Електрически ракетен двигател

Електрически ракетен двигател (ERE) Представлява ракетен двигател, чийто принцип се основава на превръщането на електрическата енергия в насочена кинетична енергия на частиците [1]. Има и имена, които включват думи реактивен и хамал.

Комплексът, състоящ се от набор от двигатели с електрическо задвижване, система за съхранение и подаване на работна течност (SKHiP), система за автоматично управление (ACS), система за захранване (EPS), се нарича електрическа задвижваща система (EPP).

Съдържание

[редактиране] EVE еволюция

През цялата си история електрическият ракетен двигател постепенно увеличава мощността, преминавайки от йонния двигател през двигателя на Hall до двигателя MPD. Тягата се увеличава от 20-250mN до 2,5-25 N, консумацията на енергия от 1-7 kW до 100-500 kW и прилагането от основния тягов двигател на малка автоматична космическа станция към основния тягов двигател за тежки товари и пилотиран космически кораб.

[редактиране] Сравнение с химически ракети

Разликата между електрическото и химическото задвижване е показано на фигура 2. Електрическото задвижване има ниска тяга в сравнение с химическите ракети. Химическите двигатели обаче консумират огромно количество гориво и следователно работят само за кратко. Електрическите ракетни двигатели могат да работят много дълго време и дълго време са в състояние да ускорят космическия кораб до прилични скорости. Следователно електрическите ракетни двигатели са най-подходящи за бавно пътуване на големи разстояния, докато химическите ракетни двигатели са най-добри за бързи полети на къси разстояния.

С други думи, електрическите ракетни двигатели имат по-висок Δv - нарастване на скоростта за същото количество гориво. Следователно, въпреки че химическите ракети имат висока тяга, това предимство се постига за сметка на огромен разход на гориво. Това се дължи на факта, че дебитът на горивото на електрическите ракетни двигатели е много по-висок в сравнение с химическите ракети. А скоростта на потока на гориво от своя страна определя специфичната му ефективност - получената енергия на единица маса.

Като цяло, химически ракетен двигател може да се сравни със спринтьор, бягащ на 100 метра със скорост 10 m/s, а електрическият ракетен двигател е като маратонец, бягащ 40 километра със скорост, да речем, 1 m/s. Вярно е, че има едно предупреждение. В космоса няма сила на триене и гравитация, така че всяко движение се ускорява равномерно. Ако човек е тичал със скорост 1 m/s за първата секунда, то през втората секунда скоростта му вече ще бъде 2 m/s. със същото усилие на бегача.

Трябва да се отбележи, че електрически ракетен двигател може да се използва само в космоса, тъй като моментната му тяга е много по-слаба от земната гравитация. За изстрелванията все още няма алтернатива на химически ракетен двигател със способността му да развива мощна тяга за броени секунди.

[редактиране] Въведение

Идеята за използване на електрическа енергия за ускоряване на работната течност (RT) в реактивните двигатели се появява почти в началото на развитието на ракетната технология. Известно е, че тази идея е изразена от К. Е. Циолковски. През 1916-1917 г. Р. Годард провежда първите експерименти, а през 30-те години на ХХ век в СССР под ръководството на В. П. Глушко е създаден един от първите действащи ERE.

От самото начало се предполагаше, че разделянето на енергийния източник и ускореното вещество ще осигури висока скорост на изтичане на RT, както и по-малка маса на космическия кораб (SC) поради намаляване на масата на съхраняваното работна течност. Всъщност, в сравнение с други ракетни двигатели, EJE могат значително да увеличат активния живот (SAS) на космическия кораб, като същевременно значително намалят масата на задвижващата система (PS), което съответно позволява увеличаване на полезния товар или подобряване на масоразмерните характеристики на самия космически кораб.

Изчисленията показват, че използването на EJE ще намали продължителността на полета до отдалечени планети (в някои случаи дори прави такива полети възможни) или, със същата продължителност на полета, ще увеличи полезния товар.

От средата на 60-те години в СССР и в САЩ започват пълномащабни тестове на двигатели с електрическо задвижване, а в началото на 70-те години двигателите с електрическо задвижване започват да се използват като стандартни задвижващи системи.

Понастоящем EJE се използват широко както в задвижващите системи на сателитите на Земята, така и в задвижващите системи на междупланетните космически кораби.

[редактиране] EJE класификация

Класификацията на EJE не е установена, но в литературата на руски език обикновено е обичайно да се класифицира EJE според преобладаващо механизмът за ускоряване на частиците. Разграничават се следните видове двигатели:

ETD от своя страна се разделят на електрически отоплителни (END) и електрически дъгови (EDD) двигатели.

Електростатичните двигатели се разделят на йонни (включително колоидни) двигатели (ID, CD) - ускорители на частици в еднополярен лъч и ускорители на частици в квази неутрална плазма. Последните включват ускорители със затворен електронен дрейф и разширена (USP) или съкратена (USP) зона на ускорение. Първите обикновено се наричат стационарни плазмени тласкачи (SPT), среща се и името (все по-рядко) - линейният двигател на Хол (LHD), в западната литература се нарича двигател на Хол. SPL обикновено се наричат анодни ускорителни двигатели (ANM).

Силно-токовите (магнитоплазмени, магнитодинамични) двигатели включват двигатели със собствено магнитно поле и двигатели с външно магнитно поле (например краен двигател на Хол - TCD).

Импулсните двигатели използват кинетичната енергия на газовете, които се появяват, когато твърдото вещество се изпари при електрически разряд.

Всички течности и газове, както и техните смеси, могат да се използват като работна течност в EJE. За всеки тип двигател обаче има работещи течности, чието използване ви позволява да постигнете най-добри резултати. За ETD традиционно се използва амоняк, за електростатичен - ксенон, за силен ток - литий, за импулсен - флуоропластичен.

Недостатъкът на ксенона е неговата цена, поради ниското му годишно производство (по-малко от 10 тона годишно в световен мащаб), което принуждава изследователите да търсят други RT, подобни по характеристики, но по-евтини. Аргонът се счита за основен кандидат за заместване. Той също е инертен газ, но за разлика от ксенона има по-висока йонизационна енергия с по-ниска атомна маса. Енергията, изразходвана за йонизация на единица ускорена маса, е един от източниците на загуби на ефективност.

[редактиране] Кратки спецификации

EJE се характеризират с нисък масов дебит на RT и висок дебит на ускорен поток от частици. Долната граница на скоростта на изтичане приблизително съвпада с горната граница на скоростта на изтичане на струята на химически двигател и е около 3000 m/s. Горната граница е теоретично неограничена (в рамките на скоростта на светлината), но за обещаващи модели двигатели се взема предвид скорост, която не надвишава 200 000 m/s. В момента за двигатели от различен тип се счита, че оптималната скорост на отработените газове е от 16 000 до 60 000 m/s.

Поради факта, че процесът на ускорение в EJE се извършва при ниско налягане в ускоряващия канал (концентрацията на частиците не надвишава 10 20 частици/m³), плътността на тягата е доста ниска, което ограничава използването на EJE: външното налягане не трябва да надвишава налягането в ускоряващия канал, а ускорението на космическия кораб е много малко (десети или дори стотни ж). Изключение от това правило може да бъде EDD на малки космически кораби.

Електрическата мощност на електрическия задвижващ двигател варира от стотици ватове до мегавати. Използваните понастоящем EPE на космическия кораб имат мощност от 800 до 2000 W.

EJE се характеризират с не много висока ефективност - от 30 до 60%.

[редактиране] История

През 1964 г. в системата за контрол на отношението на съветския космически кораб "Zond-2" 6 ерозионни импулсни RD работят на флуоропласт в продължение на 70 минути; получените плазмени снопчета имаха температура

30 000 K и изтече със скорост до 16 km/s (кондензаторната батерия имаше капацитет 100 μF, работното напрежение беше

1 kV). В САЩ подобни тестове са проведени през 1968 г. на космическия кораб LES-6. През 1961 г. пинсинговата пътека за рулиране на американската компания Republic Aviation развива тяга от 45 mN на изпитателния стенд при скорост на изтичане 10-70 km/s.

Във втората серия от експерименти се използва азот. Скоростта на изтичане е увеличена до 120 км/сек. През 1966-1971 г. бяха пуснати четири подобни устройства (според други източници до 70 години и шест устройства).

През 1971 г. в корекционната система на съветския метеорологичен спътник "Метеор" два стационарни плазмени двигателя, разработени от Института по атомна енергия на името на В.И. И. В. Курчатова и OKB Fakel, всеки от които на захранване

0,4 kW развиват тяга от 18-23 mN и скорост на изтичане над 8 km/s. Пътеката за рулиране имаше размер 108 × 114 × 190 мм, маса 32,5 кг и запас от RT (компресиран ксенон) от 2,4 кг. По време на едно от стартирането един от двигателите е работил непрекъснато в продължение на 140 часа. Тази електрическа задвижваща система е показана на фигурата.

Също така, електрическото задвижване се използва в мисията "Зората". Планирано да се използва в проекта BepiColombo.

[редактиране] Outlook

Въпреки че електрическите ракетни двигатели имат ниска тяга в сравнение с ракетите с течно гориво, те могат да работят дълго време и да извършват бавни полети на големи разстояния (например до външните планети на Слънчевата система) [2]. Ако говорим за междузвезден полет, тогава електрически ракетен двигател с ядрен реактор има малко ускорение, така че ще са необходими векове, за да достигне необходимата скорост, което позволява да се използва само в кораби от поколения [3] [4] .

В момента много страни изучават въпросите за създаването на пилотирани междупланетни космически кораби с електрическа задвижваща система. Съществуващите EJE не са оптимални за използване като задвижващи двигатели за такива кораби и поради това в близко бъдеще трябва да се очаква подновен интерес към разработването на високотокови EJE на базата на течно-метални RT (бисмут, литий, калий, цезий ) с електрическа мощност до 1 MW, способна да работи дълго време при токове до 5-10 kA. Тези пътеки за рулиране трябва да развият тяга до 20-30 N и скорост на изтичане 20-30 km/s с ефективност 30% или повече. През 1975 г. подобен RD е тестван в СССР на спътниците Kosmos-728 (RD с електрическа мощност от 3 kW, работеща на калий, развива скорост на отработените газове

Освен в Русия и САЩ, проучванията и разработките на двигатели с електрическо задвижване се извършват и във Великобритания, Германия, Франция, Япония, Италия. Основните области на дейност на тези страни: Издателство (най-успешните разработки на Великобритания и Германия, особено съвместни); SPD и DAS (Япония, Франция); ETD (Франция). Тези двигатели са предназначени главно за сателити.