Импульсный плазменный двигатель

Импульсный плазменный двигатель ( PPT ), также известный как импульсная плазменная ракета ( PPR ) или плазменный реактивный двигатель ( PJE ), представляет собой форму электрической силовой установки космического корабля . ППТ обычно считаются простейшей формой электрической двигательной установки космического корабля и были первой формой электрической двигательной установки для полетов в космос после полетов на двух советских зондах ( Зонд-2 и Зонд-3 ), начиная с 1964 года. PPT обычно летают на космических кораблях с избытком электроэнергии за счет широко доступной солнечной энергии.

Операция

Схематическая компоновка импульсного плазменного двигателя

используется твердый материал (обычно ПТФЭ , более известный как тефлон) В большинстве PPT в качестве топлива , хотя очень немногие используют жидкие или газообразные топлива. На первом этапе работы PPT электрическая дуга проходит через топливо, вызывая абляцию и сублимацию топлива. Тепло, выделяемое этой дугой, заставляет полученный газ превращаться в плазму , создавая тем самым заряженное газовое облако. Из-за силы абляции плазма движется с низкой скоростью между двумя заряженными пластинами (анодом и катодом ) . Поскольку плазма заряжена, топливо эффективно замыкает цепь между двумя пластинами, позволяя току течь через плазму. Этот поток электронов создает сильное электромагнитное поле, которое затем воздействует силой Лоренца , ускоряя выход плазмы из выхлопа PPT на высокой скорости. на плазму Его принцип работы аналогичен рельсотрону . Пульсация возникает из-за времени, необходимого для перезарядки пластин после каждого выброса топлива, и времени между каждой дугой. Частота пульсации обычно очень высока, поэтому толчок создается почти непрерывным и плавным. Хотя тяга очень мала, PPT может работать непрерывно в течение продолжительных периодов времени, обеспечивая большую конечную скорость.

Энергия, используемая в каждом импульсе, сохраняется в конденсаторе. Изменяя время между разрядами каждого конденсатора, можно изменять тягу и потребляемую мощность PPT, обеспечивая универсальное использование системы.

Сравнение с химическим двигателем

Уравнение изменения скорости космического корабля задается уравнением ракеты следующим образом:

$\Delta v=v_{\text{e}}\ln {\frac {m_{0}}{m_{1}}}$

где:

$\Delta v\$ - delta-v - максимальное изменение скорости автомобиля (при отсутствии действия внешних сил),

$v_{\text{e}}$ - эффективная скорость истечения ( $v_{\text{e}}=I_{\text{sp}}\cdot g_{0}$ где $I_{\text{sp}}$ удельный импульс, выраженный как период времени и $g_{0}$ стандартная гравитация ),

$\ln$ относится к функции натурального логарифма ,

$m_{0}$ - начальная полная масса, включая топливо,

$m_{1}$ - конечная общая масса.

PPT имеют гораздо более высокую скорость выхлопа, чем химические двигатели, но имеют гораздо меньший расход топлива. Из приведенного выше уравнения Циолковского это приводит к пропорционально более высокой конечной скорости самоходного корабля. Скорость истечения PPT составляет порядка десятков км/с, в то время как традиционные химические двигатели создают тепловые скорости в диапазоне 2–4,5 км/с. Из-за этой более низкой тепловой скорости химические двигательные установки становятся экспоненциально менее эффективными при более высоких скоростях корабля, что приводит к необходимости использования электрических двигателей космических кораблей, таких как PPT. Поэтому выгодно использовать электрическую двигательную установку, такую ​​как PPT, для создания высоких межпланетных скоростей в диапазоне 20–70 км/с.

Исследовательский PPT НАСА (запущенный в 2000 году) достиг скорости истечения 13 700 м/с, создал тягу 860 мкН и потреблял 70   Вт электроэнергии.

Преимущества и недостатки

PPT очень надежны из-за своей простой конструкции (по сравнению с другими электрическими двигателями космических кораблей). В качестве электрической двигательной установки PPT выигрывают от снижения расхода топлива по сравнению с традиционными химическими ракетами, снижения стартовой массы и, следовательно, затрат на запуск, а также высокого удельного импульса, улучшающего характеристики.

Однако из-за потерь энергии, вызванных поздней абляцией и быстрой кондуктивной передачей тепла от топлива к остальной части космического корабля, эффективность движения (кинетическая энергия выхлопных газов / общая используемая энергия) очень низка по сравнению с другими формами электрического движения. около всего 10%.

Использование

PPT хорошо подходят для использования на относительно небольших космических кораблях массой менее 100 кг (особенно CubeSat ) для таких функций, как управление ориентацией , удержание станции , маневры по сходу с орбиты и исследование дальнего космоса. Использование PPT может удвоить срок службы этих небольших спутниковых миссий без значительного увеличения сложности или стоимости из-за присущей PPT простоты и относительно низкой стоимости.

Первое использование ППТ было на советском «Зонд-2» космическом зонде , на котором было установлено шесть ППТ, которые служили приводами системы ориентации. Двигательная установка PPT была испытана в течение 70 минут 14 декабря 1964 года, когда космический корабль находился на высоте 4,2 миллиона километров от Земли.

PPT был запущен НАСА в ноябре 2000 года в качестве летного эксперимента на космическом корабле Earth Observing-1 . Двигатели успешно продемонстрировали способность управлять космическим кораблем по крену и продемонстрировали, что электромагнитные помехи от импульсной плазмы не влияют на другие системы космического корабля. Импульсные плазменные двигатели также являются направлением исследований, используемым университетами для начала экспериментов с электрическим движением из-за относительной простоты и меньших затрат, связанных с PPT, по сравнению с другими формами электрического движения, такими как ионные двигатели на эффекте Холла .

Текущие исследования НАСА

11 июля 2024 года Howe Industries объявила, что заключила контракт с НАСА на грант в размере 725 000 долларов США на продолжение исследований в области двигательной технологии PPT/PPR. Компания Howe Industries заявила, что если технология движения PPT/PPR преуспеет в том, чтобы стать полнофункциональным средством доставки космических кораблей на Марс, то технология PPT/PPR должна быть способна сократить время путешествия до Марса с нынешних требований примерно в 1 год до гораздо более короткое время в пути - всего 2 месяца. Howe Industries далее заявила, что при нынешних темпах их программы исследований и разработок PPT/PPR технология, возможно, не будет полностью готова для отправки космического корабля с экипажем на Марс еще примерно через 20 лет (по состоянию на 2024 год).

См. также

• Вакуумно-дуговой двигатель
• Технологии ракетных двигателей (значения)

Внешние ссылки

• «Проектирование высокоэнергетического двухступенчатого импульсного плазменного двигателя» . Принстонский университет . Архивировано из оригинала 8 августа 2017 г. Проверено 27 июня 2020 г.
• «Импульсный плазменный двигатель EO1» (PDF) . Центр космических полетов Годдарда . Архивировано из оригинала (PDF) 16 июля 2011 г. Проверено 27 июня 2020 г.
• Эфраим Чен. «Импульсные плазменные двигатели с газовым питанием: от искр до лазерного инициирования» (PDF) . Принстонский университет. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Проверено 27 июня 2020 г.
• Майкл Бретти. «АИС-гППТ3-1С Одноканальный решетчатый импульсный плазменный двигатель» . Прикладные ионные системы . Проверено 27 июня 2020 г.