктивного плазменного двигателя» . Акта Астронавтика . 147 : 114–126. arXiv : 2103.02328 . Бибкод : 2018AcAau.147..114R . дои : 10.1016/j.actaastro.2018.03.031 . hdl : 2117/116081 . S2CID 116462856 .
^ Деметриадес, ST (1 сентября 1959 г.), «Новая система для космических полетов с использованием аккумулятора двигательной жидкости» , osti.gov , получено 24 июля 2024 г.
^ Деметриадес, ST (1 апреля 1961 г.). Проектирование и применение двигательных гидроаккумуляторных систем . osti.gov (Отчет) . Проверено 4 июня 2023 г.
^ Деметриадес, ST (март 1962 г.). «Использование атмосферных и внеземных ресурсов в космических двигательных установках, часть I». Конференция по электродвижению, Американское ракетное общество .
^ Деметриадес, ST (1962). «Предварительное исследование систем аккумуляторов движущей жидкости». Журнал Британского межпланетного общества . 18 (10): 392. Бибкод : 1962JBIS...18..392D .
^ «Космический заряд» , Arc.Ask3.Ru , 11 сентября 2023 г. , дата обращения 27 октября 2023 г.
^ Конли, Буфорд Рэй (май 1995 г.). «Использование окружающего газа в качестве топлива для низкоорбитальных электродвигателей» (PDF) . Магистерская диссертация, Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс : стр. 24, уравнение 3.43 – через https://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/31061/33887503-MIT.pdf?sequence=2
^ «Разработка и экспериментальная проверка концепции двигателя на эффекте Холла RAM-EP» (PDF) . 2017.
^ Первый в мире запуск воздушно-реактивного электродвигателя ESA, 5 марта 2018 г.
^ «Космическая команда SITAEL успешно объявляет о мировой премьере лабораторной демонстрации RAM-EP» . СИТАЭЛЬ. 27 мая 2017 года . Проверено 30 октября 2021 г.
^ Романо, Франческо (январь 2022 г.). RF Helicon Plasma двигатель для атмосферно-дышащей электрической двигательной установки (ABEP) . Верлаг Доктор Хат. п. 165. ИСБН 978-3-8439-4953-8 .
^ Романо, Франческо; Чан, Юнг-Ань; Хердрих, Георг (2020). «Проектирование индуктивного плазменного двигателя (IPT) на основе RF Helicon для атмосферно-дышащей электрической двигательной установки (ABEP)» . Акта Астронавтика . 176 : 476–483. arXiv : 2007.06397 . Бибкод : 2020AcAau.176..476R . doi : 10.1016/j.actaastro.2020.07.008 . hdl : 2117/330441 . S2CID 212873348 .
^ Романо, Франческо; Эспиноза-Ороско, Хесус; Пфайффер, Марсель; Хердрих, Георг (2021). «Проект воздухозаборника атмосферно-дышащей электрической двигательной установки (ABEP)» . Акта Астронавтика . 187 : 225–235. arXiv : 2106.15912 . Бибкод : 2021AcAau.187..225R . дои : 10.1016/j.actaastro.2021.06.033 . S2CID 235683120 . Проверено 19 мая 2022 г.
^ В. Грубый; Б. Поте; Т. Броган; К. Хохман; Джей Джей Сабо младший; PS Ростлер. «Воздушный двигатель с электрическим приводом на эффекте Холла» . Busek Company, Inc., Натик, Мэн, США, патент США 6 834 492 B2, декабрь 2004 г.
^ К. Хохман; и др. «Электрический двигатель с атмосферным дыханием для исследования планет» (PDF) . Весенний симпозиум NIAC, 27–29 марта 2012 г.
^ Разработка ABEP (воздушно-реактивная электрическая двигательная установка) для будущих низкоорбитальных космических полетов eoPortal ESA

^{[ 1 ]} ^{[ 2 ]} ^{[ 3 ]}

^ Анмол Таплоо, Ли Линь, Майкл Кейдар; Анализ ионизации в воздушно-реактивном плазменном двигателе. Физика плазмы 1 сентября 2021 г.; 28 (9): 093505. https://doi.org/10.1063/5.0059896.
^ Таплоо, А., Лин, Л. и Кейдар, М. Ионизация воздуха в самонейтрализующемся воздушно-реактивном плазменном двигателе. Дж Электр Пропуль 1, 25 (2022). https://doi.org/10.1007/s44205-022-00022-x
^ Таплоо А., Сони В., Соломон Х. и др. Характеристика источника электронов круглой дуги для самонейтрализующегося воздушно-плазменного двигателя. Дж Электр Пропуль 2, 21 (2023). https://doi.org/10.1007/s44205-023-00058-7

[1] Романо, Франческо (январь 2022 г.). RF Helicon Plasma двигатель для атмосферно-дышащей электрической двигательной установки (ABEP) . Верлаг Доктор Хат. п. 165. ИСБН 978-3-8439-4953-8 .

[2] «Первый в мире запуск воздушно-реактивного электродвигателя» . Космическая инженерия и технологии . Европейское космическое агентство. 5 марта 2018 года . Проверено 7 марта 2018 г.

[3] «Дом-Первооткрыватель» . Discoverer.com . Проверено 28 марта 2018 г.

[4] Д. ДиКара, Дж. Г. дель Амо, А. Сантовинченцо, Б. К. Домингес, М. Арчиони, А. Колдуэлл и И. Рома, «Электрическая двигательная установка RAM для работы на низкой околоземной орбите: исследование ЕКА», 30-я конференция IEPC, IEPC-2007 -162, 2007 г.

[5] «Первый в мире запуск воздушно-реактивного электродвигателя» . Космическая инженерия и технологии . Европейское космическое агентство. 5 марта 2018 года . Проверено 7 марта 2018 г.

[6] Т. Шёнхерр, К. Комурасаки, Ф. Романо, Б. Массути-Баллестер и Г. Хердрич, Анализ атмосферно-дышащей электрической силовой установки, Транзакции IEEE по плазменной науке, том 43, № 1, январь 2015 г.

[7] Романо, Франческо; Массути-Баллестер, Бартомеу; Биндер, Тилман; Хердрих, Георг; Шёнхерр, Тони (2018). «Системный анализ и испытательный стенд атмосферной электроэнергетической двигательной установки с использованием индуктивного плазменного двигателя» . Акта Астронавтика . 147 : 114–126. arXiv : 2103.02328 . Бибкод : 2018AcAau.147..114R . дои : 10.1016/j.actaastro.2018.03.031 . hdl : 2117/116081 . S2CID 116462856 .

[8] Романо, Франческо; Массути-Баллестер, Бартомеу; Биндер, Тилман; Хердрих, Георг; Шёнхерр, Тони (2018). «Системный анализ и испытательный стенд атмосферной электроэнергетической двигательной установки с использованием индуктивного плазменного двигателя» . Акта Астронавтика . 147 : 114–126. arXiv : 2103.02328 . Бибкод : 2018AcAau.147..114R . дои : 10.1016/j.actaastro.2018.03.031 . hdl : 2117/116081 . S2CID 116462856 .

[9] Деметриадес, ST (1 сентября 1959 г.), «Новая система для космических полетов с использованием аккумулятора двигательной жидкости» , osti.gov , получено 24 июля 2024 г.

[10] Деметриадес, ST (1 апреля 1961 г.). Проектирование и применение двигательных гидроаккумуляторных систем . osti.gov (Отчет) . Проверено 4 июня 2023 г.

[Demetriades1962epc-11] Деметриадес, ST (март 1962 г.). «Использование атмосферных и внеземных ресурсов в космических двигательных установках, часть I». Конференция по электродвижению, Американское ракетное общество .

[Demetriades1962jbis-12] Деметриадес, ST (1962). «Предварительное исследование систем аккумуляторов движущей жидкости». Журнал Британского межпланетного общества . 18 (10): 392. Бибкод : 1962JBIS...18..392D .

[13] «Космический заряд» , Arc.Ask3.Ru , 11 сентября 2023 г. , дата обращения 27 октября 2023 г.

[14] Конли, Буфорд Рэй (май 1995 г.). «Использование окружающего газа в качестве топлива для низкоорбитальных электродвигателей» (PDF) . Магистерская диссертация, Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс : стр. 24, уравнение 3.43 – через https://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/31061/33887503-MIT.pdf?sequence=2

[IEPC.ORG-15] «Разработка и экспериментальная проверка концепции двигателя на эффекте Холла RAM-EP» (PDF) . 2017.

[16] Первый в мире запуск воздушно-реактивного электродвигателя ESA, 5 марта 2018 г.

[SITAEL-17] «Космическая команда SITAEL успешно объявляет о мировой премьере лабораторной демонстрации RAM-EP» . СИТАЭЛЬ. 27 мая 2017 года . Проверено 30 октября 2021 г.

[18] Романо, Франческо (январь 2022 г.). RF Helicon Plasma двигатель для атмосферно-дышащей электрической двигательной установки (ABEP) . Верлаг Доктор Хат. п. 165. ИСБН 978-3-8439-4953-8 .

[19] Романо, Франческо; Чан, Юнг-Ань; Хердрих, Георг (2020). «Проектирование индуктивного плазменного двигателя (IPT) на основе RF Helicon для атмосферно-дышащей электрической двигательной установки (ABEP)» . Акта Астронавтика . 176 : 476–483. arXiv : 2007.06397 . Бибкод : 2020AcAau.176..476R . doi : 10.1016/j.actaastro.2020.07.008 . hdl : 2117/330441 . S2CID 212873348 .

[20] Романо, Франческо; Эспиноза-Ороско, Хесус; Пфайффер, Марсель; Хердрих, Георг (2021). «Проект воздухозаборника атмосферно-дышащей электрической двигательной установки (ABEP)» . Акта Астронавтика . 187 : 225–235. arXiv : 2106.15912 . Бибкод : 2021AcAau.187..225R . дои : 10.1016/j.actaastro.2021.06.033 . S2CID 235683120 . Проверено 19 мая 2022 г.

[21] В. Грубый; Б. Поте; Т. Броган; К. Хохман; Джей Джей Сабо младший; PS Ростлер. «Воздушный двигатель с электрическим приводом на эффекте Холла» . Busek Company, Inc., Натик, Мэн, США, патент США 6 834 492 B2, декабрь 2004 г.

[22] К. Хохман; и др. «Электрический двигатель с атмосферным дыханием для исследования планет» (PDF) . Весенний симпозиум NIAC, 27–29 марта 2012 г.

[23] Разработка ABEP (воздушно-реактивная электрическая двигательная установка) для будущих низкоорбитальных космических полетов eoPortal ESA

[24] Анмол Таплоо, Ли Линь, Майкл Кейдар; Анализ ионизации в воздушно-реактивном плазменном двигателе. Физика плазмы 1 сентября 2021 г.; 28 (9): 093505. https://doi.org/10.1063/5.0059896.

[25] Таплоо, А., Лин, Л. и Кейдар, М. Ионизация воздуха в самонейтрализующемся воздушно-реактивном плазменном двигателе. Дж Электр Пропуль 1, 25 (2022). https://doi.org/10.1007/s44205-022-00022-x

[26] Таплоо А., Сони В., Соломон Х. и др. Характеристика источника электронов круглой дуги для самонейтрализующегося воздушно-плазменного двигателя. Дж Электр Пропуль 2, 21 (2023). https://doi.org/10.1007/s44205-023-00058-7

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]