| пригоден для полетов к внешним планетам Солнечной системы[1] |
Электри́ческий раке́тный дви́гатель (ЭРД) — ракетный двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц[2]. Также встречаются названия, включающие слова реактивный и движитель.
Комплекс, состоящий из набора ЭРД, системы хранения и подачи рабочего тела (СХиП), системы автоматического управления (САУ), системы электропитания (СЭП), называется электроракетной двигательной установкой (ЭРДУ).
Идея использовать для ускорения электрическую энергию в реактивных двигателях возникла практически в начале развития ракетной техники. Известно, что такую идею высказывал К. Э. Циолковский. В 1916—1917 годах Р. Годдард провёл первые эксперименты, а в 30-х годах XX столетия в СССР под руководством В. П. Глушко был создан один из первых действующих ЭРД.
С самого начала предполагалось, что разнесение источника энергии и ускоряемого вещества позволит обеспечить высокую скорость истечения рабочего тела (РТ), а также и меньшую массу космического аппарата (КА) за счёт снижения массы хранимого рабочего тела. Действительно, в сравнении с другими ракетными двигателями ЭРД позволяют значительно увеличить срок активного существования (САС) КА, существенно при этом снизив массу двигательной установки (ДУ), что, соответственно, позволяет увеличить полезную нагрузку, либо улучшить массо-габаритные характеристики самого КА.
Расчёты показывают, что использование ЭРД позволит сократить длительность полёта к дальним планетам (в некоторых случаях даже сделать такие полёты возможными) или, при той же длительности полёта, увеличить полезную нагрузку.
Начиная с середины 1960-х годов в СССР и в США начались натурные испытания ЭРД, а в начале 1970-х ЭРД стали использоваться как штатные ДУ.
В настоящее время ЭРД широко используются как в ДУ спутников Земли, так и в ДУ межпланетных КА.
Классификация ЭРД не устоялась, однако в русскоязычной литературе обычно принято классифицировать ЭРД по преобладающему механизму ускорения частиц. Различают следующие типы двигателей:
Принятая в русскоязычной литературе классификация электроракетных двигателей ЭТД, в свою очередь, делятся на электронагревные (ЭНД) и электродуговые (ЭДД) двигатели.
Электростатические делятся на ионные (в том числе коллоидные) двигатели (ИД, КД) — ускорители частиц в униполярном пучке, и ускорители частиц в квазинейтральной плазме. К последним относятся ускорители с замкнутым дрейфом электронов и протяжённой (УЗДП) или укороченной (УЗДУ) зоной ускорения. Первые принято называть стационарными плазменными двигателями (СПД), также встречается (всё реже) наименование — линейный холловский двигатель (ЛХД), в западной литературе именуется холловским двигателем. УЗДУ обычно называются двигателями с ускорением в анодном слое (ДАС).
ru-wiki.ru
Специалисты корпорации разработали и запатентовали новую систему хранения и подачи йода для ЭРДРКК «Энергия» запатентовали систему хранения и подачи йода для перспективного электроракетного двигателя (ЭРД). Идею использовать «чистый» реактивный йод в качестве так называемого рабочего тела двигателя – вещества, необходимого для получения импульса тяги, — предложил еще в конце 1990-х старший научный сотрудник Корпорации Валерий ОСТРОВСКИЙ. В 2006-м им были получены первые патенты. Научно-исследовательская работа по этому направлению началась в 2012 году по инициативе Бориса СОКОЛОВА, выдающегося отечественного двигателиста, заслуженного ветерана «Энергии». Первые испытания на штатном плазменном двигателе показали принципиальную возможность использования йода: двигатель, оборудованный дополнительным газораспределительным устройством, запускался на ксеноне, а йод поддерживал разряд. Затем конструкторы приступили к разработке системы подачи йода, которая и была в итоге запатентована. Преимущество двигателя с использованием йода прежде всего в его экономичности. В существующих ЭРД в качестве рабочего тела традиционно используется ксенон, который значительно дороже йода. Кроме того, система подачи и хранения ксенона достаточно сложная и громоздкая, что значительно увеличивает габариты и массу двигательной установки. Еще один важный момент — количества производимого ксенона недостаточно для решения перспективных задач космонавтики, например, полетов на Луну. Йод же хорошо хранится в твердом состоянии и может быть легко превращен в газ без применения многоступенчатой системы понижения давления. При ресурсных испытаниях возможна также рециркуляция йода. Как следствие — стоимость наземной отработки такого ЭРД в десятки раз ниже, при этом параметры двигателей на йоде как минимум не уступают аналогичным характеристикам ЭРД на ксеноне. Предложенный конструкторами «Энергии» вариант двигателя будет оснащён безрасходным катодом-нейтрализатором, что позволит обойтись без дополнительного газообразного рабочего тела — ксенона или аргона. Такой двигатель может использоваться как маршевый или для коррекции орбиты, например, на спутниках связи, а также при решении транспортных задач дальнего космоса. — Наземные испытания двигательной установки разработчики проведут уже в конце июня, — рассказал один из руководителей проекта, инженер-конструктор Павел ЩЕРБИНА. На 2022 год запланирован эксперимент «Островский», названный так в честь автора идеи. Предполагается первую часть эксперимента провести на борту МКС, а вторую – с использованием грузового корабля. После отстыковки корабль будет еще месяц находиться на орбите для испытаний новых, работающих на йоде электроракетных двигателей.
labuda.blog
Специалисты РКК «Энергия» сообщили о начинающихся в России испытаниях новой отечественной силовой установки для космических аппаратов – электроракетного двигателя (ЭРД), работающего на йоде. В современных ЭРД в качестве рабочего тела традиционно используется ксенон, который значительно дороже йода
На ЭРД использована разработанная и запатентованная нашими учеными оригинальная система хранения и подачи йода. Ее автором является Валерий Островский, а идейным вдохновителем – ветеран космического двигателестроения Борис Соколов.
Как сообщают российские конструкторы, проведенные ранее испытания на штатном плазменном двигателе показали принципиальную возможность использования йода: двигатель, оборудованный дополнительным газораспределительным устройством, запускался на ксеноне, а йод поддерживал разряд. После этого в РКК «Энергия» начали разработку системы подачи йода, которая легла в основу новинки, готовящейся к наземным тестам в 2018 году.
Для чего нужен такой двигатель? Он может использоваться как маршевый или для коррекции орбиты, например, на спутниках связи, а также при решении транспортных задач дальнего космоса. ЭРД на йоде экономичен и более компактен, чем его предшественники на ксеноне. Еще один важный момент - количества производимого ксенона недостаточно для решения перспективных задач космонавтики, например, полетов на Луну. Йод хорошо хранится в твердом состоянии и может быть легко превращен в газ без применения многоступенчатой системы понижения давления. При ресурсных испытаниях возможна также рециркуляция йода. В результате стоимость наземной отработки такого ЭРД в десятки раз ниже, при этом параметры двигателей на йоде как минимум не уступают аналогичным характеристикам ЭРД на ксеноне.
В космосе новый двигатель будут обкатывать в 2022 году. Для этого будет использована МКС и один из российских транспортных кораблей типа «Прогресс»
На иллюстрации: стенд для испытания электроракетного двигателя на йоде и способ испытания на стенде электроракетного двигателя, работающего на рабочем теле йоде разработки Валерия Островского (РКК "Энергия")
tehnoomsk.ru
Электроракетная двигательная установка (ЭРДУ) — комплекс бортовых систем космического аппарата (КА), включающий: собственно двигательную установку (ДУ), состоящую из двигательных блоков (ДБ), системы электропитания (СЭП), системы хранения и подачи рабочего тела (СХиП), системы автоматического управления (САУ).
Состоит из ДБ, каждый из которых имеет один или несколько ЭРД (как правило, по одному основному и резервному ЭРД в блоке).
По функциональности ДБ разделяются на маршевые двигатели и двигатели ориентации. При этом они могут быть одинаковыми, а также одни и те же двигатели могут в зависимости от программы полёта быть как маршевыми, так и двигателями ориентации.
ДБ может быть неподвижен относительно конструкции КА или может быть установлен на поворотном шарнире.
В СХиП входят: баки для хранения РТ, система подачи РТ (трубопроводы, клапаны).
РТ может храниться в любом агрегатном состоянии, в зависимости от того, какое РТ наиболее подходит для данного ЭРД. Газообразное РТ хранится в баках высокого давления (от 120 атм и выше) и подаётся к двигателям через редуктор, снижающий давление до рабочего. Жидкое РТ хранится в баках низкого давления, откуда либо вытесняется газом наддува из системы высокого давления, либо вытягивается капиллярами. Твёрдое РТ перед использованием переводится в жидкое или газообразное состояние (исключение составляют импульсные плазменные двигатели (ИПД), в которых твёрдое РТ находится непосредственно в ускорительном канале).
САУ занимается управлением и контролем состояния бортовых систем, осуществляя распределение энергии, включение и выключение двигателей, парируя возникающие нештатные ситуации. Учитывая, что САС КА может существенно превышать ресурс двигателя, САУ должна планировать переключение основных двигателей на резервные по мере выработки ресурса.
ru-wiki.org
👁 145
В АО «НПО Энергомаш» состоялось заседание президиума Научно-технического совета Интегрированной структуры ракетного двигателестроения, посвященное перспективам использования электроракетных двигательных установок (ЭРДУ) для выведения космических аппаратов на геостационарные и другие целевые орбиты.
С докладом выступил представитель Научно-исследовательского института прикладной механики и электродинамики МАИ В.Г.Петухов, который рассказал о преимуществах применения ЭРДУ при выведении КА, существующих и перспективных ЭРДУ.
Он напомнил, что схема выведения космических аппаратов с ЭРДУ на геостационарную орбиту уже используется в США, Европе и России. В ближайшей перспективе на отечественных КА для выведения будут использоваться двигатели производства ОКБ «Факел» СПД-100 и СПД-140, которые имеют близкий к оптимальному удельный импульс для решения задачи довыведения современных КА.
Для перспективных задач, включающих выведение на геостационарную орбиту КА массой более 5 тонн, создание многоразового межорбитального и лунного буксиров разрабатывается серия двигателей большой мощности: СПД-230 (ОКБ «Факел»), ИД-500 (ИЦ им. М.В.Келдыша), ВЧИД 15-20 кВт (КБХА и НИИ ПМЭ МАИ).
Главными преимуществами использования ЭРДУ В.Г.Петухов считает то, что использование ЭРДУ обеспечит выведение на геостационарную орбиту КА увеличенной массы с помощью существующих средств выведения, снижение стоимости выведения КА за счет использования средств выведения более легкого класса. Кроме того, использование ЭРДУ компенсирует северное расположение российских космодромов.
По итогам заседания участники отметили, что сегодня уже существуют реальные конструкции ЭРДУ, которые готовы к серийному использованию. Но перспективы применения ЭРДУ во многом зависят от желания «ракетчиков» массово внедрять и использовать ЭРДУ. Кроме того, по мнению участников заседания, необходимо провести комплексные оценки энергетических возможностей ЭРДУ, а также возможности использования источника энергии ЭРДУ для обеспечения эксплуатации КА.
И Airbus заявила о запуске в 2020 году самолета с электродвигателем
Корпорации Airbus, Siemens и Rolls-Royce заявили о планах запустить в 2020 году самолет со встроенным электродвигателем. Об этом пишет Air&Cosmos. Проект будет финансироваться в рамках программы E-Fan X. Как заявило руководство Airbus, целью проекта является создание регионального самолета, оснащенного гибридной силовой установкой, позволяющей работать на принципах энергосбережения.
В воздух планируется поднять среднеразмерный пассажирский реактивный самолет BAe 146, оснащенный одним электродвигателем мощностью 2 МВт. Всего самолет имеет четыре турбореактивных двигателя. В случае успеха, остальные двигатели со временем инженеры заменят на электрические и продолжат испытания. Корпорация Airbus в совместном проекте отвечает за интеграцию двигателя, функционирование системы управления силовой установкой и за систему управления полетом, Rolls-Royce сконструирует сам двигатель, а специалисты Siemens будут работать над электронной системой управления, преобразователем частоты, инвертором и системой проводки.
Отметим, ранее, в 2016 году NASA продемонстрировало первый электросамолет Х-серии, оснащенного 14-ю электродвигателями. Космическое ведомство США заявило тогда о «начале новой эры в авиации».
Электрические двигатели имеют малую тягу по сравнению с химическими ракетами. Но химические двигатели расходуют большое количество топлива и поэтому работают только короткое время. Электрические же ракетные двигатели могут работать очень долго и за большое время способны разогнать космический аппарат до приличных скоростей. Поэтому электрические ракетные двигатели лучше всего подходят на медленные путешествия на большие расстояния, а химические ракетные двигатели — на быстрые перелеты на короткие расстояния.
Источник 1 и Источник 2
aboutspacejornal.net
Изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД). В ЭРД, содержащем разрядную камеру с соплом-анодом, трубопровод подачи рабочего тела, катод, обмотку электромагнитов, согласно изобретению на всей внутренней поверхности разрядной камеры в качестве зашиты от воздействия ионизирующего излучения высокотемпературной плазмы установлены фотоэлектрические и термоэлектрические преобразователи, вырабатывающие электродвижущую силу (ЭДС), причем термоэлектрические преобразователи расположены между корпусом разрядной камеры и фотоэлектрическими преобразователями. Помимо того согласно изобретению внутренняя часть разрядной камеры выполнена из прозрачного диэлектрического материала, снаружи которого расположена зеркальная поверхность с отражающим эффектом внутрь разрядной камеры, а поверх зеркальной поверхности установлены термоэлектрические преобразователи, вырабатывающие ЭДС. Техническим результатом, достигаемым изобретением, является повышение защиты стенок разрядной камеры и обмотки электромагнитов от воздействия тепловых потоков ионизирующего излучения. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД).
Особенностью функционирования ЭРД является то, что плазма, получаемая в процессе его работы, высокими тепловыми потоками ионизирующего излучения воздействует на внутренние элементы конструкции, тем самым сокращает срок эксплуатации ЭРД. С учетом специфики работы ЭРД в условиях сверхвысокого вакуума и особенностей конструкции создание надежной защиты внутренних элементов ЭРД от воздействия плазмы является проблематичным.
Известен ЭРД, состоящий из анода, нейтральной вставки, изоляторов, управляющего соленоида, монтажного фланца, многополостного катода, испарителя лития, нагревателя емкости активирующего вещества, пористых вкладышей (см. патент РФ №2351800, МПК F03H 1/00 по заявке №2007129605/06 от 02.08.2007).
Недостатком известного ЭРД является недостаточная система защиты его элементов от воздействия ионизирующего излучения высокотемпературной плазмы.
Известен ЭРД, состоящий из герметичной керамической трубки, помещенной в неоднородное магнитное поле, разрядной камеры, анода, катода прямого накала, системы вспомогательных элементов (см. патент СССР А.С. №166974, МПК H01J по заявке №818030/26-25 от 04.11.1963).
Недостатком известного ЭРД является недостаточная система защиты его элементов от воздействия ионизирующего излучения высокотемпературной плазмы.
Известен ЭРД, состоящий из разрядной камеры, кольцевого анода, трубопровода анодного, токоподводов, магнитной системы, клапана, изоляторов, катода, корпуса двигателя, термоэмиссионного элемента катода, экранов, спирального нагревателя (см. патент РФ №2309293, МПК F03H 5/00 по заявке №2005106778/06 от 09.03.2006 - прототип).
Недостатком известного ЭРД является недостаточная система защиты его элементов от воздействия ионизирующего излучения высокотемпературной плазмы.
Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является:
- повышение защиты стенок разрядной камеры и обмотки электромагнитов от воздействия тепловых потоков ионизирующего излучения;
- увеличение ресурса работы ЭРД;
- повышение эффективности работы ЭРД.
Данная техническая задача решается тем, что в известном ЭРД, содержащем разрядную камеру с соплом-анодом, трубопровод подачи рабочего тела, катод, обмотку электромагнитов, согласно изобретению на всей внутренней поверхности разрядной камеры в качестве зашиты от воздействия ионизирующего излучения высокотемпературной плазмы установлены фотоэлектрические и термоэлектрические преобразователи, вырабатывающие электродвижущую силу (ЭДС), причем термоэлектрические преобразователи расположены между корпусом разрядной камеры и фотоэлектрическими преобразователями.
Помимо того согласно изобретению внутренняя часть разрядной камеры выполнена из прозрачного диэлектрического материала, снаружи которого расположена зеркальная поверхность с отражающим эффектом внутрь разрядной камеры, а поверх зеркальной поверхности установлены термоэлектрические преобразователи, вырабатывающие ЭДС.
Указанная совокупность признаков проявляет новые свойства, заключающиеся в том, что благодаря ей появляется возможность повысить защиту стенок разрядной камеры и обмотки электромагнитов от воздействия ионизирующего излучения высокотемпературной плазмы и, следовательно, увеличить ресурс работы ЭРД, а также использовать электрическую энергию от фотоэлектрических и термоэлектрических преобразователей для питания вспомогательного оборудования и/или зарядки источников питания ЭРД, что повышает эффективность его работы.
Схема ЭРД показана на фиг. 1, 2.
Фиг. 1 - ЭРД с фото- и термоэлектрическими преобразователями, фиг. 2 - ЭРД с кварцевым стеклом и термоэлектрическими преобразователями где;
1 - разрядная камера;
2 - трубопровод подачи рабочего тела;
3 - катод;
4 -источник питания;
5 - обмотка электромагнитов;
6 - сопло-анод;
7 - фотоэлектрические преобразователи;
8 - термоэлектрические преобразователи;
9 - контроллер;
10 - аккумулятор;
11 - нагрузочное устройство;
12 - вставка;
13 - зеркальная поверхность.
ЭРД с фото- и термоэлектрическими преобразователями состоит из разрядной камеры 1, трубопровода подачи рабочего тела 2, катода 3, источников питания 4, обмотки электромагнитов 5, сопла-анода 6, фотоэлектрических преобразователей 7, термоэлектрических преобразователей 8, контроллера 9, аккумулятора 10, нагрузочного устройства 11.
ЭРД с диэлектрической прозрачной вставкой, представленный на фиг. 2, отличается тем, что внутренняя поверхность разрядной камеры 1 выполнена из прозрачного диэлектрического материала (вставка 12), снаружи которого расположена зеркальная поверхность 13 с отражающим эффектом внутрь разрядной камеры, а поверх зеркальной поверхности установлены термоэлектрические преобразователи 8, фотоэлектрические преобразователи 7 в данном случае не устанавливаются.
ЭРД с фото- и термоэлектрическими преобразователями, представленном на фиг 1, работает следующим образом. В разрядную камеру 1 по трубопроводу 2 поступает рабочее тело, при прохождении рабочим телом катода 3, на который от источника питания 4 подается высокоамперный ток, происходит ионизация рабочего тела и образуется плазма. На разрядную камеру 1 навита обмотка электромагнитов 5, которая при пропускании через нее электрического тока от источников питания 4 внутри камеры создает сильное аксиальное (направленное вдоль оси) магнитное поле. Под воздействием этого магнитного поля (моделируемой конфигурации) плазма отжимается от стенок разрядной камеры 1, ускоряется и истекает через сопло-анод 6, создавая тем самым реактивную тягу. Для защиты корпуса разрядной камеры 1 и обмотки электромагнитов 5 от воздействия ионизирующего излучения высокотемпературной плазмы в разрядной камере 1 установлены фотоэлектрические преобразователи 7 и термоэлектрические преобразователи 8, которые, в свою очередь, вырабатывают ЭДС. Электрический ток от фотоэлектрических преобразователей 7 и термоэлектрических преобразователей 8 через контроллер 9 поступает на аккумулятор 10, от которого запитывается нагрузочное устройство 11. В качестве нагрузочного устройства 11 может выступать, например, как вспомогательное оборудование, так и источники питания 4 ЭРД.
Помимо того в ЭРД с диэлектрической прозрачной вставкой, представленный на фиг 2, с целью защиты корпуса разрядной камеры 1 и обмотки электромагнитов 5 от воздействия ионизирующего излучения высокотемпературной плазмы используется вставка 12, выполненная из диэлектрического прозрачного материала, снаружи которого расположена зеркальная поверхность 13 с отражающим эффектом внутрь разрядной камеры для отражения тепловых потоков ионизирующего излучения. С целью отвода тепла с зеркальной поверхности на ней установлены термоэлектрические преобразователи 8, вырабатывающие ЭДС.
Таким образом, благодаря использованию изобретения, за счет преобразования ионизирующего излучения высокотемпературной плазмы в электрическую энергию, происходит защита стенки разрядной камеры и обмотки электромагнитов от перегрева, увеличивается срок эксплуатации ЭРД, а также при использовании этой энергии в качестве дополнительного источника питания ЭРД повышается эффективность его работы.
1. Электроракетный двигатель, содержащий разрядную камеру с соплом-анодом, трубопровод подачи рабочего тела, катод, обмотку электромагнитов, отличающийся тем, что на всей внутренней поверхности разрядной камеры установлены фотоэлектрические и термоэлектрические преобразователи, вырабатывающие электродвижущую силу, причем термоэлектрические преобразователи расположены между корпусом разрядной камеры и фотоэлектрическими преобразователями.
2. Электроракетный двигатель, содержащий разрядную камеру с соплом-анодом, трубопровод подачи рабочего тела, катод, обмотку электромагнитов, отличающийся тем, что внутренняя часть разрядной камеры выполнена из прозрачного диэлектрического материала, снаружи которого расположена зеркальная поверхность с отражающим эффектом внутрь разрядной камеры, а поверх зеркальной поверхности установлены термоэлектрические преобразователи, вырабатывающие электродвижущую силу.
www.findpatent.ru
