Электродвигатель, дышащий атмосферой - Atmosphere-breathing electric propulsion

Электродвигатель, дышащий атмосферой, или же воздушно-реактивный двигательсокращенно ABEP - это силовая установка для космических аппаратов, которая могла бы обеспечивать создание тяги на низких орбитах без необходимости в бортовом топливе, используя остаточные газы в атмосфере в качестве топлива. Электродвигательная установка, дышащая атмосферой, может сделать возможным новый класс долгоживущих низкоорбитальных миссий.

Эта концепция в настоящее время исследуется Европейское космическое агентство[1] и проект DISCOVERER, финансируемый ЕС.[2] Современные современные электрические двигатели не могут поддерживать полет на малых высотах дольше 2 лет.[3] из-за ограничений в хранении топлива и в количестве создаваемой тяги, которая вынуждает орбиту космического корабля разрушаться. Европейское космическое агентство официально объявило о первой успешной наземной демонстрации прототипа RAM-EP в марте 2018 года.[4]

Принцип действия

ABEP состоит из воздухозаборника и электрического двигателя малой тяги: разреженных газов, которые отвечают за лобовое сопротивление. ЛЕО и VLEO (Низкий и очень низкий земной шар Орбита ), используются как пропеллент.[5][6] Эта технология в идеале позволила бы космическим кораблям выходить на орбиту на очень малых высотах (<400 км вокруг Земли) без необходимости в бортовом топливе, что позволило бы осуществлять более продолжительные миссии в новом участке высоты атмосферы. Это преимущество делает технологию интересной для научных миссий, а также для военных и гражданских служб наблюдения.

Для сбора молекул газа и направления их к двигателю будет использоваться специальный заборник. Затем молекулы будут ионизированы двигателем малой тяги и выброшены из ступени ускорения с очень высокой скоростью, создавая тягу. Необходимая электроэнергия может быть обеспечена теми же подсистемами питания, разработанными для реальных электрических двигательных систем, вероятно, комбинацией солнечных батарей и батарей, хотя можно рассмотреть и другие типы подсистем электроэнергии. ABEP может продлить срок службы спутников в ЛЕО и VLEO за счет компенсации атмосферного сопротивления во время их работы. Высота для орбитального ABEP может быть оптимизирована в пределах 120–250 км.[7] Эта технология также может быть использована на любой планете с атмосферой, если двигатель малой тяги может обрабатывать другое топливо, и если источник энергии может обеспечивать требуемую мощность, например достаточное количество солнечного излучения для солнечных панелей, таких как Марс и Венера, в противном случае должны быть внедрены другие подсистемы электроэнергии, например, для миссии вокруг Титан.

Концепция электродвигателя, дышащего атмосферой

Концепции и тестирование

RAM-EP от ESA, спроектированный и разработанный SITAEL в Италии, был впервые испытан в лаборатории в мае 2017 года.[8][9][10]

В Институт космических систем на Штутгартский университет разрабатывает воздухозаборник и двигатель малой тяги, последним является плазменный двигатель на базе ВЧ-геликона (IPT),[11] который впервые загорелся в марте 2020 г., см. Пресс-релиз IRS Uni Stuttgart. Такое устройство имеет главное преимущество - отсутствие компонентов, находящихся в прямом контакте с плазмой, что сводит к минимуму ухудшение характеристик с течением времени из-за эрозии от агрессивных пропеллентов, таких как атомарный кислород в VLEO, и не требует нейтрализатора. Впуск и подруливающее устройство разработаны в рамках DISCOVERER EU H2020 Project.

Прототип плазменного двигателя (IPT) на основе RF Helicon, работающий на азоте , Пресс-релиз Uni Stuttgart

Busek Co. Inc. в США запатентовали свою концепцию двигателя Холла с воздушным дыханием (ABHET) в 2004 году,[12] и при финансовой поддержке Институт передовых концепций НАСА, начал в 2011 году технико-экономическое обоснование, которое будет применяться к Марс (Марс-ABHET или MABHET), где система будет дышать и ионизировать атмосферные углекислый газ.[13] Концепция MABHET основана на тех же общих принципах, что и Air Breathing Ion Engine (ABIE) от JAXA или RAM-EP от ESA.[14]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Впервые в мире запускается воздушно-реактивный двигатель». Космическая техника и технологии. Европейское космическое агентство. 5 марта 2018 г.. Получено 7 марта 2018.
  2. ^ «Дом - первооткрыватель». DISCOVERER Project. Получено 28 марта 2018.
  3. ^ Д. ДиКара, Дж. Г. дель Амо, А. Сантовинченцо, BC Домингес, М. Арчони, А. Колдуэлл и И. Рома, «Электродвигатели RAM для работы на низкой околоземной орбите: исследование ESA», 30-й IEPC, IEPC-2007- 162, 2007.
  4. ^ «Впервые в мире запускается воздушно-реактивный двигатель». Космическая техника и технологии. Европейское космическое агентство. 5 марта 2018 г.. Получено 7 марта 2018.
  5. ^ Т. Шёнхерр, К. Комурасаки, Ф. Романо, Б. Массути-Баллестер и Г. Хердрич, Анализ электродвигателя, дышащего атмосферой, IEEE Transactions on Plasma Science, том 43, № 1, январь 2015 г.
  6. ^ Романо, Франческо; Массути-Баллестер, Бартомеу; Биндер, Тилман; Хердрих, Георг; Шёнхерр, Тони (2018). «Системный анализ и испытательный стенд для электрической двигательной установки, работающей в атмосфере с использованием индуктивного плазменного двигателя». Acta Astronautica. 147: 114–126. Bibcode:2018AcAau.147..114R. Дои:10.1016 / j.actaastro.2018.03.031.
  7. ^ Романо, Франческо; Массути-Баллестер, Бартомеу; Биндер, Тилман; Хердрих, Георг; Шёнхерр, Тони (2018). «Системный анализ и испытательный стенд для электрической двигательной установки, работающей в атмосфере с использованием индуктивного плазменного двигателя». Acta Astronautica. 147: 114–126. Bibcode:2018AcAau.147..114R. Дои:10.1016 / j.actaastro.2018.03.031.
  8. ^ [1]
  9. ^ Первый в мире запуск электрического подруливающего устройства с воздушным двигателем. ЕКА. 5 марта 2018.
  10. ^ Космическая команда SITAEL успешно объявляет о мировой премьере лабораторной демонстрации RAM-EP. SITAEL.
  11. ^ Романо, Франческо; Чан, Юнг-Ан; Хердрих, Георг (2020). «Конструкция индуктивного плазменного двигателя (IPT) на основе геликона RF для электрической двигательной установки, дышащей атмосферой (ABEP)». Acta Astronautica. 176: 476–483. arXiv:2007.06397. Bibcode:2020AcAau.176..476R. Дои:10.1016 / j.actaastro.2020.07.008.
  12. ^ В. Грубый; Б. Поте; Т. Броган; К. Хохман; J. J. Szabo Jr; П. С. Ростлер. "Воздушный двигатель Холла с электрическим приводом". Busek Company, Inc., Натик, Массачусетс, США, патент США 6 834 492 B2, декабрь 2004 г.
  13. ^ К. Хохман; и другие. «Атмосферный дыхательный электрический двигатель для исследования планет» (PDF). Весенний симпозиум NIAC, 27–29 марта 2012 г.
  14. ^ Разработка AEP (воздушно-реактивный двигатель) для будущего низкоорбитального космического полета. EO Portal. ЕКА.