В России изобрели облегчённый электроракетный двигатель для полётов в ближнем и дальнем космосе — в теории он может работать почти вечно

Долететь до звезд. Как воронежские инженеры создали электроракетный двигатель

Инженеры воронежского Конструкторского бюро химавтоматики (КБХА) и Московского авиационного института (МАИ) всего за три года создали ионный электроракетный двигатель. Устройство не уступает по характеристикам зарубежным аналогам и по своей конструкции сильно отличается от привычных ракетных двигателей. Преимущество силовой установки – длительный ресурс работы, а это уже серьезная заявка на полеты за пределы земной орбиты. Возможно, звезды станут к нам немного ближе. И вдвойне приятно, что это отечественная разработка и воронежское исполнение. Ко Дню космонавтики корреспонденты РИА «Воронеж» расспросили о создании двигателя нового поколения с нуля ведущего инженера воронежского КБХА Павла Дронова.

Зачем нужен ионный двигатель?

Электроракетный двигатель необходим для полетов в космос, поддержания и коррекции орбит спутника с учетом точности позиционирования. Без двигателя спутник не выполнит возложенные на него задачи, а человечество лишится сотовой связи, интернета и навигации.

Чем двигатель, созданный МАИ и КБХА, лучше остальных?

Спутник, конечно, может работать и с другим типом «движка». Но у воронежско-московского есть преимущества по ресурсам и экономии топлива. Кроме того, в КБХА такого раньше не делали. Людям у станка, например, токарям, пришлось работать с нетипичными материалами: различными титановыми сплавами и молибденом. Их нужно обрабатывать по специальной технологии – критически важна высокая точность деталей. К тому же поджимали сроки: двигатель необходимо было создать за три года.

Кто работал над созданием электроракетного двигателя?

Задействовали несколько десятков человек. Работа началась в МАИ в 2009 году под руководством академика Гарри Попова совместно со специалистами из Германии. А в 2013 году, когда Минобрнауки запустило программу по взаимодействию вузов и предприятий, к ним присоединилось КБХА. До подключения воронежских специалистов двигателем занимались только в лабораторных условиях: определяли исходные данные, выбирали основные геометрические параметры. После объединения усилий КБХА стало отвечать за практическое воплощение.

Что привнесли в работу над двигателем воронежские инженеры?

Посмотрев на присланный из Москвы чертеж, воронежцы решили внести изменения в конструкцию двигателя, сделать ее более технологичной. Можно было пойти простым путем и просто перерисовать все детали, но молодая команда (в основном, конструкторы и технологи до 30 лет) решила, что нужно научиться как можно большему, работая над этим проектом. Это новая задача, а она требует гибкости ума.

Что у двигателя внутри?

Высокая точность деталей требуется неспроста. Характер у восьмикилограммового двигателя сложный: небольшая погрешность – он уже капризничает. Одним из основных деталей являются электроды – эмиссионный и ускоряющий. Они и определяют характеристики двигателя. Электроды представляют собой две перфорированные пластины. Соосность отверстий и зазор между электродами должны быть строго выверены – уменьшение зазора даже на 0,1 мм приводит к тому, что двигатель во время испытания может «взбрыкнуть», при нагреве электроды замкнет.

Как проверяли двигатель?

Двигатель протестировали в вакуумной камере – в таких условиях он находится в космосе. Сначала может поискрить (реакция на механические частицы, например, пылинки), а потом в камере появляется тусклое зеленое свечение. Сам двигатель работает без звука, как и полагается в вакууме. Также исследователи проверили требуемые основные характеристики и условия работы двигателя. Он прошел виброиспытание – ученые смотрели, как он ведет себя при тряске. Это нужно, чтобы убедиться, что при эксплуатации конструкция не получит повреждения и не развалится. На климатическом испытании проверяли жизнеспособность при резких температурных изменениях (от +50 до -50 градусов) и перепадах влажности: не испортится ли двигатель при хранении через несколько лет.

Каковы перспективы разработок в этой области?

В отличие от жидкостных ракетных двигателей, разработкой которых специалисты КБХА занимаются более полувека, электроракетные двигатели в последние годы стали новым направлением работ на предприятии. Прежде ионные электроракетные двигатели в России были освоены в меньшей степени, чем другие типы электроракетных двигателей. Ионные двигатели имеют преимущество по ресурсу работы и экономичности, что позволит решать более амбициозные задачи в освоении дальнего космоса. Госкорпорация «Роскосмос» запланировала выделение федеральных средств на разработку высокочастотных ионных двигателей в рамках Федеральной космической программы РФ 2016-2025 годов.

Electric Rocket Propulsion — Propulsion 2

1. Что такое Electric Rocket Propulsion?
2. Типы электрических ракетных двигателей
3. Преимущества электрических ракетных двигателей
4. Недостатки электрических ракетных двигателей

Электрическая ракетная двигательная установка представляет собой двигательную установку, которая использует электрические и, возможно, также магнитные поля для изменения скорости космического корабля . Большинство таких двигательных установок космических кораблей работают за счет электрического выбрасывания топлива (реактивной массы) на высокой скорости. Электрические двигатели обычно используют гораздо меньше топлива, чем химические ракеты, потому что они имеют более высокую скорость выхлопа (работают с более высоким удельным импульсом), чем химические ракеты. Из-за ограниченной электрической мощности тяга намного слабее по сравнению с химическими ракетами, но электрическая тяга может обеспечивать тягу в течение более длительного времени.

Во всех электрических силовых установках источник электроэнергии (ядерный, приемники солнечного излучения или батареи) физически отделен от механизма, создающего тягу. Этот тип силовой установки был ограничен тяжелыми и неэффективными источниками энергии. Тяга обычно невелика, обычно от 0,005 до 1 Н. Чтобы обеспечить значительное увеличение скорости транспортного средства, необходимо применять малую тягу и, следовательно, небольшое ускорение в течение длительного времени (недели или месяцы).

Упрощенная принципиальная схема электрической ракетной двигательной установки с дуговым нагревом

Типы электрической ракетной двигательной установки :

В основном существует три основных типа электрической ракетной двигательной установки:

1. Электростатическая ракетная двигательная установка
2. ракетный двигатель
3. Электромагнитный ракетный двигатель

Из трех основных типов электротермический ракетный двигатель больше всего напоминает химические ракетные установки; топливо нагревается электрически (с помощью нагревательных резисторов или электрических дуг), а затем горячий газ термодинамически расширяется и ускоряется до сверхзвуковой скорости через выхлопное сопло. Эти электротермические установки обычно имеют диапазон тяги от 0,01 до 0,5 Н, скорость истечения от 1000 до 5000 м/с, а в качестве топлива используются газообразные продукты разложения аммония, водорода, азота или гидразина.

Два других типа – электростатический или ионный двигатель и электромагнитный или магнитоплазменный двигатель – осуществляют движение по разным принципам, и термодинамическое расширение газа в сопле как таковое не применяется. Оба будут работать только в вакууме. В ионной ракете рабочее тело (обычно ксенон) ионизируется (путем отрыва электронов), а затем электрически заряженные тяжелые ионы разгоняются до очень высоких скоростей (2000—60 000 м/сек) с помощью электростатических полей. Впоследствии ионы электрически нейтрализуются; они объединяются с электронами, чтобы предотвратить накопление пространственного заряда на транспортном средстве.

В магнитоплазменной ракете электрическая плазма (активированный горячий газ, содержащий ионы, электроны и нейтральные частицы) ускоряется за счет взаимодействия электрических токов и магнитных полей и выбрасывается с высокой скоростью (от 1000 до 50 000 м/с).

• Электротермический — топливо нагревается электрически и термодинамически расширяется; т. е. газ разгоняется до сверхзвуковых скоростей через сопло, как в химической ракете.
• Электростатический. Ускорение достигается за счет взаимодействия электростатических полей с ненейтральными или заряженными частицами топлива, такими как атомарные ионы, капли или коллоиды.
• Электромагнитный. Ускорение достигается за счет взаимодействия электрического и магнитного полей в плазме. Умеренно плотная плазма представляет собой высокотемпературные или неравновесные газы, электрически нейтральные и достаточно хорошие проводники электричества.

Упрощенная принципиальная схема типичной ионной ракеты

Преимущества электрического ракетного двигателя :

1. Электрические ракетные двигатели более эффективны, чем химические, в том смысле, что им требуется гораздо меньше топлива для производства того же общий эффект.
2. Предлагает очень гибкую компоновку и, следовательно, имеет 30% уменьшение объема по сравнению с системой механического привода.
3. Предлагает разнообразие нагрузки благодаря единой централизованной выработке электроэнергии.
4. Обеспечивает большую пользу для окружающей среды за счет снижения расхода топлива на 14 000 тонн в год.
5. Создает меньше шума, так как электродвигатель имеет низкие вибрационные характеристики.
6. Система разработана с учетом высокой степени автоматизации и самоконтроля.
7. Имеет очень низкий уровень выбросов.
8. Предлагает гибкость в пространстве.
9. Электрические двигатели также позволяют очень точно регулировать силу, прикладываемую к космическому кораблю, что позволяет с несравненной точностью контролировать положение и ориентацию космического корабля на его орбите.
10. Обеспечивает безопасность.
11. Обеспечивает резервирование.

Недостатки электрического ракетного двигателя :

1. Это дорогая система.
2. Имеет меньшую эффективность по сравнению с другими системами.
3. Это сложная система из-за большого количества оборудования.

Чтобы найти больше тем на нашем веб-сайте…

Ищите:

Хотите сослаться на Википедию? Пожалуйста, нажмите здесь…

Ищи:

Пожалуйста, подпишитесь на нас и поставьте лайк 🙂

Электрические ракеты и будущее спутниковых двигателей

1 апреля 2017 г.

Человечество использует ракетные двигатели почти тысячелетие, начиная с китайских ракет и «огненных стрел» в 13 веке и заканчивая современными мощными ракетами «Спейс Шаттл» и «Сокол». На протяжении большей части этой истории ракеты работали на химическом топливе, но в прошлом веке ученые и инженеры также экспериментировали с электрическими ракетами, также известными как ионные двигатели или ионные двигательные установки.

Чипы электрораспылительного двигателя (золотого цвета), расположенные в двигательной установке на спутнике (авторская концепция). Иллюстрация предоставлена ​​Зиной Дерецкой

Вместо использования химических реакций для создания тепла и ускорения топлива, электрические ракеты используют электромагнитные или электростатические поля, воздействующие на заряженные ионы топлива, ускоряя их и выбрасывая в сторону от корабля, создавая тягу . Электрическая энергия для создания этих полей поступает от солнца, от батарей или от того и другого.

Ионные двигатели могут звучать так же, как и на звездолете «Энтерпрайз», но на самом деле они появились как практическое решение для маневров в космосе. NASA Deep Space 1, запущенный в 1998 году, продемонстрировал устойчивое использование ионного двигателя в космосе. В самой последней версии спутникового автобуса Boeing 702 используется полностью электрическая силовая установка для перехода на орбиту и маневрирования спутника после его выхода на орбиту (в предыдущих версиях использовались гибридные химические и электрические двигатели).

Электрические ракетные двигатели гораздо менее мощные, чем химические ракеты, поэтому их нельзя использовать для запуска ракет в космос. Но на орбите у них есть несколько больших преимуществ: они намного более эффективны на единицу массы топлива, чем химические ракеты. И поскольку они полагаются на электричество, они могут питаться от солнечных батарей.

Компания Accion Systems, Inc. разработала электрическую ракетную систему, основанную на технологии электрораспылительного двигателя, которая может работать в гораздо меньших масштабах, чем предыдущие ионные двигатели. Кроме того, такие двигатели дешевле и проще производить в больших количествах. Это делает их хорошо подходящими для развертывания на малых спутниках и наноспутниках, где эти двигатели могут помочь поддерживать орбиту, изменять ориентацию спутника или даже перемещать его на другую орбиту с большой эффективностью.

Двигатель электрораспылителя: как это работает

Микросхемы двигателя электрораспылителя достаточно малы, чтобы поместиться на кончике пальца, и не имеют движущихся частей. (Фото: Accion Systems, Inc.) Как система TILE создает тягу. (Иллюстрация: Зина Дерецкая)

Серьезные исследования электрических ракет начались в середине 20-го века в рамках космической гонки. В итоге выделились два основных типа. В Советском Союзе «двигатели Холла» имели ограниченное практическое применение в 20 веке. В Соединенных Штатах «ионные двигатели с сеткой» были предметом экспериментов, но не получили широкого распространения до недавнего времени как часть ксеноново-ионной силовой установки (XIPS) компании Boeing, электрической силовой установки, используемой на спутниковом автобусе Boeing 702 компании.

Третий тип электроракетной техники, электрораспылительный двигатель, не прошел экспериментальную стадию в 1960-х и 1970-х годах. Однако исследования, проведенные в последнее десятилетие Пауло Лозано из Массачусетского технологического института при содействии Натальи Брикнер и Луи Перна, превратили теорию электрораспыления в реальность. (Перна и Брикнер были аспирантами под руководством Лозано и являются соучредителями Accion Systems. )

Основная идея электрораспылительного двигателя состоит в том, что вы начинаете с проводящей жидкости и подвергаете ее воздействию сильного электрического поля. Это поле выносит заряженные ионы на поверхность, деформируя поверхность жидкости и вытягивая ее вверх и в сторону от остальной жидкости. Когда жидкость деформируется, она распространяется на более сильные части электрического поля, еще больше деформируя ее, и так далее. В конце концов поле утягивает крошечную каплю (или даже один ион) с самого кончика деформации, ускоряя ее и удаляя, создавая тягу.

Последние инновации

Опираясь на исследования Массачусетского технологического института, компания Accion усовершенствовала электрораспылитель в нескольких направлениях. Во-первых, в качестве топлива используется проводящая жидкость — соединение, жидкое при комнатной температуре и содержащее две разные молекулы (одну положительно заряженную, а другую отрицательно заряженную). Поскольку это топливо уже содержит заряженные ионы, его не нужно ионизировать, поэтому инженеры называют его «плазмой в бутылке». Напротив, другие ионные двигатели требуют этапа ионизации перед ускорением ионизированного топлива.

Во-вторых, топливо хранится внутри пористого материала, который помещает жидкость в электрическое поле двигателя через множество острых микроструктур на его поверхности. Пористый материал действует как фитиль, вытягивая топливо из резервуара в двигатель. Микроструктуры предварительно деформируют жидкость, поэтому электрическому полю нужно воздействовать только на кончики, вытягивая жидкость еще дальше и извлекая из нее по несколько ионов или молекул за раз.

В-третьих, экстрактор (часть, генерирующая электрическое поле) имеет отверстия для микроэмиттера, которые совпадают с микроструктурами на пористом материале. Его поле предназначено для извлечения ионов из каждого острия отдельно. В целом, один чип двигателя размером с пенни США содержит сотни излучателей, работающих в одном направлении.

Он не очень мощный: каждый чип размером с пенни генерирует силу всего в несколько десятков микроньютонов, что примерно равно силе, действующей на крылья комара. Но технология имеет существенные преимущества, которые могут компенсировать ее низкий уровень силы.

Двигатель с электрораспылением: плюсы и минусы

Микросхемы Accion могут быть изготовлены с использованием технологий, используемых для производства кремниевых микросхем и устройств MEMS. (Фото: Accion Systems, Inc.)

Ионные двигатели, включая двигательные установки с электрораспылением, обладают превосходным удельным импульсом — мерой эффективности массы топлива. Таким образом, несмотря на то, что их тяга слаба, они чрезвычайно эффективно расходуют топливо. Это означает, что они хорошо подходят для приложений, где время, необходимое для ускорения, не так важно, как общая масса спутника.

Для беспилотных спутников этот компромисс сделать легко. Более эффективная двигательная установка означает, что вам не нужно выделять большую часть массы спутника на топливо, оставляя больше места для полезной нагрузки или делая весь спутник менее массивным и, следовательно, более дешевым для запуска. Между тем, если на совершение маневра уходят дни или недели, это не проблема для компьютеров спутника: они могут просто терпеливо ждать.

Поскольку силовая установка может воздействовать непосредственно на проводящую жидкость, для ионизации топлива не требуется энергии.

Более того, эта жидкость чрезвычайно нелетуча, что означает, что с ней относительно безопасно обращаться. Не выделяет опасных паров. Если вы прольете немного его на поверхность, оно просто останется там, не испаряясь, годами.

Он даже не испаряется в космическом вакууме, что приводит к еще одному преимуществу — поскольку топливо имеет такую ​​низкую скорость испарения и является жидким в широком диапазоне температур, его не нужно сжимать, как это делают газовое топливо, используемое другими ионными двигательными установками. Это устраняет необходимость в громоздких, массивных, толстостенных компрессионных резервуарах.

На этом крупном плане показаны кончики эмиттера сразу за множеством отверстий в электрически заряженном экстракторе. (Фото: Лаборатория космических двигателей Массачусетского технологического института)

Система Accion не содержит движущихся частей, что делает ее чрезвычайно надежной. Отсутствие насосов или клапанов также снижает энергопотребление и общую массу системы.

Он также может производиться массово с использованием технологий, разработанных для полупроводниковой и МЭМС-индустрии. В отличие от трудоемкого «индивидуального» подхода, используемого для производства других типов ракетных двигателей, эти двигатели могут быть построены в значительной степени автоматизированным способом. Это дает возможность производить десятки и даже сотни одновременно.

Электрораспылительная технология имеет энергоэффективность, сравнимую с другими ионными двигателями, при этом около 40-50 процентов используемой мощности преобразуется в тягу. Но теоретический КПД может быть намного выше, порядка 90–95 процентов, и по мере совершенствования технологии он должен приближаться к теоретическому пределу.

Для микро- и наноспутников этот вариант технологии электрораспыления имеет одно особое преимущество — он может быть очень маленьким. Другие типы ионных двигательных установок демонстрируют резкое снижение эффективности в очень малых масштабах. Но эта система в самом маленьком виде может уместиться в пространстве мяча для гольфа или даже жевательной резинки. Чтобы генерировать больше тяги, производители спутников могут просто собрать несколько чипов в сетки любого необходимого размера.

Однако, как упоминалось выше, электрораспылительные двигатели чрезвычайно слабы, генерируя силу всего в несколько десятков микроньютонов. (Микроньютон — это сила, необходимая для ускорения одного грамма на один миллиметр в секунду за секунду.) Это исключает их, как и другие типы ионных двигателей, от использования в приложениях, где важно быстро завершить ускорение.

По плотности тяги (тяга на единицу площади) чипы электрораспылительных двигателей сравнимы с двигателями Холла и ионными двигателями с сеткой и, конечно, гораздо слабее, чем химические ракеты. Однако теоретически они могут достичь плотности тяги в 10 000 раз выше, чем в настоящее время, при улучшенных технологиях производства.

Технология новая и относительно непроверенная. Электрораспылительные двигатели, основанные на исследованиях Массачусетского технологического института, в настоящее время проходят испытания на двух спутниках в космосе.

Наконец, один «недостаток» заключается в том, что на чипы электрораспылителя не так уж интересно смотреть. Двигателей нет. Испускаемый ионный поток не виден, так что не на что смотреть. Золотые чипы двигателя просто лежат там, открытые космосу, бесшумно и невидимо испуская ионы, которые постепенно ускоряют или вращают спутник по мере необходимости.

Эта статья была написана Натальей Бейли, генеральным директором и основателем, и Луи Перна, руководителем группы механических систем и соучредителем Accion Systems (Бостон, Массачусетс). Для получения дополнительной информации нажмите здесь  .

Темы:
Аэрокосмическая промышленность Сборка Двигатели Ракеты-носители Производственные процессы Бортовые источники энергии Силовые агрегаты Топливо Ракетные двигатели Космические корабли Спутники 0175 Vehicles

More From SAE Media Group

Aerospace & Defense Tech Briefs

Tech Briefs

Aerospace & Defense Tech Briefs

Aerospace & Defense Tech Briefs

Top Stories

INSIDERAerospace

Northrop Grumman to Unveil the B-21 Raider — инженерные технологии мобильности

INSIDERWeapons Systems

Raytheon соединяет лазерное оружие с системой противовоздушной обороны NASAMS — мобильность. ..

INSIDERManned Systems

Полностью электрический пригородный самолет совершает первый полет — техника мобильности…

INSIDERDefense

ВВС изучают использование термопластического оперения для F-16 — техника мобильности…

INSIDERT Test & Measurement

90 Колебания Тепловые трубки испытаны для использования в космосе — технология мобильной техники

INSIDERGovernment

Военно-морской флот получает интегрированную многоцелевую систему лазерного оружия — инженерная мобильность…

Интернет-трансляции

Транспорт

Следующая фаза двигателя внутреннего сгорания: инновации и…

Управление движением

Безопасность и эффективность с помощью управления движением транспортного средства

Автомобильная промышленность

Устойчивое проектирование, высокая производительность и тепловое моделирование. ..

Аэрокосмическая промышленность

Анализ тепловых характеристик космического корабля с помощью COMSOL®

Испытания и измерения

Передовые решения для увеличения дальности полета и снижения затрат.