Электрическая двигательная установка космического корабля
Электрическая двигательная установка космического корабля (или просто электрическая двигательная установка ) — это тип метода движения космического корабля , который использует электростатические или электромагнитные поля для ускорения массы до высокой скорости и, таким образом, создания тяги для изменения скорости космического корабля на орбите. [1] Двигательная установка управляется силовой электроникой .
Электрические двигатели обычно используют гораздо меньше топлива, чем химические ракеты, поскольку они имеют более высокую скорость выхлопа (работают с более высоким удельным импульсом ), чем химические ракеты. [1] Из-за ограниченной электрической мощности тяга намного слабее по сравнению с химическими ракетами, но электрическая двигательная установка может обеспечивать тягу в течение более длительного времени. [2]
Электрическая двигательная установка была впервые продемонстрирована в 1960-х годах и в настоящее время является развитой и широко используемой технологией на космических кораблях. Американские и российские спутники десятилетиями использовали электрическую тягу. [3] По состоянию на 2019 год [update] эксплуатируемых Более 500 космических кораблей, по всей Солнечной системе, используют электрическую двигательную установку для удержания станции , подъема на орбиту или основного движения. [4] В будущем самые совершенные электрические двигатели смогут развивать дельта-v 100 км/с (62 мили/с), что достаточно, чтобы доставить космический корабль к внешним планетам Солнечной системы (с ядерной энергией ). , но недостаточно для межзвездных путешествий . [1] [5] Электрическая ракета с внешним источником энергии (передаваемой через лазер на фотоэлектрических панелях ) имеет теоретическую возможность межзвездного полета . [6] [7] Однако электрическая двигательная установка не подходит для запусков с поверхности Земли, поскольку обеспечивает слишком малую тягу.
На пути к Марсу корабль с электрическим приводом сможет доставить к месту назначения 70% своей первоначальной массы, тогда как химическая ракета сможет нести лишь несколько процентов. [8]
История
[ редактировать ]Идея электродвижения космических кораблей была выдвинута в 1911 году Константином Циолковским . [9] [10] Ранее Роберт Годдард отметил такую возможность в своем личном блокноте. [11]
15 мая 1929 года советская научно-исследовательская лаборатория « Лаборатория газовой динамики» (ГДЛ) приступила к разработке электроракетных двигателей. Возглавляет Валентин Глушко . [12] в начале 1930-х годов он создал первый в мире образец электротермического ракетного двигателя. [13] [14] Эта ранняя работа ГДЛ неуклонно продолжалась, и в 1960-х годах на борту космического корабля «Восход-1» и «Зонд-2» использовались электрические ракетные двигатели. марсианского зонда [15]
Первым испытанием электродвижения стал экспериментальный ионный двигатель, установленный на борту советского космического корабля «Зонд-1» в апреле 1964 года. [16] однако они работали с перебоями, возможно, из-за проблем с зондом. [17] Космический корабль «Зонд-2» также нес шесть импульсных плазменных двигателей (ИПТ), 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. [18]
Первой успешной демонстрацией ионного двигателя стал космический корабль NASA SERT-1 (Space Electric Rocket Test). [19] [20] Он был запущен 20 июля 1964 года и проработал 31 минуту. [19] Последующая миссия SERT-2 стартовала 3 февраля 1970 года. На нем было два ионных двигателя, один проработал более пяти месяцев, а другой почти три месяца. [19] [21] [22]
Электрическая двигательная установка с ядерным реактором рассматривалась Тони Мартином для межзвездного проекта «Дедал» в 1973 году, но этот подход был отвергнут из-за профиля тяги , веса оборудования, необходимого для преобразования ядерной энергии в электричество, и, как следствие, небольшого ускорения . для достижения желаемой скорости потребуется столетие. [23]
К началу 2010-х годов многие производители спутников предлагали варианты электродвижения для своих спутников — в основном для управления ориентацией на орбите — в то время как некоторые операторы коммерческих спутников связи начали использовать их для вывода на геостационарную орбиту вместо традиционных химических ракетных двигателей . [24]
Типы
[ редактировать ]Ионные и плазменные приводы
[ редактировать ]Эти типы ракетных реактивных двигателей используют электрическую энергию для получения тяги от топлива . [25]
Электрические движители космических аппаратов можно разделить на три семейства в зависимости от типа силы, используемой для ускорения ионов плазмы:
Электростатический
[ редактировать ]Если ускорение вызвано главным образом кулоновской силой (т.е. приложением статического электрического поля в направлении ускорения), устройство считается электростатическим. Типы:
- Ионный двигатель с решеткой
- Двигатель на эффекте Холла , включая его подтипы: стационарный плазменный двигатель (SPT) и двигатель с анодным слоем (TAL).
- Коллоидный ионный двигатель
- Автоэмиссионная электрическая двигательная установка
- Двигатель с извлечением поля наночастиц
Электротермический
[ редактировать ]В электротермическую категорию входят устройства, которые используют электромагнитные поля для генерации плазмы и повышения температуры объемного топлива. Тепловая энергия, передаваемая пороховому газу, затем преобразуется в кинетическую энергию с помощью сопла из твердого материала или магнитных полей. Газы с низкой молекулярной массой (например, водород, гелий, аммиак) являются предпочтительными пропеллентами для систем такого типа.
Электротермический двигатель использует сопло для преобразования тепла в линейное движение, поэтому это настоящая ракета, хотя энергия, производящая тепло, поступает из внешнего источника.
Производительность электротермических систем с точки зрения удельного импульса (Isp) составляет от 500 до ~ 1000 секунд, но превосходит характеристики двигателей на холодном газе , монотопливных ракет и даже большинства двухтопливных ракет . В СССР электротермические двигатели вошли в употребление в 1971 году; советские », « Метеор спутники серии « Метеор-3 -Природа», «Ресурс-О» и российский спутник «Электро». Ими оснащены [26] Электротермические системы Aerojet (MR-510) в настоящее время используются на Lockheed Martin спутниках гидразин A2100, использующих в качестве топлива .
- Сопротивляется
- Аркджет
- Микроволновая печь
- Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом (ВАСИМР)
Электромагнитный
[ редактировать ]Электромагнитные двигатели ускоряют ионы либо силой Лоренца , либо действием электромагнитных полей, где электрическое поле направлено не в направлении ускорения. Типы:
- Безэлектродный плазменный двигатель
- Магнитоплазмодинамический двигатель
- Импульсный индуктивный двигатель
- Импульсный плазменный двигатель
- Двухслойный двигатель Helicon
- Двигатель с усиленным магнитным полем
Неионные приводы
[ редактировать ]фотонный
[ редактировать ]Фотонный привод взаимодействует только с фотонами.
Электродинамический трос
[ редактировать ]Электродинамические тросы — это длинные проводящие провода, например, те, что развёрнуты с тросового спутника , которые могут работать на электромагнитных принципах как генераторы , преобразуя свою кинетическую энергию в электрическую , или как двигатели , преобразующие электрическую энергию в кинетическую энергию. [27] Электрический потенциал генерируется на проводящем тросе при его движении через магнитное поле Земли. Выбор металлического проводника для использования в электродинамическом тросе определяется такими факторами, как электропроводность и плотность . Вторичные факторы, в зависимости от применения, включают стоимость, прочность и температуру плавления.
Спорный
[ редактировать ]Некоторые предложенные методы движения, очевидно, нарушают понимаемые в настоящее время законы физики, в том числе: [28]
Устойчивый и неустойчивый
[ редактировать ]Электрические двигательные установки можно охарактеризовать как устойчивые (непрерывное срабатывание в течение заданной продолжительности) или нестационарные (импульсное срабатывание, накапливающееся до желаемого импульса ). Эти классификации могут быть применены ко всем типам маршевых двигателей.
Динамические свойства
[ редактировать ]Ракетные двигатели с электрическим приводом обеспечивают меньшую тягу по сравнению с химическими ракетами на несколько порядков из-за ограниченной электрической мощности, доступной в космическом корабле. [2] Химическая ракета передает энергию непосредственно продуктам сгорания, тогда как электрическая система требует нескольких этапов. Однако высокая скорость и меньшая реактивная масса , затрачиваемая на ту же тягу, позволяют электрическим ракетам работать на меньшем количестве топлива. Это отличается от типичного космического корабля с химическим двигателем, двигатели которого требуют больше топлива, что требует, чтобы космический корабль в основном следовал по инерционной траектории . Находясь рядом с планетой, движение с малой тягой может не компенсировать силу гравитации. Электрический ракетный двигатель не может обеспечить достаточную тягу, чтобы поднять аппарат с поверхности планеты, но низкая тяга, приложенная в течение длительного периода времени, может позволить космическому кораблю маневрировать вблизи планеты.
См. также
[ редактировать ]- Магнитный парус — предлагаемая система, работающая от солнечного ветра Солнца или любой звезды.
- Список космических кораблей с электродвижением , список прошлых и предлагаемых космических кораблей, использовавших электродвижение.
- Технологии ракетных двигателей (значения)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Шуейри, Эдгар Ю. (2009) Новый рассвет электрической ракеты Scientific American 300, 58–65 дои : 10.1038/scientificamerican0209-58
- ^ Jump up to: а б «Электрический и химический двигатель» . Электрическая двигательная установка космического корабля . ЕКА . Проверено 17 февраля 2007 г.
- ^ «Исследования в области электродвижения в Институте фундаментальных технологических исследований» . 16 августа 2011 г. Архивировано из оригинала 16 августа 2011 г.
- ^ Лев, Дэн; Майерс, Роджер М.; Леммер, Кристина М.; Колбек, Джонатан; Коидзуми, Хироюки; Ползин, Курт (июнь 2019 г.). «Технологическое и коммерческое расширение электродвижения». Акта Астронавтика . 159 : 213–227. Бибкод : 2019AcAau.159..213L . doi : 10.1016/j.actaastro.2019.03.058 . S2CID 115682651 .
- ^ «Чуэйри, Эдгар Ю. (2009). Новый рассвет электрической ракеты» .
- ^ «Гугл Академика» . ученый.google.com .
- ^ Джеффри А. Лэндис. Межзвездный зонд с лазерным двигателем. Архивировано 22 июля 2012 года в Wayback Machine на корабле Джеффри А. Лэндиса: Наука. документы доступны в сети
- ^ Бойл, Алан (29 июня 2017 г.). «Плазменный двигатель MSNW может разжечь Конгресс на слушаниях по космическому движению» . GeekWire . Проверено 15 августа 2021 г.
- ^ Палашевски, Брайан. «Электрическая двигательная установка для будущих космических миссий (PowerPoint)» . Электрическая двигательная установка для будущих космических миссий . Исследовательский центр Гленна НАСА. Архивировано из оригинала (PPT) 23 ноября 2021 года . Проверено 31 декабря 2011 г.
- ^ Шуейри, Эдгар (26 июня 2004 г.). «Критическая история электродвижения: первые пятьдесят лет (1906–1956)» . 40-я совместная конференция и выставка AIAA/ASME/SAE/ASEE по двигательной технике . Рестон, Вириджина: Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2004-3334 .
- ^ Шуейри, Эдгар Ю. (2004). «Критическая история электродвижения: первые 50 лет (1906–1956)» . Журнал движения и мощности . 20 (2): 193–203. CiteSeerX 10.1.1.573.8519 . дои : 10.2514/1.9245 .
- ^ Сиддики, Асиф (2000). Вызов Аполлону: Советский Союз и космическая гонка, 1945–1974 гг. (PDF) . Вашингтон, округ Колумбия: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Отдел истории НАСА. п. 6 . Проверено 11 июня 2022 г.
- ^ «Газодинамическая лаборатория» . История российской советской космонавтики . Проверено 10 июня 2022 г.
- ^ Черток, Борис (31 января 2005 г.). Ракеты и люди (Том 1 изд.). Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. стр. 164–165 . Проверено 29 мая 2022 г.
- ^ Глушко, Валентин (1 января 1973 г.). Развитие ракетной и космической техники в СССР . Новости Пресс-паб. Дом. стр. 12–13.
- ^ «Зонд 1» . Координированный архив данных НАСА по космическим наукам . НАСА . Проверено 28 февраля 2024 г.
- ^ ЛеПейдж, Эндрю (28 апреля 2014 г.). «…Попробуй, попробуй еще раз» . Космический обзор . Проверено 28 февраля 2024 г.
- ^ Щепетилов В.А. (декабрь 2018 г.). «Разработка электрореактивных двигателей в Курчатовском институте атомной энергии» . Физика атомных ядер . 81 (7): 988–999 . Проверено 28 февраля 2024 г.
- ^ Jump up to: а б с Администратор контента НАСА (14 апреля 2015 г.). «Вклад Гленна в Deep Space 1» . НАСА .
- ^ Цибульски, Рональд Дж.; Шеллхаммер, Дэниел М.; Ловелл, Роберт Р.; Домино, Эдвард Дж.; Котник, Джозеф Т. (1965). «Результаты летных испытаний ионной ракеты SERT I» (PDF) . НАСА . НАСА-TN-D-2718.
- ↑ НАСА Гленн, «ИСПЫТАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ РАКЕТЫ II (SERT II)». Архивировано 27 сентября 2011 г. на Wayback Machine (по состоянию на 1 июля 2010 г.).
- ^ SERT. Архивировано 25 октября 2010 г. на странице Wayback Machine на сайте Astronautix (по состоянию на 1 июля 2010 г.).
- ^ «ПРОЕКТ ДЕДАЛ: ДВИЖИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА Часть 1. Теоретические соображения и расчеты. 2. ОБЗОР СОВЕРШЕННЫХ ДВИЖИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ» . Архивировано из оригинала 28 июня 2013 года.
- ^ де Сельдинг, Питер Б. (20 июня 2013 г.). «Спутники с электрическими двигателями в моде» . Космические новости . Проверено 6 февраля 2015 г.
- ^ ДеФеличе, Дэвид (18 августа 2015 г.). «Ионное движение» . НАСА . Проверено 31 января 2023 г.
- ^ «Отечественные электроэнергетические двигатели сегодня» . Новости Космонавтики. 1999. Архивировано из оригинала 6 июня 2011 года.
- ^ НАСА, Справочник по привязям в космосе , под редакцией М. Л. Космо и Э. К. Лоренцини, третье издание, декабрь 1997 г. (по состоянию на 20 октября 2010 г.); см. также версию в NASA MSFC ;доступно на scribd
- ^ «Почему «электромагнитная теория относительности» Шойера — мошенничество» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 25 августа 2014 года.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Лаборатория реактивного движения НАСА
- Технологическое и коммерческое распространение электродвижения - Д. Лев и др. Технологическое и коммерческое расширение электродвижения
- Электрическая (ионная) двигательная установка , Университетский центр атмосферных исследований, Университет Колорадо в Боулдере, 2000 г.
- Архитектура распределенной мощности для электродвижения
- Шуейри, Эдгар Ю. (2009). Новый рассвет электрической ракеты
- Роберт Дж. Ян и Эдгар Ю. Шуейри. Электрическая тяга
- Лаборатория электродвижения и плазменной техники (CEPPE) Университета штата Колорадо
- Стационарные плазменные двигатели (PDF)
- электрическая космическая двигательная установка
- Публичные уроки, запись: 0736
- Критическая история электродвижения: первые пятьдесят лет (1906–1956) - AIAA-2004-3334
- Aerospace America, публикация AIAA, декабрь 2005 г., раздел «Движение и энергетика», стр. 54–55, автор: Митчелл Уокер.
