СВЧ-электротермический двигатель

Микроволновой электротермический двигатель , также известный как МЕТ, представляет собой двигательное устройство, преобразующее микроволновую энергию. ^[1] (вид электромагнитного излучения) в тепловую (или тепловую) энергию. Эти двигатели в основном используются для приведения космических кораблей в движение , в частности, для корректировки положения и орбиты космического корабля. МЕТ поддерживает и воспламеняет плазму в пороховом газе. При этом создается нагретый пороховой газ, который, в свою очередь, превращается в тягу из-за расширения газа, проходящего через сопло. Функция нагрева MET аналогична нагреву дуговой струи (еще одного двигательного устройства); однако благодаря свободно плавающей плазме не возникает проблем с эрозией металлических электродов, и поэтому МЭТ более эффективен. ^[2]

Описание механизма

МЕТ содержит ключевые функции и части, которые способствуют его эффективности. В состав компонентов входят: две концевые пластины (сопло и антенна), плазма и диэлектрическая разделительная пластина. ^[1]

Резонансная полость представляет собой волновод круглой перекрывающейся секции, закороченный двумя концевыми пластинами. Полость находится рядом с разделительной пластиной. Внутри МЕТ имеются две торцевые пластины: сопло и антенна. Функция сопла — преобразование газообразной плазмы в тягу. Антенна используется для ввода микроволновой мощности. Хотя большая часть энергии поглощается плазмой, некоторая ее часть отражается. Другая часть МЭТ – это плазма. В некоторых случаях плазму также называют четвертым состоянием вещества. Плазма является основной частью МЕТ. Он создается внутри системы путем нагревания топлива и расходуется для создания тяги. Последней частью МЕТ является диэлектрическая разделительная пластина. Эта часть МЕТ позволяет контролировать обе части полости при различных давлениях.

Процесс

Описание

Чтобы МЭТ мог создать тягу, он должен пройти четырехэтапный процесс преобразования электрической энергии в тепловую.

Газ -вытеснитель сначала вводится в МЕТ через сопло по касательной, что позволяет сформировать плазму.
Если сделать это по касательной, в системе возникнет вихревой поток (круговой поток), который создает прохладную среду для стабилизации плазмы.
Чтобы плазма воспламенялась при низких уровнях электромагнитной мощности и создавала тягу, она должна находиться при низком давлении; однако, если плазма уже зажглась, она сможет выжить при высоком давлении.
Свободно текущая плазма нагревается и выбрасывается через сопло, создавая тем самым тягу.

Во время этого процесса секция антенны поддерживается при атмосферном давлении , чтобы гарантировать отсутствие образования плазмы вблизи антенны. Это также гарантирует, что разделительные пластины не будут находиться под двумя существенно разными давлениями, которые могли бы создать нагрузку на две пластины.

Физический процесс, происходящий на молекулярном уровне, также можно объяснить следующим образом:

Микроволновое электрическое поле заставляет электроны ускоряться, что затем приводит к их столкновениям с молекулами и атомами внутри плазмы.
Благодаря столкновениям происходит передача энергии атомам и молекулам плазмы.
Затем энергия преобразуется в тепловую энергию за счет неупругих столкновений . ^[3]

Математически

Толкать

Тяга — это сила, действующая на ракету в результате выброса топлива. Формула тяги задается как:

${\textstyle \tau ={\dot {m}}u_{e}+(p_{e}+p_{a})A_{e}}$

Где тяга задается как $\tau$ в Ньютонах (Н), ${\dot {m}}$ как массовый расход в килограммах/секунду (кг/с), $u_{e}$ как скорость выхлопа в метрах/секунду (м/с), $p_{e}$ как выходное давление, $p_{a}$ как атмосферное давление и $A_{e}$ как площадь выхода сопла в метрах^2(м^2).

Удельный импульс

Удельный импульс – это то, насколько эффективно топливо МЭТ используется для создания тяги. Формула удельного импульса имеет вид:

$I_{sp}=\tau /{\dot {m}}g$

Где $I_{sp}$ выражается как удельный импульс, $\tau$ как тяга в Н, ${\dot {m}}$ как массовый расход в кг/с, и $g$ как гравитационное ускорение Земли.

Массовые отношения

При применении закона сохранения импульса связь между массой топлива и начальной массой космического корабля может быть представлена как:

$M_{p}/M_{i}=1-e^{-\Delta v/I_{sp}g}$

Где $M_{p}$ задается как масса топлива, $M_{i}$ как начальная масса космического корабля, $\Delta v$ как изменение скорости, $I_{sp}$ представляет собой удельный импульс, а $g$ как гравитация Земли. ^[4]

Приложение

Космос

Основная цель MET - приведение в движение космических кораблей. Создаваемая энергия предназначена для преобразования в кинетическую энергию , которая создаст тягу в космосе. Некоторые задачи включают в себя подъем на орбиту и поддержание местоположения. Подъем на орбиту — это изменение орбиты корабля с помощью двигательных установок, а поддержание местоположения — это поддержание положения космического корабля относительно других космических кораблей. Это включает в себя поддержание спутников на определенных позициях. ^[5]

Известные изобретения

Система управления микроволновым электротермическим двигателем

Это одно из последних применений микроволнового электротермического двигателя, созданного в августе 2020 года. В этом изобретении использовались функции МЕТ для создания точной системы управления. Когда MET меняет энергию электромагнитных волн на топливо, это позволяет небольшим импульсам MET обеспечить контроль над спутником. ^[2]

Космическая электротермическая двигательная установка

Настоящее изобретение относится к адаптации МЭТ для космических электротермических двигателей. Для управления высотой спутника/космического корабля и для основной тяги была предусмотрена перестраиваемая частота MET. Вместо магнетрона (устройства, генерирующего микроволновые волны) были альтернативные конструктивные особенности, включавшие использование генераторов и полупроводников. Это сделало его более эффективным, позволив двигателю работать на двух разных частотах. ^[6]

Плюсы и минусы

Плюсы

По сравнению с другими электротермическими двигателями MET занимает более высокое место, чем резистивные двигатели , и некоторые утверждают, что они могут достичь производительности, аналогичной дуговым двигателям . Это основано на предположении, что МЕТ обеспечивает более высокий удельный импульс или, проще говоря, большую тягу при таком количестве топлива. Еще одним преимуществом является то, что, поскольку микроволны можно собирать и подавать непосредственно в камеру тяги, MET чрезвычайно совместим с космическим транспортом. Наконец, MET может работать на водяном паре в качестве топлива, который можно найти во многих различных частях космоса. ^[3]

Минусы

В целом электротермические двигатели имеют самый низкий КПД среди большинства других электрических двигательных установок . MET занимает более низкое место, чем большинство электростатических двигателей, таких как ионные двигатели . ^[3] Еще одним недостатком является то, что МЕТ имеет относительно низкую тягу по сравнению с химическими ракетными двигателями (хотя это справедливо и для электродвижителей в целом). ^[7]

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Боннал, Кристоф; ДеЛука, Луиджи Т.; Хайдн, Оскар Дж.; Фролов, Сергей М. (2009). Прогресс в физике движения, том 1 . ЭДП наук. стр. 425–438.
^ Перейти обратно: ^а ^б US 10753346 , Шерман, Дэниел Р.; Лукас, Эдвард и Куон, Брэндон и др., «Система управления микроволновым электротермическим двигателем», опубликовано 25 августа 2020 г., передано Northrop Grumman Systems Corp.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с JE, Бранденбург; Дж., Кляйн; Д., Салливан (2005). «СВЧ-электротермический (МЕТ) двигатель, использующий топливо на водяном паре». Транзакции IEEE по науке о плазме . 33 (2): 776–782. Бибкод : 2005ITPS...33..776B . дои : 10.1109/TPS.2005.845252 . S2CID 9558235 – через IEEE.
^ Клеменс, Дэниел Э. «Оценка характеристик микроволнового электротермического двигателя с использованием азота, имитирующего гидразин и аммиак» .
^ ЗАФРАН, С.; МЕРЧ, К.; ГРАББИ, Р. (1977), «Летное применение высокоэффективных электротермических двигателей» , 13-я конференция по двигательным установкам , Американский институт аэронавтики и астронавтики, номер документа : 10.2514/6.1977-965 , получено 14 ноября 2020 г.
^ Ганапати, Рохан М. (2018). «Микроволновой электротермический двигатель, адаптированный для космического электротермического движения» (PDF) .
^ Маркантонио, Джон Р. «Современная космическая электрическая двигательная установка» (PDF) .

Эта с космосом или космическими полетами статья, связанная , незавершена . Вы можете помочь Википедии, расширив ее .

[:0-1] Перейти обратно: ^а ^б Боннал, Кристоф; ДеЛука, Луиджи Т.; Хайдн, Оскар Дж.; Фролов, Сергей М. (2009). Прогресс в физике движения, том 1 . ЭДП наук. стр. 425–438.

[:1-2] Перейти обратно: ^а ^б US 10753346 , Шерман, Дэниел Р.; Лукас, Эдвард и Куон, Брэндон и др., «Система управления микроволновым электротермическим двигателем», опубликовано 25 августа 2020 г., передано Northrop Grumman Systems Corp.

[:2-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с JE, Бранденбург; Дж., Кляйн; Д., Салливан (2005). «СВЧ-электротермический (МЕТ) двигатель, использующий топливо на водяном паре». Транзакции IEEE по науке о плазме . 33 (2): 776–782. Бибкод : 2005ITPS...33..776B . дои : 10.1109/TPS.2005.845252 . S2CID 9558235 – через IEEE.

[4] Клеменс, Дэниел Э. «Оценка характеристик микроволнового электротермического двигателя с использованием азота, имитирующего гидразин и аммиак» .

[5] ЗАФРАН, С.; МЕРЧ, К.; ГРАББИ, Р. (1977), «Летное применение высокоэффективных электротермических двигателей» , 13-я конференция по двигательным установкам , Американский институт аэронавтики и астронавтики, номер документа : 10.2514/6.1977-965 , получено 14 ноября 2020 г.

[6] Ганапати, Рохан М. (2018). «Микроволновой электротермический двигатель, адаптированный для космического электротермического движения» (PDF) .

[7] Маркантонио, Джон Р. «Современная космическая электрическая двигательная установка» (PDF) .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]