Магнитоплазмодинамический двигатель

Магнитоплазмодинамический двигатель (MPD) ( MPDT ) — это форма движения космического корабля с электрическим приводом , которая использует силу Лоренца (силу, действующую на заряженную частицу электромагнитным полем) для создания тяги. Его иногда называют ускорителем силы Лоренца (LFA) или (в основном в Японии) дуговым реактивным двигателем MPD .

Обычно газообразный материал ионизируется и подается в ускорительную камеру, где с помощью источника энергии создаются магнитные и электрические поля. Затем частицы выталкиваются силой Лоренца, возникающей в результате взаимодействия тока, текущего через плазму, и магнитного поля (которое либо прикладывается извне, либо индуцируется током) через выхлопную камеру. В отличие от химической двигательной установки здесь нет сгорания топлива. Как и в случае с другими вариантами электрической силовой установки, удельный импульс и тяга увеличиваются с увеличением потребляемой мощности, а тяга на ватт падает.

Существует два основных типа двигателей MPD: с прикладным полем и с собственным полем. Двигатели с приложенным полем имеют магнитные кольца, окружающие выхлопную камеру для создания магнитного поля, а двигатели с собственным полем имеют катод, проходящий через середину камеры. Прикладные поля необходимы на более низких уровнях мощности, когда конфигурации собственного поля слишком слабы. различные пропелленты, такие как ксенон , неон , аргон , водород , гидразин и литий , причем литий обычно является лучшим. Использовались ^[1]

По словам Эдгара Шуейри, магнитоплазмодинамические двигатели имеют входную мощность 100–500 киловатт, скорость истечения 15–60 километров в секунду, тягу 2,5–25 ньютонов и КПД 40–60 процентов. Однако дополнительные исследования показали, что скорость выхлопа может превышать 100 километров в секунду. ^[2]^[3]

Одним из потенциальных применений магнитоплазмодинамических двигателей является главный двигатель тяжелых грузовых и пилотируемых космических аппаратов (пример двигателя $a^{2}$ для миссии человека на Марс ). ^[2]^[3]

Преимущества

Теоретически двигатели MPD могут производить чрезвычайно высокие удельные импульсы (I _sp ) со скоростью истечения до 110 000 м/с и выше , что в три раза превышает значение нынешних ионных двигателей на основе ксенона и примерно в 25 раз лучше, чем жидкостные ракеты. Технология MPD также потенциально способна обеспечить уровень тяги до 200 ньютонов (Н) ( 45 фунтов _F ), что на сегодняшний день является самым высоким показателем для любой формы электрического движения и почти таким же высоким, как у многих межпланетных химических ракет. ^{[ нужна ссылка ]} Это позволит использовать электрическую двигательную установку в миссиях, требующих быстрых маневров с дельта-v (например, выход на орбиту другой планеты), но с во много раз большей топливной экономичностью. ^[4]

Разработка

Технология двигателя MPD изучалась академически, но коммерческий интерес был низким из-за нескольких оставшихся проблем. Одна небольшая проблема заключается в том, что для оптимальной производительности требуется мощность порядка сотен киловатт. Современные энергетические системы межпланетных космических кораблей (такие как радиоизотопные термоэлектрические генераторы и солнечные батареи) не способны производить столько энергии. НАСА проекта «Прометей» Ожидалось, что реактор будет генерировать мощность в диапазоне сотен киловатт, но его деятельность была прекращена в 2005 году.

Проект по созданию космического ядерного реактора, рассчитанного на выработку электроэнергии в 600 киловатт, начался в 1963 году и длился большую часть 1960-х годов в СССР . Это должно было привести в действие спутник связи, но в конечном итоге не было одобрено. ^[5] Ядерные реакторы, выдающие киловатты электроэнергии (порядка в десять раз больше, чем нынешние источники питания РИТЭГ), были выведены на орбиту СССР: РОРСАТ ; ^[6] и ТОПАЗ . ^[7]

О планах по разработке ядерного реактора мегаваттной мощности для использования на борту пилотируемого космического корабля было объявлено в 2009 году Российским ядерным Курчатовским институтом . ^[8] национальное космическое агентство Роскосмос , ^[9] и подтвержден президентом России Дмитрием Медведевым в его послании Федеральному Собранию в ноябре 2009 года . ^[10]

Другой план, предложенный Брэдли Эдвардсом , заключается в передаче энергии с земли. В этом плане используются 5 200-киловаттных лазеров на свободных электронах с длиной волны 0,84 микрометра с адаптивной оптикой на земле для передачи энергии на космический корабль с двигателем MPD, где она преобразуется в электричество с помощью GaAs фотоэлектрических панелей . Настройка длины волны лазера 0,840 микрометра ( 1,48 эВ фотоэлектрической панели зоны на фотон) и запрещенной 1,43 эВ друг относительно друга дает расчетную эффективность преобразования 59% и прогнозируемую плотность мощности до 540 кВт/м. ². Этого будет достаточно для питания верхней ступени MPD, возможно, для перевода спутников с НОО на ГСО. ^[11]

Еще одной проблемой технологии MPD является деградация катодов из-за испарения, вызванного высокой плотностью тока (свыше 100 А/см). ²). В лаборатории было показано, что использование смесей топлива лития и бария и многоканальных полых катодов является многообещающим решением проблемы эрозии катода. ^[12]

Исследовать

Исследования двигателей MPD проводились в США, бывшем Советском Союзе , Японии, Германии и Италии. Экспериментальные прототипы были впервые запущены на советских космических кораблях, а совсем недавно, в 1996 году, на японском космическом корабле , который продемонстрировал успешную работу квазистационарного импульсного двигателя MPD в космосе. Исследования в Московском авиационном институте , РКК «Энергия» , Национальном аэрокосмическом университете, Харьковском авиационном институте , Институте космических систем , Штутгартского университета ISAS , Centrospazio , Alta SpA , Университете Осаки , Университете Южной Калифорнии , Принстонском университете электродвижения и плазмы Лаборатория динамики (EPPDyL) (где исследования двигателей MPD продолжаются непрерывно с 1967 года) и центры НАСА ( Лаборатория реактивного движения и Исследовательский центр Гленна ) решили множество проблем, связанных с производительностью, стабильностью и сроком службы двигателей MPD.

Двигатель MPD был испытан на борту японского космического летательного аппарата в рамках проекта EPEX (Эксперимент с электрическим движением), который был запущен 18 марта 1995 года и возвращен космическим кораблем STS-72 20 января 1996 года. На сегодняшний день это единственный действующий двигатель. Двигатель MPD должен был летать в космосе в качестве двигательной установки. Экспериментальные прототипы впервые были запущены на советских космических кораблях.

Двигатель MPD прикладного назначения, разрабатываемый в Институте космических систем , Штутгартского университета в 2019 году достиг КПД двигателя 61,99%, что соответствует удельному импульсу I _sp = 4665 с и тяге 2,75 Н. ^[13]

См. также

Ссылки

^ «ПРОПЕЛЛАНТЫ» . History.nasa.gov . Проверено 5 ноября 2022 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б «Чуэйри, Эдгар Ю. (2009). Новый рассвет электрической ракеты. Двигатель следующего поколения» . Архивировано из оригинала 18 октября 2016 г. Проверено 18 октября 2016 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Шуейри, Эдгар Ю. (2009) Новый рассвет электрической ракеты Scientific American 300, 58–65 дои : 10.1038/scientificamerican0209-58
^ Курчатовский институт совместно с Роскосмосом возобновили работы по разработке ядерных источников энергии для межпланетных полетов, июнь 2009 г. (на русском языке).
^ Глобальный спутник связи, использующий ядерную энергию. Архивировано 9 июля 2008 г. в Wayback Machine.
^ «СССР/Россия – РОРСАТ, Топаз и РТГ» . Архивировано из оригинала 5 марта 2012 г. Проверено 28 мая 2008 г.
^ «ТОПАЗ» . Архивировано из оригинала 5 марта 2012 г. Проверено 28 мая 2008 г.
↑ Курчатовский институт совместно с Роскосмосом возобновили работы по разработке ядерных источников энергии для межпланетных полетов , июнь 2009 г. (на русском языке)
↑ Роскосмос подготовил проект пилотируемого космического корабля с ядерным двигателем , РИАН , октябрь 2009 г., (на русском языке)
^ «Разработки в ядерной области будут активно применяться... также для создания ракетных двигателей, способных обеспечить космические полеты даже к другим планетам», из Послания Федеральному Собранию в ноябре 2009 г. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}.
^ Эдвардс, Брэдли К. Вестлинг, Эрик А. Космический лифт: революционная транспортная система с Земли в космос. 2002, 2003 гг. Британская Колумбия Эдвардс, Хьюстон, Техас.
^ Шанкаран, К.; Кэссиди, Л.; Кодис, А.Д.; Шуейри, EY (2015). «Обзор вариантов движения грузовых и пилотируемых полетов на Марс». Анналы Нью-Йоркской академии наук . 1017 (1): 450–467. дои : 10.1196/анналы.1311.027 . ПМИД 15220162 . S2CID 1405279 .
^ Боксбергер, Адам; Бенке, Александр; Хердрих, Георг (2019). «Современные достижения в оптимизации режимов работы стационарных полевых двигателей MPD» (PDF) . Международная конференция по электродвижению (IEPC) . МЭПК-2019-585. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.

Внешние ссылки

[1] «ПРОПЕЛЛАНТЫ» . History.nasa.gov . Проверено 5 ноября 2022 г.

[alfven.princeton.edu-2] Перейти обратно: ^а ^б «Чуэйри, Эдгар Ю. (2009). Новый рассвет электрической ракеты. Двигатель следующего поколения» . Архивировано из оригинала 18 октября 2016 г. Проверено 18 октября 2016 г.

[Choueiri-3] Перейти обратно: ^а ^б Шуейри, Эдгар Ю. (2009) Новый рассвет электрической ракеты Scientific American 300, 58–65 дои : 10.1038/scientificamerican0209-58

[4] Курчатовский институт совместно с Роскосмосом возобновили работы по разработке ядерных источников энергии для межпланетных полетов, июнь 2009 г. (на русском языке).

[5] Глобальный спутник связи, использующий ядерную энергию. Архивировано 9 июля 2008 г. в Wayback Machine.

[6] «СССР/Россия – РОРСАТ, Топаз и РТГ» . Архивировано из оригинала 5 марта 2012 г. Проверено 28 мая 2008 г.

[7] «ТОПАЗ» . Архивировано из оригинала 5 марта 2012 г. Проверено 28 мая 2008 г.

[8] Курчатовский институт совместно с Роскосмосом возобновили работы по разработке ядерных источников энергии для межпланетных полетов , июнь 2009 г. (на русском языке)

[9] Роскосмос подготовил проект пилотируемого космического корабля с ядерным двигателем , РИАН , октябрь 2009 г., (на русском языке)

[10] «Разработки в ядерной области будут активно применяться... также для создания ракетных двигателей, способных обеспечить космические полеты даже к другим планетам», из Послания Федеральному Собранию в ноябре 2009 г. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}.

[11] Эдвардс, Брэдли К. Вестлинг, Эрик А. Космический лифт: революционная транспортная система с Земли в космос. 2002, 2003 гг. Британская Колумбия Эдвардс, Хьюстон, Техас.

[12] Шанкаран, К.; Кэссиди, Л.; Кодис, А.Д.; Шуейри, EY (2015). «Обзор вариантов движения грузовых и пилотируемых полетов на Марс». Анналы Нью-Йоркской академии наук . 1017 (1): 450–467. дои : 10.1196/анналы.1311.027 . ПМИД 15220162 . S2CID 1405279 .

[13] Боксбергер, Адам; Бенке, Александр; Хердрих, Георг (2019). «Современные достижения в оптимизации режимов работы стационарных полевых двигателей MPD» (PDF) . Международная конференция по электродвижению (IEPC) . МЭПК-2019-585. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]