Движитель космического корабля с электрическим приводом - Electrically powered spacecraft propulsion

6 кВт Подруливающее устройство Холла в эксплуатации на НАСА Лаборатория реактивного движения

An электрическая силовая установка космического корабля система использует электрические и, возможно, магнитные поля, чтобы изменить скорость космический корабль. Большинство из этих видов двигательная установка космического корабля системы работают за счет электрического вытеснения пороха (реакционная масса ) на высокой скорости.[1]

Электрические двигатели обычно используют гораздо меньше топлива, чем химические ракеты, потому что они имеют более высокую скорость выхлопа (работают с более высокой удельный импульс ) чем химические ракеты.[2] Из-за ограниченной электрической мощности тяга намного слабее по сравнению с химическими ракетами, но электрическая тяга может обеспечить небольшую тягу в течение длительного времени.[3] Электрическая тяга может достигать высоких скоростей в течение длительных периодов времени и, таким образом, может работать лучше, чем химические ракеты для некоторых миссий в дальний космос.[2]

Электродвигатели - это зрелая и широко используемая технология на космических кораблях. русский Спутники десятилетиями использовали электрическую тягу[4] и прогнозируется, что к 2020 году половина всех новых спутников будет иметь полностью электрический двигатель.[5] По состоянию на 2019 год, более 500 космических аппаратов эксплуатировались на всей территории Солнечная система использовать электрическую тягу для станция содержания, подъем на орбиту или первичный двигатель.[6] В будущем самые современные электрические двигатели смогут Дельта-v 100 км / с, что достаточно, чтобы доставить космический корабль к внешним планетам Солнечной системы (с атомная энергия ), но этого недостаточно для межзвездное путешествие.[2][7] Электрическая ракета с внешним источником энергии (передаваемая через лазер на фотоэлектрические панели ) имеет теоретическую возможность межзвездный полет.[8][9] Однако электрические двигательные установки не подходят для запусков с поверхности Земли, поскольку тяга для таких систем слишком мала.

История

Идея электрического двигателя для космических кораблей возникла в 1911 году и была представлена ​​в публикации Константин Циолковский.[10] Ранее, Роберт Годдард отметил такую ​​возможность в своей личной записной книжке.[11]

Электродвигатель с ядерный реактор считался доктором Тони Мартин за межзвездный Проект Дедал в 1973 г., но новый подход был отвергнут из-за очень низкой толкать, тяжелое оборудование, необходимое для преобразования ядерной энергии в электричество, и, как следствие, небольшую ускорение, что потребовало бы столетия для достижения желаемой скорости.[12]

Демонстрация электрической тяги была ионный двигатель на борту СЕРТ-1 (Space Electric Rocket Test) космический корабль,[13][14] спущен на воду 20 июля 1964 года и проработал 31 минуту.[13] В ходе последующей миссии, запущенной 3 февраля 1970 года, SERT-2 включал в себя два ионных двигателя, один из которых работал более пяти месяцев, а другой - почти три месяца.[13][15][16]

К началу 2010-х многие производители спутников предлагали для своих спутников электрические двигательные установки - в основном для орбитальных. контроль отношения - в то время как некоторые коммерческие спутник связи операторы начали использовать их для геостационарная орбита вставка вместо традиционных химическая ракета двигатели.[17]

Типы

Ионные и плазменные приводы

Эти типы ракетоподобных двигатели реакции использовать электроэнергия получить тягу от пропеллент перевозится с автомобилем. В отличие от ракетных двигателей, эти типы двигателей не обязательно имеют сопла ракет, и поэтому многие типы не считаются настоящими ракетами.[нужна цитата ]

Электродвигатели для космических аппаратов можно разделить на три семейства в зависимости от типа силы, используемой для ускорения ионов плазмы:

Электростатический

Основная статья: Ионный двигатель

Если ускорение вызвано в основном Кулоновская сила (т.е. применение статического электрическое поле в направлении ускорения) устройство считается электростатическим.

Электротермический

К электротермической категории относятся устройства, в которых электромагнитные поля используются для создания плазма для повышения температуры основного топлива. Тепловая энергия, сообщаемая топливному газу, затем преобразуется в кинетическую энергию посредством сопло из твердого материала или магнитных полей. Газы с низким молекулярным весом (например, водород, гелий, аммиак) являются предпочтительными пропеллентами для такого типа систем.

Электротермический двигатель использует сопло для преобразования тепла газа в линейное движение его молекул, так что это настоящая ракета, даже если энергия, производящая тепло, исходит от внешнего источника.

Характеристики электротермических систем по удельному импульсу (Isp) несколько скромны (от 500 до ~ 1000 секунд), но превышают подруливающие устройства на холодном газе, монотопливные ракеты, и даже большинство двухкомпонентные ракеты. в СССР электротермические двигатели применялись с 1971 г .; то Советский "Метеор-3 », Серии спутников« Метеор-Природа »,« Ресурс-О »и русский Ими оснащены спутник «Электро».[18] Электротермические системы от Аэроджет (MR-510) в настоящее время используются на Локхид Мартин Спутники A2100, использующие гидразин в качестве топлива.

Электромагнитный

Основная статья: Плазменный двигатель

Если ионы ускоряются Сила Лоренца или под действием электромагнитных полей, когда электрическое поле направлено не в направлении ускорения, устройство считается электромагнитным.

Неионные приводы

Фотонный

Фотонный драйв не вытесняет материю для реакционной тяги, только фотоны. Видеть Лазерный движитель, Фотонный лазерный двигатель, Фотонная ракета.

Электродинамический трос

Основная статья: Электродинамический трос

Электродинамические тросы - это длинные проводящие провода, например, провод, привязанный спутник, которые могут работать на электромагнитных принципах как генераторы, преобразовав свои кинетическая энергия к электроэнергия, или как моторы, преобразовывая электрическую энергию в кинетическую энергию.[19] Электрический потенциал генерируется через проводящий трос в результате его движения через магнитное поле Земли. Выбор металла дирижер возможность использования электродинамического троса определяется множеством факторов. Первичные факторы обычно включают высокий электрическая проводимость, и низкий плотность. Вторичные факторы, в зависимости от области применения, включают стоимость, прочность и температуру плавления.

Спорный

Было предложено несколько методов движения, где неясно, могут ли они работать в соответствии с общепринятыми в настоящее время законами физики, в том числе:[20]

Устойчивый против неустойчивого

Электродвигательные установки также можно охарактеризовать как устойчивый (непрерывная стрельба в течение установленного времени) или неустойчивый (импульсные срабатывания накапливаются до желаемого импульс ). Однако эти классификации не являются уникальными для электрических силовых установок и могут применяться ко всем типам двигательных установок.

Динамические свойства

Дальнейшая информация: Двигатель реакции § Использование энергии

Ракетные двигатели с электрическим приводом обеспечивают меньшую тягу по сравнению с химическими ракетами на несколько порядки величины из-за ограниченной электрической мощности, которую можно обеспечить в космическом корабле.[3] Химическая ракета передает энергию непосредственно продуктам сгорания, тогда как электрическая система требует нескольких шагов. Однако высокая скорость и меньшая реакционная масса затраченная на одинаковую тягу позволяет электрическим ракетам работать долгое время. Это отличается от типичного космического корабля с химическим двигателем, где двигатели работают только в короткие промежутки времени, в то время как космический корабль в основном следует за инерционная траектория. Находясь рядом с планетой, движение с малой тягой может не компенсировать гравитационное притяжение планеты. Электрический ракетный двигатель не может обеспечить достаточную тягу, чтобы поднять транспортное средство с поверхности планеты, но малая тяга, приложенная в течение длительного промежутка времени, может позволить космическому кораблю маневрировать рядом с планетой.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Мазуфр, Стефан (1 июня 2016 г.). «Электродвигатели для спутников и космических кораблей: отработанные технологии и новые подходы». Наука и технологии источников плазмы. 25 (3): 033002. Дои:10.1088/0963-0252/25/3/033002. ISSN  0963-0252.
  2. ^ а б c Choueiri, Эдгар Ю. (2009) Новая заря электрической ракеты Scientific American 300, 58–65 Дои:10.1038 / scientificamerican0209-58
  3. ^ а б «Электрическая или химическая тяга». Электродвигатель космического корабля. ЕКА. Получено 17 февраля 2007.
  4. ^ Исследования электродвигателя в Институте фундаментальных технологических исследований
  5. ^ За пределами границ Broadgate Publications (сентябрь 2016 г.), стр. 20
  6. ^ Лев, Дан; Майерс, Роджер М .; Леммер, Кристина М .; Кольбек, Джонатан; Коидзуми, Хироюки; Пользин, Курт (июнь 2019). «Технологическое и коммерческое расширение электродвигателя». Acta Astronautica. 159: 213–227. Дои:10.1016 / j.actaastro.2019.03.058.
  7. ^ Choueiri, Эдгар Ю. (2009). Новая заря электрической ракеты
  8. ^ Межзвездный зонд G Landis с лазерным приводом - Бюллетень APS, 1991
  9. ^ Джеффри А. Лэндис. Межзвездный зонд с лазерным питанием В архиве 22 июля 2012 г. Wayback Machine на Джеффри А. Лэндис: Наука. документы доступны в сети
  10. ^ Палашевский, Брайан. «Электродвигатель для будущих космических миссий (PowerPoint)». Электродвигатель для будущих космических миссий. НАСА Исследовательский центр Гленна. Получено 31 декабря 2011.
  11. ^ Choueiri, Эдгар Ю. (2004). «Критическая история электрического движения: первые 50 лет (1906–1956)». Журнал движения и мощности. 20 (2): 193–203. CiteSeerX  10.1.1.573.8519. Дои:10.2514/1.9245.
  12. ^ ПРОЕКТ ДАЕДАЛ: ДВИГАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА Часть 1; Теоретические соображения и расчеты. 2. ОБЗОР УЛУЧШЕННЫХ ДВИГАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ В архиве 28 июня 2013 г. Wayback Machine
  13. ^ а б c Вклад НАСА Гленна в глубокий космос 1
  14. ^ Цибульски, Рональд Дж .; Shellhammer, Daniel M .; Ловелл, Роберт Р .; Домино, Эдвард Дж .; Котник, Джозеф Т. (1965). «Результаты летных испытаний ионной ракеты SERT I» (PDF). НАСА. НАСА-TN-D-2718.
  15. ^ НАСА Гленн, «ИСПЫТАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ РАКЕТЫ II (SERT II)» В архиве 27 сентября 2011 г. Wayback Machine (Проверено 1 июля 2010 г.)
  16. ^ SERT В архиве 25 октября 2010 г. Wayback Machine страница в Astronautix (по состоянию на 1 июля 2010 г.)
  17. ^ де Селдинг, Питер Б. (20 июня 2013 г.). "Спутники с электродвигателями - все в ярости". SpaceNews. Получено 6 февраля 2015.
  18. ^ «Собственные электродвигатели сегодня» (на русском). Новости Космонавтики. 1999. Архивировано с оригинал 6 июня 2011 г.
  19. ^ НАСА, Справочник по тросам в космосе под редакцией М.Л. Cosmo and E.C. Lorenzini, Третье издание, декабрь 1997 г. (по состоянию на 20 октября 2010 г.); см. также версию на НАСА MSFC;доступен на каракули
  20. ^ «Почему« электромагнитная теория относительности »Шоуера - это мошенничество» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 25 августа 2014 г.
  • Aerospace America, публикация AIAA, декабрь 2005 г., раздел «Двигательные установки и энергия», стр. 54–55, автор: Митчелл Уокер.

внешняя ссылка