Импульсный индуктивный двигатель
Импульсный индуктивный двигатель ( PIT ) представляет собой разновидность ионного двигателя , используемого в двигательных установках космических кораблей . Это плазменный двигатель, использующий перпендикулярные электрические и магнитные поля для ускорения топлива без электрода .
Операция
[ редактировать ]Сопло с выпускает струю газа, которая распространяется по плоской спиральной индукционной катушке проводом диаметром около 1 метра. Батарея конденсаторов подает в катушку импульс высокого напряжения электрического тока в десятки киловольт длительностью 10 микросекунд, создавая радиальное магнитное поле. Это создает круговое электрическое поле в газе, ионизируя его и заставляя заряженные частицы (свободные электроны и ионы ) вращаться в направлении, противоположном направлению исходного импульса тока. Поскольку движение этого индуцированного тока перпендикулярно магнитному полю, плазма ускоряется в космос силой Лоренца с высокой скоростью истечения (от 10 до 100 км/с). [1]
Преимущества
[ редактировать ]В отличие от электростатического ионного двигателя , который использует электрическое поле для ускорения только одного вида (положительных ионов), PIT использует объемную силу Лоренца, действующую на все заряженные частицы в квазинейтральной плазме. В отличие от большинства других ионных и плазменных двигателей, он также не требует электродов (которые подвержены эрозии), и его мощность можно увеличить, просто увеличив количество импульсов в секунду. Система мощностью 1 мегаватт будет пульсировать 200 раз в секунду.
Импульсные индуктивные двигатели могут поддерживать постоянный удельный импульс и эффективность тяги в широком диапазоне уровней входной мощности, регулируя частоту импульсов для поддержания постоянной энергии разряда на импульс. Он продемонстрировал эффективность более 50%. [2]
Импульсные индуктивные двигатели могут использовать в качестве топлива широкий спектр газов, таких как вода , гидразин , аммиак , аргон или ксенон и многие другие. Благодаря этой способности было предложено использовать PIT для марсианских миссий: орбитальный аппарат мог бы дозаправляться, черпая CO 2 из атмосферы Марса , сжимая газ и сжижая его в резервуары для хранения для обратного путешествия или другой межпланетной миссии , находясь на орбите. планета. [3]
События
[ редактировать ]Ранняя разработка началась с фундаментальных исследований по проверке концепции, проведенных в середине 1960-х годов. НАСА проводит эксперименты на этом устройстве с начала 1980-х годов.
PIT Mk V, VI and VII
[ редактировать ]NGST ( Northrop Grumman Space Technology ) в качестве подрядчика НАСА построила несколько экспериментальных PIT.
Исследовательские усилия в первый период (1965–1973 гг.) были направлены на понимание структуры индуктивного токового слоя и оценку различных концепций впрыска топлива и предионизации.
Во втором периоде (1979–1988 гг.) акцент в большей степени сместился в сторону разработки настоящей двигательной установки и повышения характеристик базовой конструкции за счет поэтапных изменений конструкции с созданием прототипов Mk I и Mk IV .
Третий период (с 1991 года по настоящее время) начался с внедрения новой конструкции двигателя PIT, известной как V. Mk Он превратился в Mk VI , разработанный для воспроизведения однозарядных испытаний Mk V, которые полностью характеризуют характеристики двигателя. В нем используется улучшенная катушка из полых медных трубок и улучшенный пороховой клапан, но электрически он идентичен Mk V, в нем используются те же конденсаторы и переключатели. [4] Mk VII (начало 2000-х) имеет ту же геометрию, что и Mk VI, но рассчитан на высокую частоту импульсов и длительную стрельбу с использованием катушки с жидкостным охлаждением, конденсаторов с более длительным сроком службы и быстрых и мощных твердотельных переключателей. Цель Mk VII — продемонстрировать до 50 импульсов в секунду при номинальном КПД и импульсном бите при входной мощности 200 кВт в одном двигателе. Конструкция Mk VII является основой для новейшего NuPIT (Ядерно-электрического PIT). [2]
PIT добился относительно высоких характеристик в лабораторных условиях, но он все еще требует дополнительных усовершенствований в технологии переключения и хранения энергии, прежде чем он станет практичным для мощных космических приложений с необходимостью использования бортового источника энергии на ядерной основе.
ЛОШАДЬ
[ редактировать ]FARAD , что означает ускоритель Фарадея с радиочастотным разрядом , представляет собой маломощную альтернативу PIT, имеющую потенциал для эксплуатации в космосе с использованием современных технологий. [5] [6]
В PIT ионизация и ускорение топлива выполняются с помощью высоковольтного импульса тока в индукционной катушке, тогда как FARAD использует отдельный индуктивный радиочастотный разряд для предварительной ионизации топлива перед его ускорением импульсом тока. Эта предионизация позволяет ФАРАДу работать на гораздоболее низкая энергия разряда, чем у PIT (100 джоулей на импульс против 4 килоджоулей на импульс), и позволяет уменьшить размер двигателя. [7]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Дейли, К. Ли; Ловберг, Ральф Х. (июль 1993 г.). «Импульсный индуктивный двигатель PIT MkV» . НАСА CR 191155.
- ^ Jump up to: а б Фрисби, Роберт Х.; Микеллидес, Иоаннис Г. (июль 2005 г.). Ядерно-электрический импульсный индуктивный двигатель (NuPIT): анализ миссии «Прометея» (PDF) . 41-я совместная конференция и выставка AIAA/ASME/SAE/ASEE по двигательной технике. Тусон, Аризона. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Проверено 4 июля 2017 г.
- ^ Ползин, Курт А. (июнь 2012 г.). «Импульсный индуктивный двигатель, использующий марсианскую атмосферу в качестве топлива» Концепции и подходы к исследованию Марса . НАСА.
- ^ Рассел, Деррек; Дэйли, К.; Гольдштейн, Уэйн; Ловберг, Ральф; Пойлио, Джеймс; Джексон, Бернард; Ловберг, Ральф Х.; Дэйли, К. Ли (сентябрь 2004 г.). Импульсный индуктивный двигатель PIT Mark VI . Конференция и выставка «Космос 2004». Сан-Диего. дои : 10.2514/6.2004-6054 .
- ^ Шуейри, Эдгар Ю.; Ползин, Курт А. (июль 2004 г.). Фарадеевское ускорение с помощью радиочастотного разряда (FARAD) (PDF) . 40-я совместная конференция и выставка AIAA/ASME/SAE/ASEE по двигательным установкам. Форт-Лодердейл, Флорида. дои : 10.2514/6.2004-3940 . Архивировано (PDF) из оригинала 20 ноября 2022 г.
- ^ Данканич, Джон В.; Ползин, Курт А. (июль 2008 г.). Оценка миссии ускорителя Фарадея с радиочастотным разрядом (FARAD) (PDF) . 44-я совместная конференция AIAA/ASME/SAE/ASEE по двигательной установке. Хартфорд, Коннектикут. дои : 10.2514/6.2008-4517 . hdl : 2060/20090001283 . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
- ^ Ползин, Курт Александр (июнь 2006 г.). Ускоритель Фарадея с радиочастотным разрядом (FARAD) (PDF) (доктор философии). Принстонский университет . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
