Elektrický raketový motor

Elektrický raketový motor (EP)  je raketový motor , jehož princip činnosti je založen na přeměně elektrické energie na usměrněnou kinetickou energii částic [2] . Existují také názvy, které zahrnují slova proudové letadlo a pohon .

Komplex sestávající ze sady elektrických pohonných motorů, systému pro skladování a dodávání pracovní tekutiny (SHiP), automatického řídicího systému (ACS), systému napájení (EPS), se nazývá elektrický raketový pohonný systém (EPP ). ) .

Úvod

Myšlenka využít elektrickou energii v proudových motorech ke zrychlení vznikla téměř na počátku vývoje raketové techniky. Je známo, že takovou myšlenku vyslovil K. E. Ciolkovskij . V letech 1916 - 1917 prováděl R. Goddard první experimenty a ve 30. letech 20. století vznikl v SSSR pod vedením V. P. Gluška jeden z prvních funkčních elektrických pohonných motorů.

Od samého počátku se předpokládalo, že oddělením zdroje energie a urychlované látky bude zajištěna vysoká rychlost výtoku pracovní tekutiny (RT) a také nižší hmotnost kosmické lodi (SC) snížením hmotnosti uložená pracovní kapalina . Ve skutečnosti ve srovnání s jinými raketovými motory mohou ERE výrazně zvýšit aktivní životnost (SAS) kosmické lodi a zároveň výrazně snížit hmotnost pohonného systému (PS), což vám umožňuje zvýšit užitečné zatížení nebo zlepšit hmotnost. a velikostní charakteristiky samotné kosmické lodi [3] .

Výpočty ukazují, že použití elektrického pohonného motoru umožní zkrátit dobu letu na vzdálené planety (v některých případech dokonce takové lety umožní) nebo při stejné délce letu zvýšit užitečné zatížení.

Od poloviny 60. let 20. století začaly v SSSR a Spojených státech plnohodnotné testy elektrických pohonných motorů a na počátku 70. let se elektrické pohonné motory začaly používat jako standardní pohonné systémy.

V současnosti jsou ERE široce využívány jak v pohonných systémech družic Země , tak v pohonných systémech meziplanetárních kosmických lodí.

EJE klasifikace

Klasifikace EJE není stanovena, nicméně v ruskojazyčné literatuře je obvykle zvykem klasifikovat EJE podle převládajícího mechanismu urychlování částic. Rozlišujte následující typy motorů :

• elektrotermální raketové motory (ETD) ;
• elektrostatické motory (ID, SPD) ;
• silnoproudé (elektromagnetické, magnetodynamické) motory ;
• impulsní motory .

ETD se zase dělí na motory s elektrickým ohřevem (END) a elektrickým obloukem (EDD).

Elektrostatické trysky se dělí na trysky iontové (včetně koloidních) (ID, KD)  - urychlovače částic v unipolárním svazku a urychlovače částic v kvazineutrálním plazmatu. Mezi poslední jmenované patří urychlovače s uzavřeným elektronovým driftem a rozšířenou (USDA) nebo zkrácenou (USDA) akcelerační zónou. První jmenované se obvykle nazývají stacionární plazmové trysky (SPD), objevuje se také (stále vzácnější) název - lineární Hallův tryskač (LHD), v západní literatuře se nazývá Hallova tryska . SPL se běžně označují jako urychlovací motory s anodovým ložem (ALS).

Mezi silnoproudé (magnetoplazmatické, magnetodynamické) motory patří motory s vlastním magnetickým polem a motory s vnějším magnetickým polem (například koncový Hallův motor  - THD).

Pulzní motory využívají kinetickou energii plynů, které se objevují, když se pevné těleso odpařuje elektrickým výbojem.

Jakékoli kapaliny a plyny , stejně jako jejich směsi, mohou být použity jako pracovní kapalina v elektrickém hnacím motoru. Pro každý typ motoru však existují pracovní kapaliny, jejichž použití umožňuje dosáhnout nejlepších výsledků. Pro ETD se tradičně používá amoniak , pro elektrostatický - xenon , pro silnoproudé lithium , pro pulzní - fluoroplast .

Nevýhodou xenonu je jeho cena, vzhledem k malé roční produkci (celosvětově méně než 10 tun ročně), což nutí výzkumníky hledat jiné RT, které mají podobné vlastnosti, ale jsou levnější. Argon je považován za hlavního náhradního kandidáta . Je to také inertní plyn, ale na rozdíl od xenonu má vyšší ionizační energii s nižší atomovou hmotností (energie vynaložená na ionizaci na jednotku urychlené hmoty je jedním ze zdrojů ztrát účinnosti ).

Stručná specifikace

EJE se vyznačují nízkým hmotnostním průtokem RT a vysokou rychlostí zrychleného toku částic. Spodní hranice výstupní rychlosti se přibližně shoduje s horní hranicí výstupní rychlosti proudu chemického motoru a je asi 3000 m/s. Horní hranice je teoreticky neomezená (v rámci rychlosti světla), nicméně u pokročilých modelů motorů se uvažuje s rychlostí nepřesahující 200 000 m/s. V současnosti se pro motory různých typů považuje za optimální rychlost výfuku od 16 000 do 60 000 m/s.

Vzhledem k tomu, že proces zrychlení v EJE probíhá při nízkém tlaku v urychlovacím kanálu (koncentrace částic nepřesahuje 1020 částic /m³), je hustota tahu poměrně nízká, což omezuje použití EJE: vnější tlak by neměl překročit tlak v urychlovacím kanálu a zrychlení kosmické lodi je velmi malé (desetiny nebo dokonce setiny g ). Výjimkou z tohoto pravidla může být EDD na malých kosmických lodích.

Elektrický výkon elektrického pohonného motoru se pohybuje od stovek wattů až po megawatty. V současnosti používané EJE na kosmických lodích mají výkon 800 až 2000 W.

EJE se vyznačují účinností  – od 30 do 80 %.

Historie

V roce 1964 fungovalo v systému řízení polohy sovětské kosmické lodi Zond-2 6 erozivních impulsních pojezdových drah provozovaných na fluoroplastu po dobu 70 minut ; výsledné plazmové shluky měly teplotu ~ 30 000 K a vyprchávaly rychlostí až 16 km/s (baňka kondenzátorů měla kapacitu 100 μF , provozní napětí bylo ~ 1 kV). Ve Spojených státech byly podobné testy provedeny v roce 1968 na kosmické lodi LES-6. V roce 1961 vyvinul špetkový  impulsní raketový motor americké firmy Republic Aviation tah 45 mN při rychlosti výfuku 10–70 km/s.

Dne 1. října 1966 byla do výšky 400 km vypuštěna třístupňovou geofyzikální raketou 1Ya2TA automatická ionosférická laboratoř Yantar-1 ke studiu interakce proudového proudu elektrického raketového motoru (EPR), pracujícího na argonu, s ionosférickým plazmatem. Experimentální plazma-iontová EJE byla nejprve zapnuta ve výšce 160 km a při následném letu bylo provedeno 11 cyklů její činnosti. Bylo dosaženo rychlosti tryskového proudu asi 40 km/s. Laboratoř Yantar dosáhla cílové výšky letu 400 km, let trval 10 minut, EJE pracoval stabilně a vyvinul návrhový tah pět gramů síly. Vědecká komunita se o úspěchu sovětské vědy dozvěděla ze zprávy TASS .

Ve druhé sérii experimentů byl použit dusík . Rychlost výfuku byla zvýšena na 120 km/s. V letech 1966 - 1971 byla uvedena na trh čtyři taková zařízení (podle jiných zdrojů do roku 1970 šest zařízení).

Na podzim roku 1970 úspěšně prošel zkouškami v reálném letu s přímoproudým vzduchem poháněným elektrickým hnacím motorem . V říjnu 1970 na XXI kongresu Mezinárodní astronomické federace sovětští vědci - profesor G. Grodzovsky , kandidáti technických věd Yu. Danilov a N. Kravtsov, kandidáti fyzikálních a matematických věd M. Marov a V. Nikitin, doktor Technical Sciences V. Utkin  - referoval o testování vzduchového pohonného systému. Registrovaná rychlost tryskového proudu dosáhla 140 km/s.

V roce 1971 byly v korekčním systému sovětské meteorologické družice Meteor dva stacionární plazmové motory vyvinuté Ústavem pro atomovou energii. I. V. Kurchatov a Design Bureau Fakel, z nichž každý s napájením ~ 0,4 kW vyvinul tah 18–23 mN a rychlost výfuku přes 8 km/s. RD měl rozměr 108 × 114 × 190 mm, hmotnost 32,5 kg a zásobu RT (stlačený xenon) 2,4 kg. Při jednom z inkluzí pracoval jeden z motorů nepřetržitě 140 hod. Tento elektrický pohonný systém je znázorněn na obrázku.

Také elektrické raketové motory jsou použity v misi Dawn a v projektu BepiColombo .

Perspektivy

Přestože elektrické raketové motory mají ve srovnání s raketami na kapalné palivo nízký tah , jsou schopny pracovat po dlouhou dobu a provádět pomalé lety na velké vzdálenosti [4] [1] . Dosud nejpokročilejší elektrické raketové motory mají ΔV až 100 km/s a při použití jaderných zdrojů jsou vhodné pro lety k vnějším planetám Sluneční soustavy , ale nejsou dostatečně výkonné pro mezihvězdné lety [4] [1] . Pokud mluvíme o mezihvězdném letu, pak byl pro projekt Daedalus zvažován elektrický raketový motor s jaderným reaktorem , ale byl zamítnut kvůli nízkému tahu, velké hmotnosti potřebné k přeměně jaderné energie na elektrickou energii, zařízení a v důsledku toho, malé zrychlení, které by trvalo staletí, než by bylo dosaženo požadované rychlosti [5] [6] [7] . Elektrická raketová metoda mezihvězdného letu je však teoreticky možná s externím napájením přes laser do solárních baterií kosmické lodi [8] [9] [10] .

V současné době mnoho zemí zkoumá vytvoření pilotovaných meziplanetárních kosmických lodí s elektrickými pohonnými systémy. Stávající EJE nejsou optimální pro použití jako pohonné motory pro takové lodě, a proto bychom měli v blízké budoucnosti očekávat obnovený zájem o vývoj silnoproudých EJE na bázi tekutého kovu RT ( bismut , lithium , draslík , cesium ) s el. výkon do 1 MW, schopný pracovat po dlouhou dobu při proudech do 5-10 kA. Tyto raketové motory by měly vyvinout tah až 20-30 N a rychlost 30 % a víceúčinností20-30 km/s svýfuku

Kromě Ruska a USA se výzkumem a vývojem elektrického pohonu zabývá také Velká Británie , Německo , Francie , Japonsko a Itálie . Hlavními oblastmi činnosti těchto zemí jsou: ID (nejúspěšnější je vývoj ve Velké Británii a Německu, zejména společný); SPD a DAS (Japonsko, Francie); ETD (Francie). V zásadě jsou tyto motory určeny pro satelity.

Viz také

• iontový motor
• VASIMR
• Dawn (kosmická loď)
• Inovativní Interstellar Explorer
• Závod na jaderný elektrický pohon

Odkazy

• Seznamy elektrického pohonu od vývojářů a použití na kosmických lodích // martiantime.narod.ru
• Provozování kosmické lodi s EJE (od prosince 2001)
• Kritická historie elektrického pohonu: Prvních padesát let (1906–1956) – AIAA-2004-3334

Literatura

• M.V. Kovalchuk, V.I. Ilgisonis, V.M. Kulygin. Plazmové trysky a budoucnost kosmonautiky  // Priroda  : journal. - 2017. - č. 12 (1228) . - S. 33-44 .
• Edgar Chouairy . Nový úsvit elektrických raket // " Ve světě vědy " č. 5, 2009, s. 34-42.
• Gilzin K.A. Elektrická meziplanetární vozidla . — M.: Nauka, 1970. — 432 s. Archivováno 20. února 2015 na Wayback Machine
• Elektrický raketový motor - článek z Velké sovětské encyklopedie . 
• Elektrický raketový motor  // encyklopedie "Kosmonautika", ed. Glushko V.P., 1985 - poměrně vyčerpávající materiál o různých typech elektrického pohonu
• Journal of Space Research, Volume XII, v.3, str.461
• Grishin S. D., Leskov L. V. Elektrické raketové motory kosmických vozidel . - M .: Mashinostroenie, 1989. - 216 s. — ISBN 5-217-00595-5 .  (nedostupný odkaz)

Poznámky

1. ↑ 1 2 3 Edgar Chouairy . Nový úsvit elektrických raket // " Ve světě vědy " č. 5 2009, s. 34-42.
2. ↑ Částice je v tomto případě chápána jako atom nebo iont , který tvoří jet ERE. Spolu s ionty musí odletět stejný počet elektronů, aby se kompenzoval elektrický náboj. Výjimkou jsou koloidní a impulsní motory, kde je částice makročástice (například kapka kapaliny nebo molekula fluoroplastu ).
3. ↑ Kovalchuk, Ilgisonis, Kulygin, 2017 .
4. ↑ 1 2 Choueiri, Edgar Y. (2009) Nový úsvit elektrické rakety // Scientific American 300, 58-65 doi : 10.1038/scientificamerican0209-58
5. ↑ PROJEKT DAEDALUS: POHONNÝ SYSTÉM Část 1; Teoretické úvahy a výpočty. 2. RECENZE POKROČILÝCH POHONNÝCH SYSTÉMŮ  (nedostupný odkaz)
6. ↑ Projekt Daedalus – Origins
7. ↑ Setkání Společnosti šlechtických pánů - překlad A. Semenova.
8. ↑ Laserem poháněná mezihvězdná sonda G Landis – Bulletin APS, 1991
9. ↑ Geoffrey A. Landis: Geoffrey A. Landis. Archivováno z originálu 22. července 2012. o Vědě. dokumenty dostupné na webu
10. ↑ Geoffrey A. Landis . Mezihvězdná iontová sonda poháněná laserovým paprskem