Elektromagnetni raketni motor sa sopstvenim magnetnim poljem. Električni raketni motor. Proračun reaktivne snage

ELEKTRIČNI RAKETNI MOTOR, električni raketni motor(ERD) - raketni motor, u kojem se električna energija ugrađene elektrane svemirske letjelice (obično solarne ili baterijske baterije) koristi kao izvor energije za stvaranje potiska. Prema principu rada, električni pogonski motori se dijele na elektrotermalnih raketnih motora, elektrostatički raketni motori I elektromagnetni raketni motori. U elektrotermalnim RD, električna energija se koristi za zagrevanje radnog fluida (WM) kako bi se on pretvorio u gas sa temperaturom od 1000-5000 K; gas koji izlazi iz mlaznice (slično mlaznici hemijskog raketnog motora) stvara potisak. U elektrostatičkim mlaznim motorima, na primjer, ionskim mlaznicama, RT se prvo ionizira, nakon čega se pozitivni ioni ubrzavaju u elektrostatičkom polju (pomoću sistema elektroda) i, istječući iz mlaznice, stvaraju potisak (kako bi neutralizirali naboj mlazni tok, u njega se ubrizgavaju elektroni). U elektromagnetnoj RD (plazmi), radni fluid je plazma bilo koje supstance, ubrzana zbog Amperove sile u ukrštenim električnim i magnetskim poljima. Na osnovu navedenih glavnih tipova (klasa) električnih pogonskih motora moguće je kreirati različite srednje i kombinovane opcije koje najbolje zadovoljavaju specifične uslove primene. Osim toga, neki električni pogonski motori mogu "preći" iz jedne klase u drugu kada se promijeni način napajanja.

Električni pogonski motor ima izuzetno visok specifični impuls - do 100 km/s ili više. Međutim, velika potrebna potrošnja energije (1-100 kW/N potiska) i mali omjer potiska i površine poprečnog presjeka mlazne struje (ne više od 100 kN/m 2) ograničavaju maksimalni praktični potisak električnog pogonskog motora na nekoliko desetina njutna. Električni pogonski motori se odlikuju dimenzijama od ~0,1 m i masom od nekoliko kilograma.

Radni fluidi električnih pogonskih motora određeni su suštinom procesa koji se odvijaju u različitim tipovima ovih motora i veoma su raznoliki: to su gasovi i tekućine male molekularne težine ili lako disocirajući plinovi i tekućine (u elektrotermalnim potisnicima); alkalni ili teški metali koji lako isparavaju, kao i organske tekućine (u elektrostatičkom RD); razne gasove i čvrste materije (u elektromagnetskom RD). Tipično, rezervoar sa RT je strukturno kombinovan sa električnim pogonskim motorom u jednoj pogonskoj jedinici (modulu). Razdvajanje izvora energije i RT doprinosi vrlo preciznoj kontroli potiska električnog pogonskog motora u širokom rasponu uz održavanje visoke specifične vrijednosti impulsa. Mnogi električni pogonski motori su sposobni da rade stotine i hiljade sati kada se više puta uključuju. Neki električni pogonski motori, koji su po svom principu impulsni pogonski motori, dozvoljavaju desetine miliona uključenja. Efikasnost i savršenstvo procesa rada električnog pogona karakterišu vrednosti koeficijenta efikasnosti i cijene vuče, električni pogon dimenzije - vrijednost gustina potiska.

Karakteristične vrijednosti nekih parametara električnog pogona

Opcije Tip električnog pogona
elektro-termički elektromagnetna elektrostatički
Thrust, N 0,1 — 1 0,0001 — 1 0,001 — 0,1
Specifični impuls, km/s 1 — 20 20 — 60 30 — 100
Gustina potiska (maksimalna), kN/m 2 100 1 0,03 — 0,05
Napon napajanja, V jedinice - desetice desetine - stotine desetine hiljada
Jačina struje napajanja, A stotine - hiljade stotine - hiljade razlomci jedinice
Cijena potiska, kW/N 1 — 10 100 10 — 40
Efikasnost 0,6 — 0,8 0,3 — 0,5 0,4 — 0,8
Električna snaga, W desetine - hiljade jedinice - hiljade desetine - stotine

Važna karakteristika električnog pogonskog motora su parametri napajanja. Zbog činjenice da većinu postojećih i budućih elektrana na brodu karakteriše generisanje jednosmerne struje relativno niskog napona (jedinice - desetine volti) i velike snage (do stotine i hiljade ampera), najlakši način za Rješavanje problema napajanja je u elektrotermalnim RD, koji su pretežno niskonaponski i visokostrujni. Ovi RD-ovi se također mogu napajati iz izvora naizmjenične struje. Najveće poteškoće s napajanjem nastaju kada se koriste elektrostatički RD, za čiji rad je potrebna jednosmjerna struja visokog (do 30-50 kV) napona, iako male snage. U tom slučaju potrebno je osigurati uređaje za konverziju koji značajno povećavaju masu daljinskog upravljača. Prisustvo u pogonskom sistemu radnih elemenata povezanih sa napajanjem električnog pogona i niska vrijednost potiska električnog pogona određuju izuzetno nizak omjer potiska i težine letjelice sa ovim motorima. Stoga ima smisla koristiti električne pogonske motore samo u svemirskim letjelicama nakon postizanja 1. brzine bijega pomoću kemijskog ili nuklearnog potisnika (osim toga, neki električni pogonski motori općenito mogu raditi samo u vakuumu svemira).

O ideji korištenja električne energije za proizvodnju mlaznog potiska raspravljali su K. E. Tsiolkovsky i drugi pioniri astronautike. Godine 1916-17, R. Goddard je eksperimentima potvrdio realnost ove ideje. Godine 1929-33, V. P. Glushko stvorio je eksperimentalni elektrotermalni RD. Tada je, zbog nedostatka sredstava za dopremanje električnih pogonskih motora u svemir i poteškoća u stvaranju izvora napajanja sa prihvatljivim parametrima, zaustavljen razvoj elektropogonskih motora. Nastavljeni su kasnih 50-ih i ranih 60-ih. a potaknuti su uspjesima astronautike i fizike plazme visokih temperatura (razvijene u vezi s problemom kontrolirane termonuklearne fuzije). Do početka 80-ih. U SSSR-u i SAD-u testirano je oko 50 različitih dizajna električnih pogonskih sistema u sklopu svemirskih letjelica i atmosferskih sondi na velikim visinama. Godine 1964. prvi put su u letu testirani elektromagnetski (SSSR) i elektrostatički (SAD) potisnici, a 1965. testirani su elektrotermalni potisnici (SAD). Električni pogonski motori korišteni su za kontrolu položaja i korekciju orbita svemirskih letjelica, za prebacivanje letjelica u druge orbite (za više detalja pogledajte članak o različitim vrstama električnih pogonskih motora). Značajan napredak u stvaranju električnih pogonskih motora postignut je u Velikoj Britaniji, Njemačkoj, Francuskoj, Japanu i Italiji. Studije dizajna su pokazale izvodljivost upotrebe električnih pogonskih motora u sistemima upravljanja mlazom svemirskih letjelica dizajniranih za dugotrajan rad (nekoliko godina), kao i pogonskih motora za letjelice koje obavljaju složene orbitalne prelaze u blizini Zemlje i međuplanetarne letove. Upotreba električnih pogonskih motora umjesto hemijskih potisnika u ove svrhe povećat će relativnu masu korisnog tereta svemirske letjelice, au nekim slučajevima smanjiti vrijeme leta ili uštedjeti novac.

Zbog niskog ubrzanja koje letjelici daju električni motori, propulzivni sistemi sa električnim pogonom moraju raditi neprekidno nekoliko mjeseci (na primjer, kada letjelica prelazi iz niske orbite u geosinhronu) ili nekoliko godina (tokom međuplanetarnih letova). ). U SAD-u je, na primjer, proučavan pogonski sistem s nekoliko ionskih električnih pogonskih motora s potiskom od 135 mN i specifičnim impulsom od ~ 30 km/s, koji pokreće solarna elektrana. U zavisnosti od broja električnih pogona i rezerve RT (žive), pogonski sistem bi mogao da obezbedi let letelice do kometa i asteroida, lansiranje letelice u orbite Merkura, Venere, Saturna, Jupitera, slanje svemirske letjelice sposobne da isporuče marsovsko tlo na Zemlju, slanje istraživačkih sondi u vanjske atmosfere planeta i njihovih satelita, lansiranje svemirskih letjelica u cirkumsolarne orbite izvan ravni ekliptike, itd. Konkretno, pogonski sistem u verziji sa 6 električnih pogona motori i RT rezerva od 530 kg mogli bi osigurati prelet u blizini komete Encke-Backlund korisnog tereta težine 410 kg (uključujući 60 kg naučne opreme).

Proučavaju se i PS sa električnim pogonskim motorima na nuklearne elektrane. Upotreba ovih instalacija, čiji parametri ne zavise od spoljašnjih uslova, čini se prikladnom kada je električna snaga letelice preko 100 kW. Navedeni pogonski sistemi mogu da obezbede manevre transportnih brodova u blizini Zemlje, kao i letove između Zemlje i Meseca, slanje letelica na detaljno proučavanje spoljašnjih planeta, letove međuplanetarnih svemirskih letelica sa posadom, itd. Prema preliminarnim studijama, a svemirska letjelica početne mase 20-30 tona, opremljena reaktorom, elektranom snage nekoliko stotina kW i malim brojem impulsnih elektromagnetnih električnih pogonskih motora sa potiskom od nekoliko desetina N, mogla bi detaljno proučavati Jupiter sistema u roku od 8-9 godina, dostavljajući uzorke tla svojih satelita na Zemlju. Postizanje visokih projektnih karakteristika pogonskog sistema za ovakvu letjelicu zahtijeva, međutim, rješavanje mnogih problema.

Razvoj električnih pogonskih motora doprinosi rješavanju teorijskih pitanja i stvaranju posebnih materijala, tehnologije, procesa, elemenata i uređaja koji su od velikog značaja za razvoj industrijskih tehnoloških procesa, elektrotehnike, elektronike, laserske tehnologije, termonuklearne fizike. , gasna dinamika, kao i svemirska, hemijska i medicinska istraživanja.

Ova široka klasa motora kombinuje različite tipove motora koji se trenutno veoma intenzivno razvijaju. Radni fluid se ubrzava do određene brzine ispuštanja pomoću električne energije. Energija se dobiva iz nuklearne ili solarne elektrane koja se nalazi na brodu (u principu, čak i iz kemijske baterije). Zamislive su brojne vrste pogonskih sistema na brodu.

Dizajn elektromotora koji se razvija izuzetno je raznolik. Pogledaćemo tri glavne grupe elektromotora, koji se razlikuju po načinu na koji se radni fluid izbacuje iz rakete. (Međutim, mogući su i drugi načini klasifikacije elektromotora

Elektrotermalni motori. Ovi motori, kao i svi oni koje smo do sada razmatrali, su termički motori. Radni fluid (vodik) zagrijan na visoku temperaturu pretvara se u plazmu - električki neutralnu smjesu

pozitivni joni i elektroni. Metode električnog grijanja mogu biti različite: grijanje u električnom luku (slika 10), korištenjem volframovih grijaćih elemenata, kroz električno pražnjenje i dr.

Rice. 10. Šema elektrolučnog motora

Prilikom laboratorijskih ispitivanja elektrolučnih motora postignuta je brzina izduvnog gasa reda veličine.Ako je moguće magnetski izolovati plazmu od zidova potisne komore, temperatura plazme može biti veoma visoka i brzina izduva se dovodi do Reaktivna ubrzanja u elektrotermalnim motorima će biti reda veličine .

Prvi elektrotermalni motor na svijetu razvijen je 1929-1933. u Sovjetskom Savezu pod vodstvom V.P. Glushka u poznatoj laboratoriji za plinsku dinamiku.

Elektrostatički (jonski) motori. Kod ovih motora po prvi put se suočavamo sa „hladnim“ ubrzanjem radnog fluida. Čestice radnog fluida (parovi lako jonizujućih metala, kao što su rubidijum ili cezijum) gube svoje elektrone u jonizatoru i ubrzavaju se do velike brzine u električnom polju. Kako električni naboj mlaza naelektrisanih čestica iza aparata ne ometa dalje oticanje, ovaj mlaz se neutrališe izvan njega izbacivanjem elektrona uzetih iz atoma (slika 11).

Rice. 11. Šematski dijagram motora

U ionskom motoru nema temperaturnih ograničenja. Stoga je u principu moguće postići proizvoljno velike brzine izduvnih gasova, sve do onih koje se približavaju brzini svjetlosti. Međutim, previsoke brzine ispuha moraju se isključiti iz razmatranja, jer bi zahtijevale ogromnu snagu iz elektrane na brodu.

Rice. 12. Šema formiranja pokretnih plazmoida u „pulsnom“ plazma motoru 11.18].

U tom slučaju bi se masa pogonskog sistema povećala mnogo više od potiska, a kao rezultat toga, reaktivno ubrzanje bi se znatno smanjilo. Svrha svemirskog leta, njegovo trajanje i kvalitet elektrane određuju najbolju, optimalnu brzinu izduvavanja za dati zadatak. To je, prema nekim autorima, u granicama, a prema drugima, , . Jonski motori će moći da isporuče mlazno ubrzanje reda veličine .

Neki stručnjaci polažu velike nade u posebnu vrstu elektrostatičkog motora - koloidni motor. Ovi motori ubrzavaju velike nabijene molekule, pa čak i grupe molekula ili čestice prašine promjera oko 1 mikrona.

Rice. 13. Dijagram magnetohidrodinamičkog motora sa ukrštenim poljima.

Magnetohidrodinamički (elektrodinamički, elektromagnetski, magnet-plazma, „plazma”) motori. Ova grupa motora kombinira ogromnu raznolikost shema u kojima se plazma ubrzava do određene brzine protoka promjenom magnetnog polja ili interakcijom električnog i magnetskog polja. Specifične metode za ubrzavanje plazme, kao i za njeno dobijanje, veoma su različite. U plazma motoru (slika 12), ugrušak plazme („plazmoid“) se ubrzava magnetskim pritiskom. U „motoru sa ukrštenim električnim i magnetnim poljem“ (slika 13) kroz plazmu,

smeštena u magnetno polje, prolazi električna struja (plazma je dobar provodnik), a kao rezultat, plazma dobija brzinu (kao žičani okvir sa strujom smeštenim u magnetno polje). Optimalna brzina ispuha za magnetohidrodinamičke motore će vjerovatno biti reda ubrzanja mlaza

U laboratorijskim ispitivanjima magnetohidrodinamičkih motora, brzine ispuha do .

Treba napomenuti da je u mnogim slučajevima teško klasificirati motor u jednu ili drugu klasu.

Elektromotori sa unosom radne tečnosti iz gornje atmosfere. Zrakoplov koji se kreće u gornjim slojevima atmosfere može koristiti razrijeđeno vanjsko okruženje kao radni fluid za elektromotor. Takav elektromotor je sličan motoru koji diše zrak u klasi kemijskih motora. Gas koji ulazi kroz dovod zraka može se koristiti kao radni fluid direktno ili nakon akumulacije (i eventualno ukapljivanja) u rezervoarima. Takođe je moguće da se radni fluid akumulira u rezervoarima jednog aviona, a zatim pumpa u rezervoare drugog aviona.

Važna prednost svih vrsta elektromotora je lakoća podešavanja vučne sile. Ozbiljna poteškoća je potreba da se riješi suvišne topline koju stvara nuklearni reaktor. Taj višak se ne odnosi radnim fluidom i ne predaje se okolini, čega u svjetskom prostoru praktično nema. Možete ga se riješiti samo uz pomoć radijatora s velikom površinom.

Godine 1964. Sjedinjene Države su izvele prvi uspješan test za 31 minutu ionskog motora postavljenog na kontejner lansiran na balističku putanju. U realnim svemirskim uslovima, jonski i plazma motori su prvi put testirani na sovjetskom brodu Voskhod-1 i sovjetskoj stanici Zond-2, lansiranoj 1964. godine (“Zond-2” - ka Marsu); Uz konvencionalne, korišteni su u orijentacijskim sistemima. U aprilu 1965. godine, tečni cezijum jonski motor je testiran zajedno sa nuklearnim reaktorom Snap-10A na američkom satelitu Zemlje, razvijajući potisak (umesto cezijevih ionskih motora sa izračunatim podesivim potiskom i elektrotermalnih motora koji koriste tečni amonijak kao radnu tečnost i razvijaju potisak su prethodno testirani s različitim uspjehom na nizu satelita lansiranih u Sjedinjenim Državama od 1966. godine.

Šta vam prvo padne na pamet kada čujete frazu "raketni motori"? Naravno, misteriozni svemir, međuplanetarni letovi, otkriće novih galaksija i primamljiv sjaj dalekih zvijezda. Nebo je u svakom trenutku privlačilo ljude k sebi, ostajući neriješena misterija, ali stvaranje prve svemirske rakete i njeno lansiranje otvorilo je čovječanstvu nove horizonte istraživanja.

Raketni motori su u suštini obični mlazni motori sa jednom važnom karakteristikom: oni ne koriste atmosferski kiseonik kao oksidator goriva za stvaranje mlaznog potiska. Sve što je potrebno za njegov rad nalazi se ili direktno u njegovom tijelu ili u sistemima za dovod goriva i oksidatora. Upravo ova karakteristika omogućava korištenje raketnih motora u svemiru.

Postoji mnogo vrsta raketnih motora i svi se međusobno upadljivo razlikuju ne samo po svojim dizajnerskim karakteristikama, već i po principima rada. Zato se svaki tip mora posmatrati zasebno.

Među glavnim radnim karakteristikama raketnih motora posebna se pažnja poklanja specifičnom impulsu - omjeru količine potiska mlaza i mase radnog fluida koji se troši u jedinici vremena. Specifična vrijednost impulsa predstavlja efikasnost i ekonomičnost motora.

Hemijski raketni motori (CRE)

Ovaj tip motora trenutno je jedini koji se široko koristi za lansiranje svemirskih letjelica u svemir, a našao je primenu i u vojnoj industriji. Hemijski motori se dijele na čvrsta i tečna goriva ovisno o fizičkom stanju raketnog goriva.

Istorija stvaranja

Prvi raketni motori bili su na čvrsto gorivo, a pojavili su se prije nekoliko stoljeća u Kini. U to vrijeme nisu imali mnogo veze sa svemirom, ali uz njihovu pomoć bilo je moguće lansirati vojne rakete. Korišteno gorivo je bio barut po sastavu sličan barutu, samo je promijenjen postotak njegovih komponenti. Kao rezultat toga, tokom oksidacije, prah nije eksplodirao, već je postupno izgorio, oslobađajući toplinu i stvarajući mlazni potisak. Takvi su motori sa promjenjivim uspjehom usavršavani, usavršavani i unapređivani, ali je njihov specifični impuls i dalje ostao mali, odnosno dizajn je bio neučinkovit i neekonomičan. Ubrzo su se pojavile nove vrste čvrstog goriva koje su omogućile veći specifični impuls i veći potisak. Na njegovom stvaranju u prvoj polovini dvadesetog veka radili su naučnici iz SSSR-a, SAD i Evrope. Već u drugoj polovini 40-ih godina razvijen je prototip modernog goriva, koji se i danas koristi.

Raketni motor RD-170 radi na tekuće gorivo i oksidant.

Tečni raketni motori su izum K.E. Tsiolkovsky, koji ih je predložio kao pogonsku jedinicu za svemirsku raketu 1903. godine. U 20-im godinama, radovi na stvaranju tekućih raketnih motora počeli su se izvoditi u SAD-u, a 30-ih godina - u SSSR-u. Već do početka Drugog svjetskog rata stvoreni su prvi eksperimentalni uzorci, a nakon njegovog završetka počeli su se masovno proizvoditi raketni motori na tekuće gorivo. Korišćene su u vojnoj industriji za opremanje balističkih projektila. 1957. godine, prvi put u ljudskoj istoriji, lansiran je sovjetski vještački satelit. Za lansiranje je korištena raketa opremljena Ruskim željeznicama.

Dizajn i princip rada hemijskih raketnih motora

Motor na čvrsto gorivo u svom kućištu sadrži gorivo i oksidant u čvrstom agregatnom stanju, a posuda sa gorivom je ujedno i komora za sagorevanje. Gorivo je obično u obliku šipke sa centralnom rupom. Tokom procesa oksidacije, štap počinje da gori od centra ka periferiji, a gasovi koji nastaju sagorevanjem izlaze kroz mlaznicu, stvarajući propuh. Ovo je najjednostavniji dizajn od svih raketnih motora.

U tečnim raketnim motorima, gorivo i oksidant su u tečnom agregatnom stanju u dva odvojena rezervoara. Kroz dovodne kanale ulaze u komoru za sagorevanje, gde se mešaju i dolazi do procesa sagorevanja. Proizvodi sagorevanja izlaze kroz mlaznicu, stvarajući propuh. Kao oksidator obično se koristi tekući kisik, a gorivo može biti različito: kerozin, tekući vodik itd.

Prednosti i nedostaci hemijskih RD, njihov opseg primjene

Prednosti raketnih motora na čvrsto gorivo su:

  • jednostavnost dizajna;
  • komparativna sigurnost u pogledu ekologije;
  • niska cijena;
  • pouzdanost.

Nedostaci raketnih motora na čvrsto gorivo:

  • ograničenje vremena rada: gorivo gori vrlo brzo;
  • nemogućnost ponovnog pokretanja motora, gašenja i regulacije vuče;
  • niska specifična težina u rasponu od 2000-3000 m/s.

Analizirajući prednosti i nedostatke raketnih motora na čvrsto gorivo, možemo zaključiti da je njihova upotreba opravdana samo u slučajevima kada je potreban agregat srednje snage, prilično jeftin i lak za implementaciju. Obim njihove upotrebe su balističke, meteorološke rakete, MANPADS, kao i bočni pojačivači svemirskih raketa (američke rakete su njima opremljene; ​​nisu korištene u sovjetskim i ruskim projektilima).

Prednosti tečnih RD-ova:

  • visok specifični impuls (oko 4500 m/s i više);
  • mogućnost regulacije vuče, zaustavljanja i ponovnog pokretanja motora;
  • manja težina i kompaktnost, što omogućava lansiranje čak i velikih višetonskih tereta u orbitu.

Nedostaci raketnih motora:

  • kompleksno projektovanje i puštanje u rad;
  • U uslovima bestežinskog stanja, tečnosti u rezervoarima mogu se haotično kretati. Za njihovo taloženje potrebno je koristiti dodatne izvore energije.

Djelokrug primjene motora na tečno gorivo je uglavnom u astronautici, jer su ti motori preskupi za vojne svrhe.

Uprkos činjenici da su do sada hemijski raketni motori jedini sposobni da lansiraju rakete u svemir, njihovo dalje unapređenje je praktično nemoguće. Naučnici i dizajneri su uvjereni da je granica njihovih mogućnosti već dostignuta, a za dobivanje snažnijih jedinica sa visokim specifičnim impulsom potrebni su drugi izvori energije.

Nuklearni raketni motori (NRE)

Ova vrsta raketnog motora, za razliku od kemijskih, proizvodi energiju ne sagorijevanjem goriva, već kao rezultat zagrijavanja radnog fluida energijom nuklearnih reakcija. Nuklearni raketni motori su izotopni, termonuklearni i nuklearni.

Istorija stvaranja

Dizajn i princip rada nuklearnog pogonskog motora razvijeni su još 50-ih godina. Već 70-ih godina, eksperimentalni uzorci su bili spremni u SSSR-u i SAD-u, koji su uspješno testirani. Sovjetski čvrstofazni motor RD-0410 sa potiskom od 3,6 tona testiran je na klupi, a američki reaktor NERVA trebalo je da bude ugrađen na raketu Saturn V prije nego što je prestalo sponzorstvo lunarnog programa. Istovremeno se radilo na stvaranju nuklearnih pogonskih motora u gasnoj fazi. Trenutno su u toku naučni programi za razvoj nuklearnih raketnih motora, a eksperimenti se izvode na svemirskim stanicama.

Tako već postoje funkcionalni modeli nuklearnih raketnih motora, ali do sada nijedan od njih nije korišten izvan laboratorija ili naučnih baza. Potencijal ovakvih motora je prilično velik, ali je i rizik vezan za njihovu upotrebu značajan, pa za sada postoje samo u projektima.

Uređaj i princip rada

Nuklearni raketni motori su gasoviti, tečni i čvrstofazni, u zavisnosti od agregatnog stanja nuklearnog goriva. Gorivo u čvrstofaznim nuklearnim pogonskim motorima su gorivne šipke, isto kao i u nuklearnim reaktorima. Smješteni su u kućištu motora i prilikom raspadanja fisionog materijala oslobađaju toplinsku energiju. Radni fluid - plin vodonik ili amonijak - u kontaktu s gorivnim elementom, apsorbira energiju i zagrijava se, povećavajući volumen i komprimirajući, nakon čega izlazi kroz mlaznicu pod visokim pritiskom.

Princip rada tečnofaznog nuklearnog pogonskog motora i njegova konstrukcija su slični čvrstofaznim, samo je gorivo u tekućem stanju, što omogućava povećanje temperature, a samim tim i potiska.

Nuklearni pogonski motori u plinskoj fazi rade na gorivo u plinovitom stanju. Obično koriste uranijum. Plinovito gorivo može se držati u kućištu pomoću električnog polja ili se nalazi u zatvorenoj prozirnoj tikvici - nuklearnoj lampi. U prvom slučaju dolazi do kontakta radnog fluida s gorivom, kao i do djelomičnog curenja potonjeg, stoga, osim najveće količine goriva, motor mora imati rezervu za periodično dopunjavanje. U slučaju nuklearne lampe, nema curenja, a gorivo je potpuno izolirano od protoka radnog fluida.

Prednosti i nedostaci motora na nuklearni pogon

Nuklearni raketni motori imaju ogromnu prednost u odnosu na hemijske - ovo je visok specifični impuls. Za modele sa čvrstom fazom, njegova vrijednost je 8000-9000 m/s, za modele tečne faze – 14 000 m/s, za gasnu fazu – 30 000 m/s. Istovremeno, njihova upotreba podrazumijeva kontaminaciju atmosfere radioaktivnim emisijama. Sada se radi na stvaranju sigurnog, ekološki prihvatljivog i efikasnog nuklearnog motora, a glavni "pretendent" za ovu ulogu je nuklearni motor u gasnoj fazi s nuklearnom lampom, gdje se radioaktivna tvar nalazi u zatvorenoj boci i ne dolazi van sa mlaznim plamenom.

Električni raketni motori (ERM)

Još jedan potencijalni konkurent hemijskim potisnicima je električni potisnik koji radi koristeći električnu energiju. Električni pogon može biti elektrotermalni, elektrostatički, elektromagnetni ili impulsni.

Istorija stvaranja

Prvi električni pogonski motor dizajnirao je 30-ih godina sovjetski konstruktor V.P. Glushko, iako se ideja o stvaranju takvog motora pojavila početkom dvadesetog stoljeća. U 60-im godinama znanstvenici iz SSSR-a i SAD-a aktivno su radili na stvaranju električnih pogonskih motora, a već 70-ih prvi uzorci počeli su se koristiti u svemirskim letjelicama kao upravljački motori.

Dizajn i princip rada

Električni raketni pogonski sistem sastoji se od samog električnog pogonskog motora, čija struktura zavisi od njegovog tipa, sistema za snabdevanje radnim fluidom, upravljanja i napajanja. Elektrotermalni RD zagrijava protok radnog fluida zbog topline koju stvara grijaći element ili u električnom luku. Radni fluid koji se koristi je helijum, amonijak, hidrazin, azot i drugi inertni gasovi, rjeđe vodonik.

Elektrostatički RD se dijele na koloidne, jonske i plazma. U njima se nabijene čestice radnog fluida ubrzavaju zbog električnog polja. U koloidnim ili ionskim RD, ionizaciju plina osigurava ionizator, visokofrekventno električno polje ili komora za plinsko pražnjenje. U plazma RD radni fluid - inertni gas ksenon - prolazi kroz prstenastu anodu i ulazi u komoru za pražnjenje gasa sa katodnim kompenzatorom. Pri visokom naponu, između anode i katode treperi iskra, ionizirajući plin, što rezultira plazmom. Pozitivno nabijeni ioni izlaze kroz mlaznicu velikom brzinom, stečenom zbog ubrzanja električnim poljem, a elektroni se uklanjaju prema van pomoću katode kompenzatora.

Elektromagnetski potisnici imaju svoje magnetno polje - vanjsko ili unutarnje, koje ubrzava nabijene čestice radnog fluida.

Impulsni potisnici rade isparavanjem čvrstog goriva pod utjecajem električnih pražnjenja.

Prednosti i nedostaci električnih pogonskih motora, obim upotrebe

Među prednostima ERD-a:

  • visok specifični impuls, čija je gornja granica praktički neograničena;
  • niska potrošnja goriva (radni fluid).

Nedostaci:

  • visok nivo potrošnje električne energije;
  • složenost dizajna;
  • lagana vuča.

Danas je upotreba električnih pogonskih motora ograničena na njihovu ugradnju na svemirske satelite, a kao izvor električne energije za njih se koriste solarne baterije. Istovremeno, upravo ovi motori mogu postati elektrane koje će omogućiti istraživanje svemira, pa se u mnogim zemljama aktivno radi na stvaranju novih modela. Upravo te elektrane su pisci naučne fantastike najčešće spominjali u svojim djelima posvećenim osvajanju svemira, a mogu se naći i u naučnofantastičnim filmovima. Za sada je električni pogon nada da će ljudi i dalje moći putovati do zvijezda.

Rad na kursu

na ovu temu:

" Električni raketni jonski motori "

Opća teorija električnih raketnih motora (ERE)

Opći principi električnog pogona

Osnivač astronautike K.E. Ciolkovsky je prvi put izrazio ideju 1911. da je uz pomoć električne energije moguće dati ogromnu brzinu česticama izbačenim iz mlaznog uređaja. Kasnije je klasa motora zasnovana na ovom principu nazvana električnim raketnim motorima. Međutim, još uvijek ne postoji općeprihvaćena i potpuno nedvosmislena definicija električnog pogona.

U Fizičkom enciklopedijskom rječniku, električni pogonski motor je raketni motor u kojem je radni fluid jonizirani plin (plazma), ubrzan prvenstveno elektromagnetnim poljima; u enciklopediji "Kosmonautika" - ovo je motor u kojem se električna energija koju proizvodi elektrana svemirske letjelice koristi kao izvor energije za stvaranje potiska; Politehnički rječnik daje treću verziju definicije električnog pogona: ovo je mlazni motor u kojem se radni fluid ubrzava do velikih brzina uz korištenje električne energije.

Električne raketne motore najlogičnije je nazvati motorima koji koriste električnu energiju za ubrzavanje radnog fluida, a izvor energije se može nalaziti kako na brodu (SC) tako i izvan njega. U potonjem slučaju, energija se ili direktno dovodi u sistem za ubrzanje iz vanjskog izvora, ili se prenosi u svemirsku letjelicu pomoću fokusiranog snopa elektromagnetnog zračenja.

Ovaj stav o električnom pogonu dijelili su i pioniri astronautike - Yu.V. Kondratyuk, G. Obert, F.A. Zander, V.P. Glushko. U radu Yu.V. Kondratyuk 1 je razmatrao svemirsku letjelicu na koju pada koncentrirani snop svjetlosti i električni mlazni motor zasnovan na elektrostatičkom ubrzanju velikih nabijenih čestica, na primjer, grafitnog praha. Isti rad ukazuje na specifične načine povećanja efikasnosti elektrodinamičkog akceleratora mase (EDMA) koristeći kontakt plazme i ubrzanje u vakuumu. Godine 1929. G. Oberth 2 je opisao jonski motor. Godine 1929–1931 Po prvi put je u laboratoriji kreiran i testiran impulsni elektrotermalni električni pogon, čiji je autor osnivač konstrukcije raketnog motora V.P. Glushko. On je također predložio termin "električni raketni motor".

Međutim, rad na električnim pogonima u to vrijeme nije bio dalje razvijen zbog nedostatka svjetlosti i efikasnih izvora energije. Ovi radovi su nastavljeni u SSSR-u i inostranstvu nakon lansiranja u našoj zemlji 1957. godine prvog veštačkog satelita Zemlje i prvog leta u svemir 1961. godine osobe - državljanina SSSR-a Yu.A. Gagarin. Tokom ovih godina, na inicijativu S.P. Koroljev i I.V. Kurčatov je usvojio sveobuhvatan program istraživanja i razvoja električnih pogonskih motora različitih tipova. Istovremeno je pokrenut rad na stvaranju efikasnih izvora energije za svemirske letjelice (solarne baterije, hemijske baterije, gorivne ćelije, nuklearni reaktori, izvori radioizotopa). Glavni pravac istraživanja formulisan u ovom programu bio je razvoj naučnih osnova i stvaranje visoko efikasnih modela električnih pogonskih sistema dizajniranih za rešavanje problema industrijskog razvoja svemira blizu Zemlje i podršku naučnim istraživanjima Sunčevog sistema.

Za formiranje moderne teorije električnog pogona najvažnije su bile sljedeće naučne i tehničke ideje.

Princip elektrodinamičkog ubrzanja, koji je 1957. predložio L.A. Artsimoviča i njegovih saradnika, korišćen je kao osnova za akceleratore različitih klasa - impulsne električne pogonske motore koji koriste gasovite i čvrste radne materije, stacionarne visokostrujne električne pogonske motore.

Princip disipativnog ubrzanja jona u magnetiziranoj plazmi samokonzistentnim električnim poljem. Ovaj mehanizam je implementiran u plazma motorima sa azimutalnim driftom elektrona, u krajnjim Holovim potisnicima i, donekle, u impulsnim motorima sa elektromagnetnim ubrzanjem plazme. U svom najkonzistentnijem obliku, ova metoda ubrzanja implementirana je u motoru anodnog sloja (ALE), optimalnoj varijanti motora sa azimutalnim driftom elektrona. U svom izvornom obliku, ideju DAS-a formulirao je A.V. Žarinov kasnih 50-ih; Kasnije su, na osnovu ove ideje, dopunjene brojnim izumima, razvijeni visoko efikasni dvo- i jednostepeni azimutalni drift motori.

G. Kaufman je u SAD-u predložio princip plazma-ionskog motora (PID), u kojem se joni također ubrzavaju uzdužnim električnim poljem, ali se, za razliku od DAS-a, prethodno ekstrahuju iz pražnjenja plazme s elektronima koji osciliraju u uzdužno magnetno polje. Plazma-jonski motor ima visoku efikasnost i vijek trajanja, ali je inferiorniji od DAS-a u svestranosti i opsegu kontrole karakteristika performansi.

U vezi s projektnim studijama svemirskih solarnih elektrana koje su provedene posljednjih godina, oživio je interes za električne pogonske sheme sa opskrbom energijom iz vanjskog izvora. Razvijajući ideje K.E. Tsiolkovsky i Yu.V. Kondratyuk, G.I. Babat 1 je 1943. godine predložio korištenje energije koja se prenosi na zrakoplov u obliku dobro fokusiranog snopa mikrovalnog zračenja sa zemlje ili svemirske letjelice. Godine 1971. A. Kantrowitz je razmatrao lasersko zračenje za iste svrhe.

J. O. Neill je 1975. godine predložio korištenje elektrodinamičkog akceleratora mase (EDMA) za transport u svemir sa površine Mjeseca materijala namijenjenih izgradnji svemirskih solarnih elektrana.Očigledno, ovi projekti imaju za cilj dugoročno rješavanje problema, tj. izgradnja orbitalnih objekata infrastrukture za proizvodnju energije u blizini Zemlje.

Karakteristike pogonskih sistema niskog potiska

Razdvajanje izvora energije i radne supstance u električnom pogonskom motoru omogućava prevazilaženje ograničenja svojstvenog hemijskim motorima - relativno niske brzine izduvnih gasova. Ali, s druge strane, ako se koristi ugrađeni izvor energije, neizbježno se pojavljuje još jedno ograničenje - relativno mali potisak. Stoga, ako za sada ne razmatramo posebne slučajeve, na primjer lake motore, električne pogonske motore treba klasificirati kao motore niskog potiska koji su u stanju pružiti samo neznatno ubrzanje, pa su stoga pogodni za obavljanje različitih transportnih operacija direktno u vanjskom prostor. Električni pogonski motori su, po pravilu, svemirski raketni motori niskog potiska.

Ako, na primjer, motor razvije potisak od 10 N; masa letjelice je 10 tona, tada će ubrzanje koje stvara biti 10" 3 m/s 2, tj. otprilike 10" 4 g 0 ( idi – ubrzanje slobodnog pada na površini Zemlje). Naravno, takav motor nije pogodan za lansiranje svemirskih letjelica sa Zemlje u orbite umjetnih satelita.

Ova situacija se može promijeniti kada se stvore efikasni laserski motori ili elektrodinamički akceleratori mase, čija je karakteristična karakteristika da izvor energije nije nužno lociran na brodu svemirske letjelice. U ovom slučaju treba govoriti o električnom pogonskom motoru, koji istovremeno osigurava veliku brzinu ispuha i veliko ubrzanje.

Da bismo identificirali druge specifičnosti električnih pogonskih motora kao svemirskih motora, razmotrimo problem prijelaza između dvije kružne orbite u blizini Zemlje. Okrenimo se jednadžbi Ciolkovskog

(1.1)
(1.1)

(1.1)

gdje su u" i v prirast brzine letjelice i brzine protoka radne tvari, respektivno; M o – početna masa letjelice; M k = M o – mt – masa K A u konačnoj orbiti. Evo t– vrijeme prijelaza između orbita; T - masovna potrošnja radne supstance. Od (1.1) prirast brzine

(1.2)

Promjena kinetičke energije svemirske letjelice tokom leta događa se pri brzini

Kompleks koji se sastoji od skupa električnih pogonskih motora, sistema za skladištenje i dovod radne tečnosti (SHiP), automatskog upravljačkog sistema (ACS) i sistema za napajanje (SPS) naziva se električni pogonski sistem (EPS).

Uvod

Ideja o korištenju električne energije u mlaznim motorima za ubrzanje nastala je gotovo na početku razvoja raketne tehnologije. Poznato je da je takvu ideju izrazio K. E. Tsiolkovsky. -1917. godine R. Goddard je izveo prve eksperimente, a 30-ih godina 20. stoljeća u SSSR-u, pod vodstvom V.P. Glushka, stvoren je jedan od prvih električnih pogonskih motora koji rade.

Od samog početka se pretpostavljalo da će odvajanje izvora energije i ubrzane supstance obezbediti veliku brzinu ispuštanja radnog fluida (PT), kao i manju masu letelice (SC) usled smanjenja u masi uskladištenog radnog fluida. Zaista, u poređenju s drugim raketnim motorima, električni pogonski motori omogućavaju značajno povećanje aktivnog vijeka trajanja (AS) svemirske letjelice, uz značajno smanjenje mase pogonskog sistema (PS), što, shodno tome, omogućava povećanje nosivost ili poboljšati težinsko-dimenzionalne karakteristike same svemirske letjelice.

Proračuni pokazuju da će korištenje električnog pogona smanjiti trajanje letova do udaljenih planeta (u nekim slučajevima čak i omogućiti takve letove) ili, uz isto trajanje leta, povećati nosivost.

  • visokostrujni (elektromagnetni, magnetodinamički) motori;
  • impulsni motori.

ETD se, pak, dijele na motore s električnim grijanjem (END) i elektrolučnim (EDA).

Elektrostatički motori se dijele na ionske (uključujući koloidne) motore (ID, CD) - akceleratore čestica u unipolarnom snopu i akceleratore čestica u kvazineutralnoj plazmi. Potonji uključuju akceleratore sa zatvorenim driftom elektrona i proširenom (UZDP) ili skraćenom (UZDU) zonom ubrzanja. Prvi se obično nazivaju stacionarni plazma motori (SPD), a pojavljuje se i naziv (sve rjeđe) - linearni Hallov motor (LHD), u zapadnoj literaturi se naziva Hallov motor. Ultrazvučni motori se obično nazivaju motori sa anodnim ubrzanjem (LAM).

Visokostrujni (magnetoplazma, magnetodinamički) motori uključuju motore sa vlastitim magnetnim poljem i motore s vanjskim magnetnim poljem (na primjer, Holov motor na kraju montiran - THD).

Pulsni motori koriste kinetičku energiju plinova proizvedenih isparavanjem čvrste tvari u električnom pražnjenju.

Sve tekućine i plinovi, kao i njihove mješavine, mogu se koristiti kao radni fluid u električnim pogonskim motorima. Međutim, za svaki tip motora postoje radne tekućine, čija upotreba vam omogućava postizanje najboljih rezultata. Amonijak se tradicionalno koristi za ETD, ksenon za elektrostatiku, litijum za jaku struju, a fluoroplast za impulsni.

Nedostatak ksenona je njegova cijena, zbog male godišnje proizvodnje (manje od 10 tona godišnje širom svijeta), što primorava istraživače da traže druge RT sa sličnim karakteristikama, ali jeftinijim. Argon se razmatra kao glavni kandidat za zamjenu. Takođe je inertan gas, ali, za razliku od ksenona, ima veću energiju jonizacije sa manjom atomskom masom. Energija koja se troši na jonizaciju po jedinici ubrzane mase jedan je od izvora gubitka efikasnosti.

Kratke tehničke specifikacije

Električni pogonski motori se odlikuju niskim RT masenim protokom i velikom izlaznom brzinom ubrzanog protoka čestica. Donja granica brzine izduvnih gasova približno se poklapa sa gornjom granicom brzine ispuha mlaznice hemijskog motora i iznosi oko 3.000 m/s. Gornja granica je teoretski neograničena (unutar brzine svjetlosti), međutim, za obećavajuće modele motora uzima se u obzir brzina koja ne prelazi 200.000 m/s. Trenutno se za motore različitih tipova smatra optimalnom brzinom ispuha od 16.000 do 60.000 m/s.

Zbog činjenice da se proces ubrzanja u električnom pogonskom motoru odvija pri niskom pritisku u kanalu za ubrzavanje (koncentracija čestica ne prelazi 10 20 čestica/m³), gustoća potiska je prilično mala, što ograničava upotrebu električnih pogonskih motora. : vanjski pritisak ne bi trebao biti veći od tlaka u kanalu za ubrzanje, a ubrzanje letjelice je vrlo malo (desetine ili čak stotinke g ). Izuzetak od ovog pravila može biti EDD na malim svemirskim letjelicama.

Električna snaga električnih pogonskih motora kreće se od stotina vati do megavata. Električni pogonski motori koji se trenutno koriste na svemirskim letjelicama imaju snagu od 800 do 2.000 W.

Izgledi

Iako električni raketni motori imaju mali potisak u poređenju sa raketama na tečno gorivo, oni su u stanju da rade u dugim vremenskim periodima i sposobni su za spor let na velikim udaljenostima.

Povezane publikacije