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

Ионные двигатели «Центра Келдыша» будут испытаны через 5 лет

Ионные двигатели, разработанные в исследовательском центре имени Келдыша, пройдут космические испытания в 2025-2030 годах. Эксперты называют эти работы самыми перспективными для освоения дальнего космоса и осуществления межпланетных перелетов.

Следите за новостями «Новый оборонный заказ. Стратегии» в Google News, будьте в курсе событий!

Сотрудники унитарного предприятия назвали параметры разработки: мощность от 200 Вт до 35 кВт, срок службы до 15 лет. При этом в исследовательском центре уже планируется система мощностью до 100 кВт. Предполагается, что двигатели малой мощности будут использоваться в низкоорбитальных малых космических аппаратах, высокой мощности — в тяжелых транспортных системах.

Об устройстве и значении ионных двигателей журналу «Новый оборонный заказ. Стратегии» рассказал Председатель Секции истории авиации и космонавтики СПбФ ИИЕТ РАН, заместитель председателя СПбО Русского Космического Общества Виталий Лебедев:

Ионный двигатель — один из типов электрического ракетного двигателя. Его принцип работы основан на создании реактивной тяги истекающим ионизированным газом, который разгоняется до высоких скоростей электрическим полем. То есть ионная двигательная установка (ДУ) характеризуется малой тягой и высоким удельным импульсом.

Достоинства таких двигателей — малый расход рабочего тела (топлива, в основном это инертные газы — аргон, ксенон и т.п.) и продолжительное время функционирования. Недостаток — ничтожная тяга по сравнению с обычными химическими ДУ. Поэтому ионные ДУ не могут применяться для старта с планеты, там, где необходимо преодоление сил гравитации, а используются в безвоздушном пространстве (космосе) для управления космическими аппаратами, рассчитанными на длительное функционирование при ограниченных размерах. В основном, это системы ориентации и положения искусственных спутников на орбите, или на небольших автоматических космических станциях, в качестве основного тягового двигателя.

При достаточно долгой работе, например в ходе межпланетного перелета, ионный двигатель способен разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким другим существующим видам двигательных установок. Переводя на автомобильный язык, это эффективный и экономичный двигатель для крейсерского режима движения. Ресурс работы ионных ДУ составляет от 10 тысяч до 100 тысяч часов, сейчас и у нас, и за рубежом ведутся работы по увеличению мощности таких двигателей.

Впервые идея подобного двигателя была выдвинута фантастами в 1910 году (роман Дональда В. Хорнера «Аэроплан к солнцу: приключения авиатора и его друзей»). Теоретическую базу создания таких ДУ впервые сформулировал Роберт Годдард в 1917 году. Но лишь в 1954 году Эрнст Штулингер сделал необходимые расчёты.

В 1930-х годах в Ленинграде уже велись работы над электроракетными двигателями, разновидностью которых стали ионные ДУ, основной прорыв произошел в конце 1950-х. И уже в 1964-м году на советский КА «Зонд-2» был установлен в том числе плазменно-эрозионный двигатель конструкции А.М. Андрианова. Он работал как двигатель ориентации и питался от солнечных батарей.

Сегодня при планировании дальнейшего освоения космического пространства, а также перспектив межпланетных исследований разработка подобных ДУ вместе с развитием ядерно-энергетических установок становится самым перспективным направлением исследований.

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 🙂

Как работает электрическая тяга и почему это важно?

Как работает электрическая силовая установка и почему это важно?

Автор:
Скотт Тилли, заслуженный инженер, и Тай Ли, системный инженер, Maxar Technologies
| 21. 02.2020

Время чтения:
5 минут

Являясь пионером в области электрических двигателей, компания Maxar построила более 30 космических аппаратов, наработавших в космосе более 100 000 часов активных электрических двигателей. Это принесло Maxar репутацию самого опытного интегратора электрических двигательных установок на геосинхронных спутниках в космической отрасли США. Но что такое электрическая двигательная установка (ЭР) и чем она отличается от химических двигательных установок, используемых на стандартных космических кораблях? Похоже ли это на разницу между традиционным автомобилем с бензиновым двигателем и все более популярным электромобилем? Некоторые аспекты этого сравнения уместны, но другие части — настоящая наука о ракетах.

Бензиновый автомобиль работает на химическом топливе, которое сгорает внутри двигателя, выделяя энергию, которая заставляет колеса автомобиля двигаться. На космическом корабле химические двигатели имеют камеры сгорания, в которых сжигание смеси топлива и окислителя создает тепло и давление для создания выхлопного газа, который выбрасывается из сопла. Равным и противоположным эффектом выхлопного шлейфа (помните того парня, Исаака Ньютона?) является сила, которая движет космический корабль.

Электрические двигательные установки излучают синее свечение при стрельбе. Изображение: Факел

Теперь давайте посмотрим на электромобиль и чем он похож на двигатель EP. Электромобиль получает энергию от большой перезаряжаемой батареи, которая приводит в движение двигатель, вращающий колеса. Хотя у космических кораблей есть батареи, они используют лучший источник энергии — солнце. Солнечные батареи собирают солнечную энергию, напряжение этой энергии повышается и направляется на инновационный двигатель EP. Сложный электромагнитный процесс происходит внутри двигателя с топливом на борту (обычно это ксенон в современных системах) для создания ионов, которые ускоряются с помощью электрического поля для создания выхлопного шлейфа. Как и в случае с химическими системами, этот выхлопной шлейф толкает космический корабль в нужном направлении.

Точно так же, как КПД автомобиля в милях на галлон, двигательная установка космического корабля имеет рейтинг эффективности, называемый удельным импульсом, записываемый как Isp, который показывает, насколько изменяется скорость космического корабля на единицу топлива, проходящего через двигатель. И точно так же, как электрические автомобили имеют лучшую «эффективность», чем бензиновые (4 доллара за галлон бензина делают электромобиль красивым!), система EP Isp обычно в шесть-десять раз эффективнее, чем Isp химического двигателя. Но где кислород и окислитель? В ЕР нет! Еще более интересно и важно то, что эти ЭП-системы не могут работать в атмосфере — только в космическом вакууме.

Электрические двигатели звучат великолепно, так в чем подвох? Теперь мы должны терпеть немного ракетостроения. ЭП слабее химической тяги, поэтому ускорение занимает намного больше времени. Это связано с такими вещами, как массовый расход топлива, уровни энергии, скорость истечения и молекулярный вес вылетающих частиц. Maxar использует химические двигатели для управления орбитой, которые производят 5 фунтов. силы, но его двигатели EP в настоящее время производят около 0,05 фунта. силы. Несмотря на то, что тяга ВЗ очень мала, путешествия в космосе часто занимают много времени, что позволяет системе ВЗ обеспечивать такое же увеличение скорости, как и в химической системе. Недавно первый полностью внезапный космический корабль Maxar под названием EUTELSAT 7C завершил фазу подъема орбиты, проработав более 100 дней непрерывной внезапной тяги. Аналогичная фаза с химическими двигателями заняла бы около одной недели, но потребовала бы на 1200 кг больше топлива, что эквивалентно примерно 50% веса EUTELSAT 7C без топлива.

Созданный Maxar спутник связи EUTELSAT 7C, запущенный в 2019 году, использует полностью электрическую двигательную установку.

Maxar использует свой опыт в области EP для создания космического корабля, который НАСА будет использовать для исследования металлического астероида в главном поясе астероидов под названием (16) Psyche. Космический корабль «Психея» использует большие мощные солнечные батареи, тщательно настроенные для работы в условиях тусклого солнечного света глубокого космоса, для производства электроэнергии, которая питает электроэнергетическую систему, а также остальную часть космического корабля, включая научные приборы и оборудование связи для передачи данных. обратно на Землю. Поскольку астероид находится в три раза дальше от Солнца, чем Земля, система EP в миссии Psyche настроена на работу со значительно меньшей мощностью, чем типичный космический корабль, вращающийся вокруг Земли. EP-система Psyche намного эффективнее традиционной химической двигательной установки, что делает космический корабль Psyche легче и его легче запускать с Земли.

Построенный Maxar космический корабль Psyche отправится к цельнометаллическому астероиду, используя электрическую двигательную установку нового поколения Maxar. Изображение: Максар.

Это повышение эффективности от EP будет иметь более важное значение во время первой демонстрации силового и двигательного элемента Maxar, которая начнет строительство лунных ворот под руководством НАСА. В рамках программы НАСА «Артемида» Gateway поможет отправить первую женщину и следующего мужчину на Луну к 2024 году и обеспечит будущие миссии на Марс. Эта солнечная электрическая двигательная установка будет вырабатывать около 40 кВт мощности по сравнению с примерно 13 кВт, используемыми на EUTELSAT 7C.