Плюсы и минусы: как работают электростатические двигатели

Search

10.02.2022

Время на чтение 6 мин.

Если попросить любого из нас представить реактивный двигатель, то воображение рисует струи огня, вырывающиеся из сопла и толкающие самолет или огромную ракету. Однако реактивные двигатели могут быть и другими: в них аппарат толкает поток ионизированных частиц, которые приводятся в движение электромагнитным полем. Подробнее о том, как это работает и в чем основной недостаток подобных устройств, поговорим в этом материале.

Нужно больше ионов!

На основанном выше принципе работают так называемые электрические ракетные двигатели. Мы подробно остановимся на двух типах электростатических двигателей — ионных и плазменных, — которые уже успешно применяются на космических аппаратах.

В электростатических двигателях создается электростатическое поле (привет, капитан очевидность) — электрические заряды, которые его «производят», неподвижны в пространстве и не изменяются со временем. В этом поле и разгоняются частицы рабочего тела — так в ракетостроении называют вещество, которое выбрасывают из летательного аппарата, чтобы создать тягу. В качестве рабочего в электрических ракетных двигателях могут использоваться практически любые жидкости, газы и их смеси, но для электростатических двигателей как правило используют благородный газ ксенон.

В целом, принцип работы ионного двигателя довольно прост. Нейтральные по заряду атому ксенона поступают в ионизатор, где бомбардируются электронами. Эти электроны выбивают собственные электроны ксенона, в результате чего в ионизаторе образуются положительно заряженные ионы ксенона и свободные электроны, то есть газ в состоянии плазмы.

Положительно заряженные ионы притягиваются к сеткам системы извлечения, между которыми поддерживается большая разность потенциалов. В результате ионы разгоняются и выбрасываются из двигателя. Ну а дальше все по третьему закону Ньютона — действию всегда есть равное противоположное действие: ионы вылетают, аппарат толкают.

Помните, у нас еще остались свободные электроны? Они собираются на специальную катодную трубку, которая выведена в камеру ионизации, и выбрасываются под небольшим углом к потоку ионов.

Концептуально второй тип электростатических двигателей — двигатели на эффекте Холла — работает по тому же принципу. Эффект Холла заключается в том, что если расположить проводник в перпендикулярные относительно друг друга электрическое и магнитное поля, то на краях этого проводника возникнет разность потенциалов.

Такой двигатель эффективнее, чем ионный, поскольку в нем для создания тяги задействуются и положительные ионы, и электроны.

Плюсы и минусы

Возможно, именно ионные двигатели откроют нам путь к исследованию и последующему освоению Солнечной системы. По крайней мере, если не считать разнообразные фантастические варианты вроде антиматерии, термоядерных установок и варп-ядра, это лучшее, что инженеры придумали и смогли реализовать. Основное достоинство ионных двигателей — это крайне низкий расход рабочего тела. Например, аппарату Dawn на полет к астероиду Веста и малой планете Церера (а это, на минуточку, почти семь миллиардов километров) потребовалось всего 425 килограммов ксенона. У двигателей также высокий удельный импульс (отношение создаваемой тяги к расходу топлива). Ионы выбрасываются с очень большой скоростью — например у рекордного Dual-Stage 4-Grid, созданного совместно Европейским космическим агентством и Австралийским национальным университетом в 2006 году, скорость выхлопа достигла (pdf) 210 км/с. Впрочем, обычно он варьируется в пределах 20–50 км/с, но и это намного выше, чем 3–5 км/с у химических ракетных двигателей. Благодаря этому упоминавшийся Dawn смог установить рекорд негравитационного (то есть без использования маневров, когда аппарат ускоряется за счет гравитационного воздействия массивных небесных тел) ускорения, достигнув скорости 11,1 км/с (почти 40 000 км/ч).

Важным преимуществом для длительных полетов является то, что ионный двигатель может работать беспрерывно в течение многих лет. Так, NEXT, который был построен Aerojet Rocketdyne, отработал рекордные на тот момент 48 тысяч часов, или 5,5 года. Наконец, ионные двигатели могут похвастаться впечатляющим КПД — 60–80 %.

Впрочем, долговечность ионных двигателей все же ограничена. Поскольку металлические части контактируют с плазмой, они со временем разрушаются. Так что инженеры постоянно ищут более устойчивые материалы, ведь для полетов к дальним объектам необходимо быть уверенным, что двигатель проработает многие годы.

Другой недостаток ионного двигателя — для его работы нужно много энергии, до 7 кВт. Солнечные батареи не вариант (особенно если мы собираемся лететь в глубины нашей системы), поэтому аппараты с ионными двигателями необходимо комплектовать либо очень емкими батареями, либо небольшими ядерными реакторами, которые обеспечат достаточную мощность.

И если первые два недостатка инженеры с успехом преодолевают, то третий пока что является наиболее существенным. У ионных двигателей очень маленькая тяга, которая измеряется в миллиньютонах. Рекорд принадлежит разработанному NASA и Мичиганским университетом X-3 — 5,4 ньютона. Для сравнения, тяга самой мощной в истории ракеты-носителя Super Heavy должна составить 75 315 000 ньютонов.

В условиях вакуума тяга — не самая важная характеристика, но стартовать с поверхности другого небесного тела аппараты с ионным двигателем не смогут. У них не хватит тяги для преодоления притяжения и сопротивления атмосферы. Так, например, случилось со спутниками Starlink, которые оборудованы холловскими двигателями. Из-за магнитной бури верхние слои атмосферы стали более плотными, и аппараты не смогли выйти на расчетную орбиту. Поэтому пока оптимальной выглядит комбинация традиционных химических и ионных двигателей.

Впрочем, ионные двигатели — это очень перспективное направление. Они уже установлены на две сотни космических аппаратов, включая МКС и базовый модуль китайской орбитальной станции Тяньхэ. Благодаря ионному двигателю зонд «Хаябуса» долетел до астероида Итокава и вернулся обратно с образцом вещества, а европейский BepiColombo доберется до Меркурия. Возможно, однажды именно ионные двигатели позволят нам долететь до границ Солнечной системы и еще дальше.

Другие статьи

Электроракетный двигатель принцип работы

Электрический ракетный двигатель (электроракетный двигатель) – ракетный двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц.

• Электроракетный двигатель, сущность, устройство, принцип работы
• История возникновения электрических ракетных двигателей
• Классификация, типы и виды электрических ракетных двигателей
• Как работают ракетные двигатели?
• Тяга
• Будущее ракетных двигателей
• Основные типы ракетных двигателей
• Источники:

Электроракетный двигатель, сущность, устройство, принцип работы

Принцип работы основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц. В таких двигателях в качестве источника энергии для создания тяги используется электрическая энергия бортовой энергоустановки космического аппарата. Электрические ракетные двигатели имеют исключительно высокий удельный импульс, составляющий до 100 км/с и более. Однако большой потребный расход энергии (1-100 кВт/Н тяги) и малое отношение тяги к площади поперечного сечения реактивной струи (не более 100 кН/м2) ограничивают максимальную целесообразную тягу ЭРД несколькими десятками ньютон.

Недостатком электрических ракетных двигателей также является малое ускорение космического аппарата, которое составляет десятые или даже сотые доли ускорения свободного падения (g), что ограничивает применение таких двигателей только космическим пространством. Поэтому для запуска космического аппарата с Земли к другим планетам необходимо комбинировать обычные химические ракетные двигатели с электрическими.

История возникновения электрических ракетных двигателей

Впервые идею использования электрической энергии высказывал К.Э. Циолковский в 1912 г.  В статье «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (Вестник воздухоплавания, №9, 1912 г.) он писал: «… с помощью электричества можно будет придавать громадную скорость выбрасываемым из реактивного прибора частицам…»

В 1916-1917 гг. Р. Годдард экспериментально подтвердил реальность осуществления этой идеи. В 1929-1933 гг. под руководством В. П. Глушко был создан один из первых действующих электрических ракетных двигателей. Впоследствии на некоторое время работы по разработке ЭРД были прекращены.

Они возобновились только в конце 1950-х – начале 1960-х гг. и уже к началу 1980-х гг. в СССР и США испытано около 50 различных конструкций электрических ракетных двигателей в составе космических аппаратов и высотных атмосферных зондов. В настоящее время ЭРД широко используются в космических аппаратах: как в спутниках, так и в межпланетных космических аппаратах.

Классификация, типы и виды электрических ракетных двигателей

По принципу действия:

– электротермические (электронагревные) ракетные двигатели,

– электростатические ракетные двигатели,

– электромагнитные ракетные двигатели.

Для каждого типа и вида двигателя используется определенное рабочее тело: газ, жидкость или твердое вещество.

По режиму работы различают стационарные и импульсные электромагнитные ракетные двигатели.

Стационарные электромагнитные ракетные двигатели работают непрерывно. Их разновидностями являются холловские двигатели (двигатели на основе эффекта Холла) и МГД-двигатели.

Импульсные электромагнитные ракетные двигатели работают в режиме кратковременных импульсов длительностью от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд. Варьируя частоту включений двигателя и длительность импульсов, можно получать любые необходимые значения суммарного импульса тяги.

Разновидностями импульсных электромагнитных ракетных двигателей являются пинчевые двигатели, двигатели с бегущей волной, коаксильные и линейные (шинные, рельсовые) двигатели.

На базе указанных основных типов (классов) ЭРД создаются различные промежуточные и комбинированные варианты, в наибольшей степени отвечающих конкретным условиям использования.

Как работают ракетные двигатели?

Освоение космоса — самое удивительное из мероприятий, когда-либо проводимых человечеством. И большую часть удивления составляет сложность. Освоение космоса осложняется массой проблем, которые нужно решить и преодолеть. Например, безвоздушное пространство, проблема с температурой, проблема повторного входа в атмосферу, орбитальная механика, микрометеориты и космический мусор, космическая и солнечная радиация, логистика в условиях невесомости и другое. Но самая сложная проблема — это просто оторвать космический корабль от земли. Здесь не обойтись без ракетного двигателя, поэтому в этой статье мы рассмотрим именно это изобретение человечества.

С одной стороны, ракетные двигатели настолько просто устроены, что за небольшую копейку вы сможете построить ракету самостоятельно. С другой стороны, ракетные двигатели (и их топливные системы) настолько сложны, что доставкой людей на орбиту, по сути, занимаются только три страны мира.

Когда люди задумываются о двигателе или моторе, они думают о вращении. К примеру, бензиновый двигатель автомобиля производит энергию вращения, чтобы двигать колеса. Электродвигатель производит энергию вращения для движения вентилятора или диска. Паровой двигатель делает то же самое, чтобы вращать паровую турбину.

Ракетные двигатели принципиально отличаются. Ракетные двигатели — это реактивные двигатели. Основной принцип движения ракетного двигателя — это знаменитый принцип Ньютона, «на каждое действие есть равное противодействие». Ракетный двигатель выбрасывает массу в одном направлении, а благодаря принципу Ньютона движется в противоположном направлении.

Ракетный двигатель, как правило, выбрасывает массу в форме газа под высоким давлением. Двигатель выбрасывает массу газа в одном направлении, чтобы получить реактивное движение в противоположном направлении. Масса идет от веса топлива, которое сгорает в двигателе ракеты. Процесс горения ускоряет массы топлива так, что они выходят из сопла ракеты на высокой скорости. Тот факт, что топливо превращается из твердого тела или жидкости в процессе сгорания, никак не меняет его массу. Если вы сожжете килограмм ракетного топлива, вы получите килограмм выхлопа в виде горячих газов на высокой скорости. Процесс сжигания ускоряет массу.

Тяга

«Сила» ракетного двигателя называется тягой. Тяга измеряется в ньютонах в метрической системе и «фунтах тяги» в США (4,45 ньютона тяги эквивалентны одному фунту тяги). Фунт тяги — это количество тяги, необходимое для удержания 1-фунтового объекта (0,454 кг) неподвижным относительно силы тяжести Земли. Ускорение земной гравитации составляет 9,8 м/с².

Одной из забавных проблем ракет является то, что топливный вес, как правило, в 36 раз больше полезной нагрузки. Потому что помимо того, что двигателю нужно поднимать вес, этот же вес и способствует собственному подъему. Чтобы вывести крошечного человека в космос, нужна огромная ракета и много-много топлива.

Обычная скорость для химических ракет составляет от 8000 до 16 000 км/ч. Топливо горит около двух минут и вырабатывает 3,3 миллиона фунтов тяги на старте. Три основных двигателя космического шаттла, например, сжигают топливо в течение восьми минут и вырабатывают около 375 000 фунтов тяги каждый в процессе горения.

Будущее ракетных двигателей

Мы привыкли видеть химические ракетные двигатели, которые сжигают топливо для производства тяги. Но есть масса других способов для получения тяги. Любая система, которая способна толкать массу. Если вы хотите ускорить бейсбольный мячик до невероятной скорости, вам нужен жизнеспособный ракетный двигатель. Единственная проблема при таком подходе — это выхлоп, который будет тянуться через пространство. Именно эта небольшая проблема приводит к тому, что ракетные инженеры предпочитают газы горящим продуктам.

Многие ракетные двигатели крайне малы. К примеру, двигатели ориентации на спутниках вообще не создают большую тягу. Иногда на спутниках практически не используется топливо — газообразный азот под давлением выбрасывается из резервуара через сопло.

Новые конструкции должны найти способ ускорить ионы или атомные частицы до высокой скорости, чтобы сделать тягу более эффективной. А пока будем пытаться делать электромагнитные двигатели и ждать, что там еще выкинет Элон Маск со своим SpaceX.

Основные типы ракетных двигателей

Источники:

• втораяиндустриализация. рф
• Пикабу!
• Военное обозрение
• SYL.ru
• мастерок
• FB.ru
• meanders.ru
• bigenc.ru
• Hi-News.ru
• Студопедия
• У Самоделкина
• Asutpp

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 5 чел.
Средний рейтинг: 2.8 из 5.

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. Электротермическая ракетный двигатель
2. электростатический 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 для их производства требуется гораздо меньше топлива то же самое 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…

Искать:

Пожалуйста, подпишитесь на нас и поставьте лайк 🙂

Солнечная электрическая тяга | Aerojet Rocketdyne

Загрузка. ..

Устойчивая и надежная космическая двигательная установка

Солнечная электрическая двигательная установка (SEP) обычно используется для перемещения спутников на их надлежащие орбитальные позиции и удержания их на месте, когда они там находятся. При питании от бортовых солнечных батарей системы SEP используют значительно меньше топлива, чем сопоставимые традиционные химические двигательные установки.

Aerojet Rocketdyne является мировым лидером в разработке, квалификации и полетах электрических двигательных установок, которые позволяют выполнять гражданские, оборонные и коммерческие задачи для различных клиентов. Мы поставили более 600 электрических двигателей, которые на сегодняшний день установлены на более чем 250 спутниках.

Преимущества SEP

• Меньшая стартовая масса из-за меньшего количества топлива позволяет снизить стоимость запуска
• Уменьшенная масса топлива обеспечивает дополнительную грузоподъемность
• Увеличено время маневрирования и полета спутника с тем же количеством топлива

Обеспечение пилотируемых миссий в дальнем космосе

Помимо операций со спутниками, системы SEP являются ключевыми для обеспечения будущих пилотируемых миссий в дальнем космосе. Aerojet Rocketdyne разрабатывает передовые электрические двигательные установки, которые позволят людям вернуться на Луну и на Марс. SEP будет играть решающую роль в эффективной доставке грузов и полезной нагрузки в дальний космос до прибытия экипажа.

Текущие продукты SEP

• XR-5: Проверенная в полете подсистема двигателя Холла XR-5 в настоящее время используется как на коммерческих, так и на государственных спутниках, включая созвездие Advanced Extremely High Frequency (AEHF) Космических сил, Northrop Grumman’s GEOstar- 3™ GEO Comsat и машины расширения миссии, а также LM2100™ GEO Comsat компании Lockheed Martin.
• AEPS: Разработанный совместно с Исследовательским центром Гленна НАСА и Лабораторией реактивного движения двигатель Advanced Electric Propulsion System (AEPS) мощностью 12 кВт компании Aerojet Rocketdyne завершил экспериментальные испытания в 2021 году. AEPS работает на мощности 12 кВт, что более чем в два раза превышает уровень мощности электрических двигателей, используемых сегодня на спутниках. . Три двигателя AEPS будут служить основным источником движения силового и двигательного элемента (PPE) для международного лунного шлюза НАСА, чтобы обеспечить переход на орбиту и маневрирование в космосе.
• NEXT-C: NEXT-C — это солнечная электрическая двигательная установка следующего поколения, разработанная и построенная компанией Aerojet Rocketdyne на основе проверенной технологии, разработанной в Исследовательском центре Гленна НАСА. Ионная система NEXT-C мощностью 7 кВт дебютировала в ходе испытаний НАСА по перенаправлению двойного астероида (DART), когда она была запущена в 2021 году. Система NEXT-C прошла приемочные и интеграционные испытания в Исследовательском центре Гленна НАСА и была доставлена ​​в Лабораторию прикладной физики Джона Хопкинса. в мае 2020 года. DART продемонстрирует потенциал NEXT-C для применения в будущих миссиях НАСА.
• XR-100: Вместе с товарищами по команде JPL, ZIN Technologies Inc. и Мичиганским университетом компания Aerojet Rocketdyne разработала и испытала систему Nested Hall Thruster мощностью 100 кВт, включая блок обработки энергии и систему подачи ксенона для программы XR-100 ( в рамках программы НАСА NextSTEP).
• MR-510 Arcjets: Aerojet Rocketdyne дуговые дуги энергии проходят через гидразиновое топливо, нагревая и ускоряя его для создания тяги и увеличения удельного импульса примерно с 220 с до 585 с. Arcjets летали на более чем 55 космических кораблях и в настоящее время используются на спутниковых автобусах Lockheed Martin LM2100™ и Boeing 702MP.
• MR-502 IMPEHT: Aerojet Rocketdyne Усовершенствованные электротермические гидразиновые двигатели (IMPEHT) повышают удельные импульсные характеристики гидразиновых двигателей за счет подачи электроэнергии через резистивный элемент. Это позволяет простой гидразиновой силовой установке обеспечивать как производительность на уровне двухкомпонентного топлива, так и производительность на монодвигателе из одной «многорежимной» системы. IMPEHT успешно запустили более 200 спутников, включая спутники Northrop Grumman GEOstar-2™, спутники Lockheed Martin Series 3000 и 4000, а также все спутники исходной группировки Iridium.

Ресурсы

• Техническое описание электрической силовой установки Aerojet Rocketdyne
• Техническая спецификация усовершенствованной электрической двигательной установки
• Спутники вокруг Земли с электрической силовой установкой
• Техническое описание космической силовой установки

9000 3 Спецификация NEXT-C

• Спецификация Advanced NEXT
• Обзор спутниковых двигателей
• Инфографика миссии DART

Видео

Обновления новостей

• Август 2021 г. — Критически важный двигатель AEPS завершает испытания для Лунного шлюза НАСА
• Июнь 2021 г. — Aerojet Rocketdyne успешно демонстрирует новый электрический двигатель средней мощности
• 19 мая 2020 г. — Aeroje t Rocketdyne поставляет космический корабль DART Силовые установки в преддверии миссии

по столкновению с астероидом в 2021 г.