Ηλεκτρομαγνητικός πυραυλοκινητήρας με δικό του μαγνητικό πεδίο. Ηλεκτρικός πυραυλοκινητήρας. Υπολογισμός άεργου ισχύος

ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΣ ΠΥΡΑΥΛΙΚΟΣ ΜΟΤΕΡ, ηλεκτροκινητήρα πυραύλων(ERD) - κινητήρας πυραύλων, στην οποία η ηλεκτρική ενέργεια του ενσωματωμένου σταθμού παραγωγής ενέργειας του διαστημικού σκάφους (συνήθως ηλιακές μπαταρίες ή μπαταρίες) χρησιμοποιείται ως πηγή ενέργειας για τη δημιουργία ώθησης. Σύμφωνα με την αρχή της λειτουργίας, οι κινητήρες ηλεκτρικής πρόωσης χωρίζονται σε ηλεκτροθερμικούς πυραυλοκινητήρες, ηλεκτροστατικοί κινητήρες πυραύλωνΚαι ηλεκτρομαγνητικούς πυραυλοκινητήρες. Στα ηλεκτροθερμικά RD, η ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιείται για τη θέρμανση του ρευστού εργασίας (WM) προκειμένου να μετατραπεί σε αέριο με θερμοκρασία 1000-5000 K. το αέριο που ρέει έξω από το ακροφύσιο του πίδακα (παρόμοιο με το ακροφύσιο μιας χημικής μηχανής πυραύλων) δημιουργεί ώθηση. Σε ηλεκτροστατικούς κινητήρες εκτόξευσης, για παράδειγμα, ιονικούς πίδακες, το RT ιονίζεται πρώτα, μετά από το οποίο τα θετικά ιόντα επιταχύνονται σε ένα ηλεκτροστατικό πεδίο (χρησιμοποιώντας ένα σύστημα ηλεκτροδίων) και, ρέοντας έξω από το ακροφύσιο, δημιουργούν ώθηση (για εξουδετέρωση του φορτίου το ρεύμα πίδακα, τα ηλεκτρόνια εγχέονται σε αυτό). Σε ένα ηλεκτρομαγνητικό RD (πλάσμα), το ρευστό εργασίας είναι το πλάσμα οποιασδήποτε ουσίας, που επιταχύνεται λόγω της δύναμης Ampere σε διασταυρωμένα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. Με βάση τους υποδεικνυόμενους κύριους τύπους (κατηγορίες) ηλεκτροκινητήρων πρόωσης, είναι δυνατό να δημιουργηθούν διάφορες ενδιάμεσες και συνδυασμένες επιλογές που ανταποκρίνονται καλύτερα στις συγκεκριμένες συνθήκες εφαρμογής. Επιπλέον, ορισμένοι κινητήρες ηλεκτρικής πρόωσης μπορούν να «μεταβούν» από τη μια κατηγορία στην άλλη όταν αλλάξει η λειτουργία τροφοδοσίας.

Ο κινητήρας ηλεκτρικής πρόωσης έχει εξαιρετικά υψηλή ειδική ώθηση - έως 100 km/s ή περισσότερο. Ωστόσο, η μεγάλη απαιτούμενη κατανάλωση ενέργειας (1-100 kW/N ώσης) και η μικρή αναλογία ώσης προς την περιοχή διατομής του ρεύματος εκτόξευσης (όχι περισσότερο από 100 kN/m 2) περιορίζουν τη μέγιστη πρακτική ώθηση μιας ηλεκτρικής μηχανής πρόωσης σε αρκετές δεκάδες newton. Οι κινητήρες ηλεκτρικής πρόωσης χαρακτηρίζονται από διαστάσεις ~0,1 m και μάζα της τάξης πολλών κιλών.

Τα υγρά εργασίας των κινητήρων ηλεκτρικής πρόωσης καθορίζονται από την ουσία των διεργασιών που συμβαίνουν σε διάφορους τύπους αυτών των κινητήρων και είναι πολύ διαφορετικά: πρόκειται για αέρια και υγρά χαμηλού μοριακού βάρους ή εύκολα διαχωριζόμενα (σε ηλεκτροθερμικούς προωθητές). αλκαλικά ή βαριά, εύκολα εξατμιζόμενα μέταλλα, καθώς και οργανικά υγρά (σε ηλεκτροστατική RD). διάφορα αέρια και στερεά (σε ηλεκτρομαγνητική RD). Τυπικά, το ρεζερβουάρ με το RT συνδυάζεται δομικά με τον κινητήρα ηλεκτρικής πρόωσης σε μια ενιαία μονάδα πρόωσης (module). Ο διαχωρισμός της πηγής ενέργειας και του RT συμβάλλει στον πολύ ακριβή έλεγχο της ώθησης του κινητήρα ηλεκτρικής πρόωσης σε μεγάλο εύρος διατηρώντας παράλληλα μια υψηλή τιμή ειδικής ώθησης. Πολλοί κινητήρες ηλεκτρικής πρόωσης είναι ικανοί να λειτουργούν για εκατοντάδες και χιλιάδες ώρες όταν ανάβουν επανειλημμένα. Ορισμένοι κινητήρες ηλεκτρικής πρόωσης, οι οποίοι είναι κινητήρες παλμικής πρόωσης βάσει της αρχής τους, επιτρέπουν δεκάδες εκατομμύρια εγκλείσματα. Η απόδοση και η τελειότητα της διαδικασίας εργασίας της ηλεκτρικής πρόωσης χαρακτηρίζονται από τις τιμές του συντελεστή απόδοσης και τιμές έλξης, διαστάσεις ηλεκτρικής πρόωσης - αξία πυκνότητα ώσης.

Χαρακτηριστικές τιμές ορισμένων παραμέτρων ηλεκτρικής πρόωσης

Επιλογές	Τύπος ηλεκτρικής πρόωσης
	ηλεκτροθερμική	ηλεκτρομαγνητικός	ηλεκτροστατική
Προώθηση, Ν	0,1 — 1	0,0001 — 1	0,001 — 0,1
Ειδική ώθηση, km/s	1 — 20	20 — 60	30 — 100
Πυκνότητα ώσης (μέγιστη), kN/m 2	100	1	0,03 — 0,05
Τάση τροφοδοσίας, V	μονάδες - δεκάδες	δεκάδες - εκατοντάδες	δεκάδες χιλιάδες
Ισχύς ρεύματος τροφοδοσίας, Α	εκατοντάδες - χιλιάδες	εκατοντάδες - χιλιάδες	κλάσματα μιας μονάδας
Τιμή ώσης, kW/N	1 — 10	100	10 — 40
Αποδοτικότητα	0,6 — 0,8	0,3 — 0,5	0,4 — 0,8
Ηλεκτρική ισχύς, W	δεκάδες - χιλιάδες	μονάδες - χιλιάδες	δεκάδες - εκατοντάδες

Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό του κινητήρα ηλεκτρικής πρόωσης είναι οι παράμετροι τροφοδοσίας. Λόγω του γεγονότος ότι οι περισσότεροι υφιστάμενοι και μελλοντικοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής χαρακτηρίζονται από τη δημιουργία συνεχούς ρεύματος σχετικά χαμηλής τάσης (μονάδες - δεκάδες βολτ) και υψηλής ισχύος (έως εκατοντάδες και χιλιάδες αμπέρ), ο ευκολότερος τρόπος λύσει το θέμα της τροφοδοσίας είναι στα ηλεκτροθερμικά RD, τα οποία είναι κυρίως χαμηλής τάσης και υψηλού ρεύματος. Αυτά τα RD μπορούν επίσης να τροφοδοτηθούν από πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος. Οι μεγαλύτερες δυσκολίες με την παροχή ρεύματος προκύπτουν όταν χρησιμοποιούνται ηλεκτροστατικά RD, η λειτουργία των οποίων απαιτεί συνεχές ρεύμα υψηλής τάσης (έως 30-50 kV), αν και χαμηλής αντοχής. Σε αυτή την περίπτωση, είναι απαραίτητο να παρέχονται συσκευές μετατροπής που αυξάνουν σημαντικά τη μάζα του τηλεχειριστηρίου. Η παρουσία στο σύστημα πρόωσης στοιχείων εργασίας που σχετίζονται με την τροφοδοσία ηλεκτρικής πρόωσης και η χαμηλή τιμή της ώσης ηλεκτρικής πρόωσης καθορίζουν την εξαιρετικά χαμηλή αναλογία ώσης προς βάρος του διαστημικού σκάφους με αυτούς τους κινητήρες. Επομένως, είναι λογικό να χρησιμοποιούνται ηλεκτρικοί κινητήρες πρόωσης μόνο σε διαστημόπλοια αφού φτάσουν στην 1η ταχύτητα διαφυγής χρησιμοποιώντας χημικό ή πυρηνικό προωθητή (επιπλέον, ορισμένοι κινητήρες ηλεκτρικής πρόωσης μπορούν γενικά να λειτουργούν μόνο στο κενό του διαστήματος).

Η ιδέα της χρήσης ηλεκτρικής ενέργειας για την παραγωγή ώθησης τζετ συζητήθηκε από τον K. E. Tsiolkovsky και άλλους πρωτοπόρους της αστροναυτικής. Το 1916-17, ο R. Goddard επιβεβαίωσε την πραγματικότητα αυτής της ιδέας με πειράματα. Το 1929-33, ο V. P. Glushko δημιούργησε ένα πειραματικό ηλεκτροθερμικό RD. Στη συνέχεια, λόγω της έλλειψης μέσων μεταφοράς κινητήρων ηλεκτρικής πρόωσης στο διάστημα και της δυσκολίας δημιουργίας τροφοδοτικών με αποδεκτές παραμέτρους, η ανάπτυξη κινητήρων ηλεκτρικής πρόωσης σταμάτησε. Ξανάρχισαν στα τέλη της δεκαετίας του '50 και στις αρχές της δεκαετίας του '60. και διεγέρθηκαν από τις επιτυχίες της αστροναυτικής και της φυσικής πλάσματος υψηλών θερμοκρασιών (που αναπτύχθηκαν σε σχέση με το πρόβλημα της ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης). Στις αρχές της δεκαετίας του '80. Στην ΕΣΣΔ και τις ΗΠΑ, δοκιμάστηκαν περίπου 50 διαφορετικά σχέδια συστημάτων ηλεκτρικής πρόωσης ως μέρος διαστημοπλοίων και ατμοσφαιρικών ανιχνευτών μεγάλου υψομέτρου. Το 1964, οι ηλεκτρομαγνητικοί (ΕΣΣΔ) και οι ηλεκτροστατικοί προωστήρες (ΗΠΑ) δοκιμάστηκαν για πρώτη φορά εν πτήσει· το 1965 δοκιμάστηκαν ηλεκτροθερμικοί προωθητές (ΗΠΑ). Οι κινητήρες ηλεκτρικής πρόωσης χρησιμοποιήθηκαν για τον έλεγχο της θέσης και της διόρθωσης των τροχιών των διαστημικών σκαφών, για τη μεταφορά διαστημικών σκαφών σε άλλες τροχιές (για περισσότερες λεπτομέρειες, δείτε το άρθρο σχετικά με τους διάφορους τύπους κινητήρων ηλεκτρικής πρόωσης). Σημαντική πρόοδος στη δημιουργία κινητήρων ηλεκτρικής πρόωσης έχει επιτευχθεί στη Μεγάλη Βρετανία, τη Γερμανία, τη Γαλλία, την Ιαπωνία και την Ιταλία. Μελέτες σχεδίασης έχουν δείξει τη σκοπιμότητα χρήσης κινητήρων ηλεκτρικής πρόωσης σε συστήματα ελέγχου πίδακα διαστημικού σκάφους σχεδιασμένα για μακροχρόνια λειτουργία (αρκετά χρόνια), καθώς και κινητήρες πρόωσης για διαστημόπλοια που εκτελούν περίπλοκες τροχιακές μεταβάσεις κοντά στη Γη και διαπλανητικές πτήσεις. Η χρήση κινητήρων ηλεκτρικής πρόωσης αντί για χημικούς προωθητήρες για αυτούς τους σκοπούς θα αυξήσει τη σχετική μάζα του ωφέλιμου φορτίου του διαστημικού σκάφους και σε ορισμένες περιπτώσεις θα μειώσει τον χρόνο πτήσης ή θα εξοικονομήσει χρήματα.

Λόγω της χαμηλής επιτάχυνσης που προσδίδουν στο διαστημόπλοιο οι ηλεκτρικοί κινητήρες, τα συστήματα πρόωσης με ηλεκτρική πρόωση πρέπει να λειτουργούν συνεχώς για αρκετούς μήνες (για παράδειγμα, όταν ένα διαστημόπλοιο μεταβαίνει από χαμηλή τροχιά σε γεωσύγχρονη) ή αρκετά χρόνια (κατά τη διάρκεια διαπλανητικών πτήσεων ). Στις ΗΠΑ, για παράδειγμα, μελετήθηκε ένα σύστημα πρόωσης με πολλούς κινητήρες ηλεκτρικής πρόωσης ιόντων με ώθηση 135 mN και ειδική ώθηση ~ 30 km/s, που τροφοδοτείται από ηλιακή μονάδα παραγωγής ενέργειας. Ανάλογα με τον αριθμό της ηλεκτρικής πρόωσης και το απόθεμα RT (υδράργυρος), το σύστημα πρόωσης θα μπορούσε να εξασφαλίσει την πτήση ενός διαστημικού σκάφους σε κομήτες και αστεροειδείς, την εκτόξευση ενός διαστημικού σκάφους στις τροχιές του Ερμή, της Αφροδίτης, του Κρόνου, του Δία, την αποστολή ενός διαστημόπλοιου ικανού να παραδώσει το έδαφος του Άρη στη Γη, την αποστολή ερευνητικών ανιχνευτών στις εξωτερικές ατμόσφαιρες πλανήτες και τους δορυφόρους τους, εκτόξευση διαστημικών σκαφών σε περικυκλικές τροχιές έξω από το εκλειπτικό επίπεδο κ.λπ. Ειδικότερα, ένα σύστημα πρόωσης στην έκδοση με 6 ηλεκτρικές πρόωσης κινητήρες και απόθεμα RT 530 κιλών θα μπορούσαν να προσφέρουν ένα ωφέλιμο φορτίο βάρους 410 κιλών (συμπεριλαμβανομένων 60 κιλών επιστημονικού εξοπλισμού) κοντά στον κομήτη Encke-Backlund.

Μελετώνται επίσης PS με κινητήρες ηλεκτρικής πρόωσης που κινούνται από πυρηνικούς σταθμούς. Η χρήση αυτών των εγκαταστάσεων, οι παράμετροι των οποίων δεν εξαρτώνται από τις εξωτερικές συνθήκες, φαίνεται κατάλληλη όταν η ηλεκτρική ισχύς του διαστημικού σκάφους είναι πάνω από 100 kW. Τα υποδεικνυόμενα συστήματα πρόωσης μπορούν να παρέχουν ελιγμούς πλοίων μεταφοράς κοντά στη Γη, καθώς και πτήσεις μεταξύ Γης και Σελήνης, στέλνοντας διαστημόπλοια για λεπτομερή μελέτη των εξωτερικών πλανητών, πτήσεις διαπλανητικών επανδρωμένων διαστημικών σκαφών κ.λπ. Σύμφωνα με προκαταρκτικές μελέτες, διαστημόπλοιο αρχικής μάζας 20-30 τόνων, εξοπλισμένο με αντιδραστήρα, εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας με ισχύ αρκετών εκατοντάδων kW και μικρό αριθμό ηλεκτρομαγνητικών ηλεκτροκινητήρων με ώθηση πολλών δεκάδων Ν, θα μπορούσε να μελετήσει λεπτομερώς τον Δία σύστημα εντός 8-9 ετών, παραδίδοντας δείγματα εδάφους των δορυφόρων του στη Γη. Η επίτευξη υψηλών σχεδιαστικών χαρακτηριστικών του συστήματος πρόωσης για ένα τέτοιο διαστημόπλοιο απαιτεί, ωστόσο, την επίλυση πολλών προβλημάτων.

Η ανάπτυξη κινητήρων ηλεκτρικής πρόωσης συμβάλλει στην επίλυση θεωρητικών ζητημάτων και στη δημιουργία ειδικών υλικών, τεχνολογίας, διεργασιών, στοιχείων και συσκευών που έχουν μεγάλη σημασία για την ανάπτυξη βιομηχανικών τεχνολογικών διεργασιών, ηλεκτρολόγων μηχανικών, ηλεκτρονικών, τεχνολογίας λέιζερ, θερμοπυρηνικής φυσικής , δυναμική αερίων, καθώς και διαστημική, χημική και ιατρική έρευνα.

Αυτή η ευρεία κατηγορία κινητήρων συνδυάζει διάφορους τύπους κινητήρων που αναπτύσσονται επί του παρόντος πολύ εντατικά. Το ρευστό εργασίας επιταχύνεται σε μια ορισμένη ταχύτητα εξάτμισης χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια. Η ενέργεια λαμβάνεται από ένα πυρηνικό ή ηλιακό εργοστάσιο που βρίσκεται στο διαστημόπλοιο (κατ 'αρχήν, ακόμη και από μια χημική μπαταρία). Είναι δυνατόν να διανοηθούν πολυάριθμοι τύποι συστημάτων πρόωσης επί του σκάφους.

Τα σχέδια των ηλεκτροκινητήρων που αναπτύσσονται είναι εξαιρετικά διαφορετικά. Θα εξετάσουμε τρεις κύριες ομάδες ηλεκτρικών κινητήρων, που διαφέρουν στον τρόπο με τον οποίο εκτοξεύεται το υγρό εργασίας από τον πύραυλο. (Ωστόσο, άλλοι τρόποι ταξινόμησης των ηλεκτροκινητήρων είναι δυνατοί

Ηλεκτροθερμικοί κινητήρες. Αυτοί οι κινητήρες, όπως όλοι αυτοί που έχουμε εξετάσει μέχρι τώρα, είναι θερμικοί κινητήρες. Το υγρό εργασίας (υδρογόνο) που θερμαίνεται σε υψηλή θερμοκρασία μετατρέπεται σε πλάσμα - ένα ηλεκτρικά ουδέτερο μείγμα

θετικά ιόντα και ηλεκτρόνια. Οι μέθοδοι ηλεκτρικής θέρμανσης μπορεί να είναι διαφορετικές: θέρμανση σε ηλεκτρικό τόξο (Εικ. 10), χρησιμοποιώντας θερμαντικά στοιχεία βολφραμίου, μέσω ηλεκτρικής εκκένωσης και άλλα

Ρύζι. 10. Διάγραμμα ηλεκτρικού τόξου κινητήρα

Κατά τη διάρκεια εργαστηριακών δοκιμών κινητήρων ηλεκτρικού τόξου, επιτεύχθηκε ταχύτητα εξάτμισης της τάξης μεγέθους. Εάν είναι δυνατή η μαγνητική απομόνωση του πλάσματος από τα τοιχώματα του θαλάμου ώθησης, η θερμοκρασία του πλάσματος μπορεί να είναι πολύ υψηλή και η ταχύτητα εξάτμισης φέρεται σε Οι αντιδραστικές επιταχύνσεις στους ηλεκτροθερμικούς κινητήρες θα είναι της τάξης του .

Ο πρώτος ηλεκτροθερμικός κινητήρας στον κόσμο αναπτύχθηκε το 1929-1933. στη Σοβιετική Ένωση υπό την ηγεσία του V.P. Glushko στο περίφημο Gas Dynamics Laboratory.

Ηλεκτροστατικοί (ιονικοί) κινητήρες. Σε αυτούς τους κινητήρες, για πρώτη φορά βρισκόμαστε αντιμέτωποι με «ψυχρή» επιτάχυνση του ρευστού εργασίας. Σωματίδια του ρευστού εργασίας (ζεύγη εύκολα ιονιζόμενων μετάλλων, όπως το ρουβίδιο ή το καίσιο) χάνουν τα ηλεκτρόνια τους στον ιονιστή και επιταχύνονται σε υψηλή ταχύτητα σε ένα ηλεκτρικό πεδίο. Προκειμένου το ηλεκτρικό φορτίο του πίδακα φορτισμένων σωματιδίων πίσω από τη συσκευή να μην παρεμβαίνει στην περαιτέρω εκροή, αυτός ο πίδακας εξουδετερώνεται έξω από αυτό με την εκτόξευση ηλεκτρονίων που λαμβάνονται από τα άτομα (Εικ. 11).

Ρύζι. 11. Σχηματικό διάγραμμα του κινητήρα

Δεν υπάρχουν περιορισμοί θερμοκρασίας σε έναν κινητήρα ιόντων. Επομένως, καταρχήν, είναι δυνατό να επιτευχθούν αυθαίρετα υψηλές ταχύτητες καυσαερίων, μέχρι εκείνες που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός. Ωστόσο, οι υπερβολικά υψηλές ταχύτητες καυσαερίων πρέπει να εξαιρεθούν από την εξέταση, καθώς θα απαιτούσαν τεράστια ισχύ από το εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής στο πλοίο.

Ρύζι. 12. Σχήμα σχηματισμού κινούμενων πλασμοειδών σε μηχανή πλάσματος «παλμικού» 11.18].

Σε αυτή την περίπτωση, η μάζα του συστήματος πρόωσης θα αυξανόταν πολύ περισσότερο από την ώθηση, και ως αποτέλεσμα, η αντιδραστική επιτάχυνση θα μειωνόταν πολύ. Ο σκοπός της διαστημικής πτήσης, η διάρκειά της και η ποιότητα του σταθμού παραγωγής ενέργειας καθορίζουν την καλύτερη, βέλτιστη ταχύτητα εξάτμισης για μια δεδομένη εργασία. Είναι, σύμφωνα με ορισμένους συγγραφείς, εντός των ορίων, και κατά άλλους, , . Οι κινητήρες ιόντων θα είναι σε θέση να προσφέρουν επιτάχυνση τζετ της τάξης του .

Ορισμένοι ειδικοί εναποθέτουν μεγάλες ελπίδες σε έναν ειδικό τύπο ηλεκτροστατικού κινητήρα - κολλοειδούς κινητήρα. Αυτοί οι κινητήρες επιταχύνουν μεγάλα φορτισμένα μόρια και ακόμη και ομάδες μορίων ή σωματιδίων σκόνης με διάμετρο περίπου 1 micron.

Ρύζι. 13. Διάγραμμα μαγνητοϋδροδυναμικού κινητήρα με διασταυρούμενα πεδία.

Μαγνητοϋδροδυναμικοί (ηλεκτροδυναμικοί, ηλεκτρομαγνητικοί, μαγνήτης-πλάσμα, «πλάσμα») κινητήρες. Αυτή η ομάδα κινητήρων συνδυάζει μια τεράστια ποικιλία σχημάτων στα οποία το πλάσμα επιταχύνεται σε μια ορισμένη ταχύτητα εκροής αλλάζοντας το μαγνητικό πεδίο ή με την αλληλεπίδραση ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων. Οι συγκεκριμένες μέθοδοι για την επιτάχυνση του πλάσματος, καθώς και τη λήψη του, είναι πολύ διαφορετικές. Σε μια μηχανή πλάσματος (Εικ. 12), ένας θρόμβος πλάσματος («πλασμοειδές») επιταχύνεται από μαγνητική πίεση. Στον «κινητήρα με διασταυρωμένα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία» (Εικ. 13) μέσω του πλάσματος,

τοποθετείται σε μαγνητικό πεδίο, διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα (το πλάσμα είναι καλός αγωγός) και ως αποτέλεσμα το πλάσμα αποκτά ταχύτητα (όπως ένα συρμάτινο πλαίσιο με ρεύμα τοποθετημένο σε μαγνητικό πεδίο). Η βέλτιστη ταχύτητα εξάτμισης για μαγνητοϋδροδυναμικούς κινητήρες είναι πιθανό να είναι της τάξης της επιτάχυνσης τζετ

Σε εργαστηριακές δοκιμές μαγνητοϋδροδυναμικών κινητήρων, ταχύτητες καυσαερίων έως .

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι σε πολλές περιπτώσεις είναι δύσκολο να ταξινομηθεί ένας κινητήρας σε μια κατηγορία ή στην άλλη.

Ηλεκτροκινητήρες με πρόσληψη ρευστού εργασίας από την ανώτερη ατμόσφαιρα. Ένα αεροσκάφος που κινείται στην ανώτερη ατμόσφαιρα μπορεί να χρησιμοποιήσει το σπάνιο εξωτερικό περιβάλλον ως ρευστό εργασίας για έναν ηλεκτροκινητήρα. Ένας τέτοιος ηλεκτροκινητήρας είναι παρόμοιος με έναν κινητήρα που αναπνέει αέρα στην κατηγορία των χημικών κινητήρων. Το αέριο που εισέρχεται μέσω της εισαγωγής αέρα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ρευστό εργασίας είτε απευθείας είτε μετά από συσσώρευση (και πιθανώς υγροποίηση) σε δεξαμενές. Είναι επίσης πιθανό το λειτουργικό ρευστό να συσσωρευτεί στις δεξαμενές ενός αεροσκάφους και στη συνέχεια να αντληθεί στις δεξαμενές ενός άλλου αεροσκάφους.

Ένα σημαντικό πλεονέκτημα όλων των τύπων ηλεκτροκινητήρων είναι η ευκολία ρύθμισης της πρόσφυσης. Μια σοβαρή δυσκολία είναι η ανάγκη να απαλλαγούμε από την υπερβολική θερμότητα που παράγεται από έναν πυρηνικό αντιδραστήρα. Αυτή η περίσσεια δεν παρασύρεται από το ρευστό εργασίας και δεν δίνεται στο περιβάλλον, που πρακτικά απουσιάζει στον παγκόσμιο χώρο. Μπορείτε να το ξεφορτωθείτε μόνο με τη βοήθεια καλοριφέρ με μεγάλη επιφάνεια.

Το 1964, οι Ηνωμένες Πολιτείες διεξήγαγαν την πρώτη επιτυχημένη δοκιμή για 31 λεπτά μιας μηχανής ιόντων τοποθετημένης σε δοχείο που εκτοξεύτηκε σε βαλλιστική τροχιά. Σε πραγματικές διαστημικές συνθήκες, οι κινητήρες ιόντων και πλάσματος δοκιμάστηκαν για πρώτη φορά στο σοβιετικό πλοίο Voskhod-1 και στο σοβιετικό σταθμό Zond-2, που εκτοξεύτηκε το 1964 ("Zond-2" - προς τον Άρη). Μαζί με τα συμβατικά, χρησιμοποιήθηκαν σε συστήματα προσανατολισμού. Τον Απρίλιο του 1965, μια μηχανή υγρού ιόντος καισίου δοκιμάστηκε μαζί με τον πυρηνικό αντιδραστήρα Snap-10A στον δορυφόρο American Earth, αναπτύσσοντας ώθηση (αντί για κινητήρες ιόντων καισίου με υπολογισμένη ρυθμιζόμενη ώθηση και ηλεκτροθερμικές μηχανές που χρησιμοποιούν υγρή αμμωνία ως ρευστό εργασίας και αναπτυσσόμενη ώθηση είχαν δοκιμαστεί στο παρελθόν με διαφορετική επιτυχία σε μια σειρά δορυφόρων που εκτοξεύτηκαν στις Ηνωμένες Πολιτείες από το 1966.

Ποιο είναι το πρώτο πράγμα που σας έρχεται στο μυαλό όταν ακούτε τη φράση «μηχανές πυραύλων»; Φυσικά, το μυστηριώδες διάστημα, οι διαπλανητικές πτήσεις, η ανακάλυψη νέων γαλαξιών και η σαγηνευτική λάμψη μακρινών αστεριών. Ανά πάσα στιγμή, ο ουρανός έχει προσελκύσει ανθρώπους στον εαυτό του, ενώ παραμένει ένα άλυτο μυστήριο, αλλά η δημιουργία του πρώτου διαστημικού πυραύλου και η εκτόξευσή του άνοιξε νέους ορίζοντες έρευνας για την ανθρωπότητα.

Οι πυραυλοκινητήρες είναι ουσιαστικά συνηθισμένοι κινητήρες αεριωθουμένων με ένα σημαντικό χαρακτηριστικό: δεν χρησιμοποιούν το ατμοσφαιρικό οξυγόνο ως οξειδωτικό καυσίμου για τη δημιουργία ώθησης αεριωθουμένων. Ό,τι χρειάζεται για τη λειτουργία του βρίσκεται είτε απευθείας στο σώμα του είτε στα συστήματα οξειδωτικού και τροφοδοσίας καυσίμου. Είναι αυτό το χαρακτηριστικό που καθιστά δυνατή τη χρήση πυραυλοκινητήρων στο διάστημα.

Υπάρχουν πολλοί τύποι κινητήρων πυραύλων και όλοι διαφέρουν εντυπωσιακά μεταξύ τους όχι μόνο ως προς τα σχεδιαστικά χαρακτηριστικά τους, αλλά και στην αρχή λειτουργίας τους. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο κάθε είδος πρέπει να εξετάζεται ξεχωριστά.

Μεταξύ των κύριων χαρακτηριστικών λειτουργίας των κινητήρων πυραύλων, δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στην ειδική ώθηση - την αναλογία της ποσότητας ώσης jet προς τη μάζα του ρευστού εργασίας που καταναλώνεται ανά μονάδα χρόνου. Η συγκεκριμένη τιμή παλμού αντιπροσωπεύει την απόδοση και την οικονομία του κινητήρα.

Χημικοί πυραυλοκινητήρες (CRE)

Αυτός ο τύπος κινητήρα είναι επί του παρόντος ο μόνος που χρησιμοποιείται ευρέως για την εκτόξευση διαστημικών σκαφών στο διάστημα· επιπλέον, έχει βρει εφαρμογή στη στρατιωτική βιομηχανία. Οι χημικοί κινητήρες χωρίζονται σε στερεά και υγρά καύσιμα ανάλογα με τη φυσική κατάσταση του καυσίμου πυραύλων.

Ιστορία της δημιουργίας

Οι πρώτοι κινητήρες πυραύλων ήταν στερεά καύσιμα και εμφανίστηκαν πριν από αρκετούς αιώνες στην Κίνα. Εκείνη την εποχή, είχαν ελάχιστη σχέση με το διάστημα, αλλά με τη βοήθειά τους ήταν δυνατή η εκτόξευση στρατιωτικών πυραύλων. Το καύσιμο που χρησιμοποιήθηκε ήταν σκόνη παρόμοια σε σύνθεση με την πυρίτιδα, αλλά άλλαξε μόνο το ποσοστό των συστατικών της. Ως αποτέλεσμα, κατά την οξείδωση, η σκόνη δεν εξερράγη, αλλά σταδιακά καίγεται, απελευθερώνοντας θερμότητα και δημιουργώντας ώθηση πίδακα. Τέτοιοι κινητήρες βελτιώθηκαν, βελτιώθηκαν και βελτιώθηκαν με ποικίλη επιτυχία, αλλά η συγκεκριμένη ώθησή τους παρέμενε ακόμα μικρή, δηλαδή η σχεδίαση ήταν αναποτελεσματική και αντιοικονομική. Σύντομα, εμφανίστηκαν νέοι τύποι στερεών καυσίμων, επιτρέποντας μεγαλύτερη ειδική ώθηση και μεγαλύτερη ώθηση. Επιστήμονες από την ΕΣΣΔ, τις ΗΠΑ και την Ευρώπη εργάστηκαν για τη δημιουργία του στο πρώτο μισό του εικοστού αιώνα. Ήδη στο δεύτερο μισό της δεκαετίας του '40, αναπτύχθηκε ένα πρωτότυπο σύγχρονου καυσίμου, το οποίο χρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα.

Ο πυραυλοκινητήρας RD-170 λειτουργεί με υγρό καύσιμο και οξειδωτικό.

Οι κινητήρες υγρών πυραύλων είναι εφεύρεση της Κ.Ε. Tsiolkovsky, ο οποίος τα πρότεινε ως μονάδα ισχύος για διαστημικό πύραυλο το 1903. Στη δεκαετία του '20, οι εργασίες για τη δημιουργία κινητήρων υγρών πυραύλων άρχισαν να πραγματοποιούνται στις ΗΠΑ και στη δεκαετία του '30 - στην ΕΣΣΔ. Ήδη από την αρχή του Β' Παγκοσμίου Πολέμου δημιουργήθηκαν τα πρώτα πειραματικά δείγματα και μετά το τέλος του άρχισαν να παράγονται μαζικά πυραυλοκινητήρες υγρού καυσίμου. Χρησιμοποιήθηκαν στη στρατιωτική βιομηχανία για τον εξοπλισμό βαλλιστικών πυραύλων. Το 1957, για πρώτη φορά στην ανθρώπινη ιστορία, εκτοξεύτηκε ένας σοβιετικός τεχνητός δορυφόρος. Για την εκτόξευση χρησιμοποιήθηκε πύραυλος εξοπλισμένος με Ρωσικούς Σιδηροδρόμους.

Σχεδιασμός και αρχή λειτουργίας χημικών πυραυλοκινητήρων

Ένας κινητήρας στερεού καυσίμου περιέχει καύσιμο και ένα οξειδωτικό σε στερεή κατάσταση αδρανών στο περίβλημά του, και το δοχείο με καύσιμο είναι επίσης ένας θάλαμος καύσης. Το καύσιμο έχει συνήθως σχήμα ράβδου με κεντρική οπή. Κατά τη διαδικασία οξείδωσης, η ράβδος αρχίζει να καίγεται από το κέντρο προς την περιφέρεια και τα αέρια που προκύπτουν από την καύση εξέρχονται από το ακροφύσιο, σχηματίζοντας ρεύμα. Αυτός είναι ο απλούστερος σχεδιασμός όλων των κινητήρων πυραύλων.

Στους κινητήρες υγρών πυραύλων, το καύσιμο και το οξειδωτικό βρίσκονται σε υγρή κατάσταση σε δύο ξεχωριστές δεξαμενές. Μέσω των καναλιών τροφοδοσίας εισέρχονται στον θάλαμο καύσης, όπου αναμειγνύονται και λαμβάνει χώρα η διαδικασία καύσης. Τα προϊόντα καύσης εξέρχονται από το ακροφύσιο, σχηματίζοντας βύθισμα. Το υγρό οξυγόνο χρησιμοποιείται συνήθως ως οξειδωτικό και το καύσιμο μπορεί να είναι διαφορετικό: κηροζίνη, υγρό υδρογόνο κ.λπ.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των χημικών RD, το πεδίο εφαρμογής τους

Τα πλεονεκτήματα των πυραυλοκινητήρων στερεών καυσίμων είναι:

• απλότητα σχεδιασμού?
• συγκριτική ασφάλεια από άποψη οικολογίας·
• χαμηλή τιμή;
• αξιοπιστία.

Μειονεκτήματα των πυραυλοκινητήρων στερεού προωθητικού:

• περιορισμός χρόνου λειτουργίας: το καύσιμο καίγεται πολύ γρήγορα.
• αδυναμία επανεκκίνησης του κινητήρα, διακοπής λειτουργίας και ρύθμισης της πρόσφυσης.
• χαμηλό ειδικό βάρος στην περιοχή 2000-3000 m/s.

Αναλύοντας τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των κινητήρων πυραύλων στερεού προωθητικού, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η χρήση τους δικαιολογείται μόνο σε περιπτώσεις όπου απαιτείται μονάδα ισχύος μέσης ισχύος, αρκετά φθηνή και εύκολη στην εφαρμογή. Το εύρος της χρήσης τους είναι βαλλιστικοί, μετεωρολογικοί πύραυλοι, MANPADS, καθώς και πλευρικοί ενισχυτές διαστημικών πυραύλων (οι αμερικανικοί πύραυλοι είναι εξοπλισμένοι με αυτούς, δεν χρησιμοποιήθηκαν σε σοβιετικούς και ρωσικούς πυραύλους).

Πλεονεκτήματα των υγρών RD:

• υψηλή ειδική ώθηση (περίπου 4500 m/s και άνω).
• την ικανότητα ρύθμισης της πρόσφυσης, διακοπής και επανεκκίνησης του κινητήρα.
• μικρότερο βάρος και συμπαγή, γεγονός που καθιστά δυνατή την εκτόξευση ακόμη και μεγάλων φορτίων πολλών τόνων σε τροχιά.

Μειονεκτήματα των πυραυλοκινητήρων:

• σύνθετη σχεδίαση και θέση σε λειτουργία·
• Σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας, τα υγρά στις δεξαμενές μπορούν να κινούνται χαοτικά. Για την απόθεσή τους είναι απαραίτητη η χρήση πρόσθετων πηγών ενέργειας.

Το πεδίο εφαρμογής των κινητήρων υγρού προωθητικού είναι κυρίως στην αστροναυτική, καθώς αυτοί οι κινητήρες είναι πολύ ακριβοί για στρατιωτικούς σκοπούς.

Παρά το γεγονός ότι μέχρι στιγμής οι χημικοί πυραυλοκινητήρες είναι οι μόνοι ικανοί να εκτοξεύουν πυραύλους στο διάστημα, η περαιτέρω βελτίωσή τους είναι πρακτικά αδύνατη. Οι επιστήμονες και οι σχεδιαστές είναι πεπεισμένοι ότι το όριο των δυνατοτήτων τους έχει ήδη φτάσει και για να αποκτήσουν πιο ισχυρές μονάδες με υψηλή ειδική ώθηση, χρειάζονται άλλες πηγές ενέργειας.

Πυρηνικοί πυραυλοκινητήρες (NRE)

Αυτός ο τύπος κινητήρα πυραύλων, σε αντίθεση με τους χημικούς, παράγει ενέργεια όχι με την καύση καυσίμου, αλλά ως αποτέλεσμα της θέρμανσης του ρευστού εργασίας από την ενέργεια των πυρηνικών αντιδράσεων. Οι πυρηνικοί πυραυλοκινητήρες είναι ισοτοπικοί, θερμοπυρηνικοί και πυρηνικοί.

Ιστορία της δημιουργίας

Ο σχεδιασμός και η αρχή λειτουργίας του κινητήρα πυρηνικής πρόωσης αναπτύχθηκαν στη δεκαετία του '50. Ήδη στη δεκαετία του '70 ήταν έτοιμα πειραματικά δείγματα στην ΕΣΣΔ και στις ΗΠΑ, τα οποία δοκιμάστηκαν με επιτυχία. Ο σοβιετικός κινητήρας στερεάς φάσης RD-0410 με ώθηση 3,6 τόνων δοκιμάστηκε σε βάση πάγκου και ο αμερικανικός αντιδραστήρας NERVA επρόκειτο να εγκατασταθεί στον πύραυλο Saturn V πριν σταματήσει η χορηγία του σεληνιακού προγράμματος. Παράλληλα, έγιναν εργασίες για τη δημιουργία κινητήρων πυρηνικής πρόωσης αέριας φάσης. Επί του παρόντος, βρίσκονται σε εξέλιξη επιστημονικά προγράμματα για την ανάπτυξη πυρηνικών πυραύλων και διεξάγονται πειράματα σε διαστημικούς σταθμούς.

Έτσι, υπάρχουν ήδη λειτουργικά μοντέλα κινητήρων πυρηνικών πυραύλων, αλλά μέχρι στιγμής κανένα από αυτά δεν έχει χρησιμοποιηθεί εκτός εργαστηρίων ή επιστημονικών βάσεων. Οι δυνατότητες τέτοιων κινητήρων είναι αρκετά υψηλές, αλλά ο κίνδυνος που σχετίζεται με τη χρήση τους είναι επίσης σημαντικός, επομένως προς το παρόν υπάρχουν μόνο σε έργα.

Συσκευή και αρχή λειτουργίας

Οι πυρηνικοί πυραυλοκινητήρες είναι αέριας, υγρής και στερεάς φάσης, ανάλογα με την κατάσταση συσσωμάτωσης του πυρηνικού καυσίμου. Το καύσιμο στους κινητήρες πυρηνικής πρόωσης στερεάς φάσης είναι ράβδοι καυσίμου, όπως και στους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Βρίσκονται στο περίβλημα του κινητήρα και κατά την αποσύνθεση του σχάσιμου υλικού απελευθερώνουν θερμική ενέργεια. Το ρευστό εργασίας - αέριο υδρογόνο ή αμμωνία - σε επαφή με το στοιχείο καυσίμου, απορροφά ενέργεια και θερμαίνεται, αυξάνοντας τον όγκο και συμπιέζεται, μετά την οποία εξέρχεται μέσω του ακροφυσίου υπό υψηλή πίεση.

Η αρχή λειτουργίας ενός κινητήρα πυρηνικής πρόωσης υγρής φάσης και ο σχεδιασμός του είναι παρόμοια με εκείνη της στερεάς φάσης, μόνο το καύσιμο βρίσκεται σε υγρή κατάσταση, γεγονός που καθιστά δυνατή την αύξηση της θερμοκρασίας και επομένως της ώθησης.

Οι πυρηνικοί κινητήρες αερίου φάσης λειτουργούν με καύσιμο σε αέρια κατάσταση. Συνήθως χρησιμοποιούν ουράνιο. Το αέριο καύσιμο μπορεί να συγκρατηθεί στο περίβλημα από ένα ηλεκτρικό πεδίο ή να βρίσκεται σε μια σφραγισμένη διαφανή φιάλη - μια πυρηνική λάμπα. Στην πρώτη περίπτωση, υπάρχει επαφή του ρευστού εργασίας με το καύσιμο, καθώς και μερική διαρροή του τελευταίου, επομένως, εκτός από τον κύριο όγκο του καυσίμου, ο κινητήρας πρέπει να έχει απόθεμα για περιοδική αναπλήρωση. Στην περίπτωση πυρηνικού λαμπτήρα, δεν υπάρχει διαρροή και το καύσιμο είναι πλήρως απομονωμένο από τη ροή του ρευστού εργασίας.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των πυρηνικών κινητήρων

Οι πυρηνικοί πυραυλοκινητήρες έχουν τεράστιο πλεονέκτημα έναντι των χημικών - αυτό είναι μια υψηλή ειδική ώθηση. Για μοντέλα στερεάς φάσης, η τιμή του είναι 8000-9000 m/s, για μοντέλα υγρής φάσης – 14.000 m/s, για αέρια φάση – 30.000 m/s. Ταυτόχρονα, η χρήση τους συνεπάγεται μόλυνση της ατμόσφαιρας με ραδιενεργές εκπομπές. Τώρα βρίσκονται σε εξέλιξη εργασίες για τη δημιουργία ενός ασφαλούς, φιλικού προς το περιβάλλον και αποτελεσματικού πυρηνικού κινητήρα και ο κύριος «υποψήφιος» για αυτόν τον ρόλο είναι ένας πυρηνικός κινητήρας αερίου φάσης με πυρηνικό λαμπτήρα, όπου η ραδιενεργή ουσία βρίσκεται σε σφραγισμένη φιάλη και δεν έρχεται έξω με φλόγα πίδακα.

Ηλεκτρικοί πυραυλοκινητήρες (ERM)

Ένας άλλος πιθανός ανταγωνιστής των χημικών προωθητών είναι ένας ηλεκτρικός προωθητής που λειτουργεί χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια. Η ηλεκτρική πρόωση μπορεί να είναι ηλεκτροθερμική, ηλεκτροστατική, ηλεκτρομαγνητική ή παλμική.

Ιστορία της δημιουργίας

Ο πρώτος ηλεκτροκινητήρας πρόωσης σχεδιάστηκε τη δεκαετία του '30 από τον Σοβιετικό σχεδιαστή V.P. Glushko, αν και η ιδέα της δημιουργίας ενός τέτοιου κινητήρα εμφανίστηκε στις αρχές του εικοστού αιώνα. Στη δεκαετία του '60, επιστήμονες από την ΕΣΣΔ και τις ΗΠΑ εργάστηκαν ενεργά για τη δημιουργία κινητήρων ηλεκτρικής πρόωσης και ήδη στη δεκαετία του '70 τα πρώτα δείγματα άρχισαν να χρησιμοποιούνται σε διαστημόπλοια ως κινητήρες ελέγχου.

Σχεδιασμός και αρχή λειτουργίας

Ένα ηλεκτρικό πυραυλικό σύστημα πρόωσης αποτελείται από τον ίδιο τον κινητήρα ηλεκτρικής πρόωσης, η δομή του οποίου εξαρτάται από τον τύπο του, τα συστήματα παροχής ρευστού λειτουργίας, τον έλεγχο και την τροφοδοσία ισχύος. Ένα ηλεκτροθερμικό RD θερμαίνει τη ροή του ρευστού εργασίας λόγω της θερμότητας που παράγεται από το θερμαντικό στοιχείο ή σε ένα ηλεκτρικό τόξο. Το ρευστό εργασίας που χρησιμοποιείται είναι ήλιο, αμμωνία, υδραζίνη, άζωτο και άλλα αδρανή αέρια, σπανιότερα υδρογόνο.

Τα ηλεκτροστατικά RD χωρίζονται σε κολλοειδή, ιοντικά και πλάσμα. Σε αυτά, φορτισμένα σωματίδια του ρευστού εργασίας επιταχύνονται λόγω του ηλεκτρικού πεδίου. Σε κολλοειδή ή ιοντικά RD, ο ιονισμός αερίου παρέχεται από έναν ιονιστή, ένα ηλεκτρικό πεδίο υψηλής συχνότητας ή έναν θάλαμο εκκένωσης αερίου. Στα RD του πλάσματος, το ρευστό εργασίας - το αδρανές αέριο ξένο - διέρχεται από τη δακτυλιοειδή άνοδο και εισέρχεται σε ένα θάλαμο εκκένωσης αερίου με έναν αντισταθμιστή καθόδου. Σε υψηλή τάση, ένας σπινθήρας αναβοσβήνει μεταξύ της ανόδου και της καθόδου, ιονίζοντας το αέριο, με αποτέλεσμα το πλάσμα. Τα θετικά φορτισμένα ιόντα εξέρχονται από το ακροφύσιο με υψηλή ταχύτητα, που αποκτώνται λόγω της επιτάχυνσης από το ηλεκτρικό πεδίο και τα ηλεκτρόνια απομακρύνονται προς τα έξω από την κάθοδο αντιστάθμισης.

Οι ηλεκτρομαγνητικοί προωθητές έχουν το δικό τους μαγνητικό πεδίο - εξωτερικό ή εσωτερικό, το οποίο επιταχύνει τα φορτισμένα σωματίδια του ρευστού εργασίας.

Οι παλμικοί προωθητές λειτουργούν με εξάτμιση στερεού καυσίμου υπό την επίδραση ηλεκτρικών εκκενώσεων.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των κινητήρων ηλεκτρικής πρόωσης, εύρος χρήσης

Μεταξύ των πλεονεκτημάτων της ERD:

• υψηλή ειδική ώθηση, το ανώτερο όριο της οποίας είναι πρακτικά απεριόριστο.
• χαμηλή κατανάλωση καυσίμου (ρευστό εργασίας).

Ελαττώματα:

• υψηλό επίπεδο κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας·
• πολυπλοκότητα σχεδιασμού?
• ελαφριά πρόσφυση.

Σήμερα, η χρήση κινητήρων ηλεκτρικής πρόωσης περιορίζεται στην εγκατάστασή τους σε διαστημικούς δορυφόρους και οι ηλιακές μπαταρίες χρησιμοποιούνται ως πηγές ηλεκτρικής ενέργειας για αυτούς. Ταυτόχρονα, αυτοί οι κινητήρες μπορούν να γίνουν οι σταθμοί παραγωγής ενέργειας που θα επιτρέψουν την εξερεύνηση του διαστήματος, επομένως η εργασία για τη δημιουργία νέων μοντέλων τους βρίσκεται σε εξέλιξη σε πολλές χώρες. Ήταν αυτοί οι σταθμοί παραγωγής ενέργειας που οι συγγραφείς επιστημονικής φαντασίας ανέφεραν συχνότερα στα έργα τους αφιερωμένα στην κατάκτηση του διαστήματος και μπορούν επίσης να βρεθούν σε ταινίες επιστημονικής φαντασίας. Προς το παρόν, είναι η ηλεκτρική πρόωση που είναι η ελπίδα ότι οι άνθρωποι θα μπορούν ακόμα να ταξιδεύουν στα αστέρια.

Εργασία μαθήματος

Πανω σε αυτο το θεμα:

" Ηλεκτρικοί κινητήρες πυραύλων ιόντων "

Γενική θεωρία ηλεκτρικών πυραυλοκινητήρων (ERE)

Γενικές αρχές ηλεκτρικής πρόωσης

Ο ιδρυτής της αστροναυτικής Κ.Ε. Ο Tsiolkovsky εξέφρασε για πρώτη φορά την ιδέα το 1911 ότι με τη βοήθεια του ηλεκτρισμού είναι δυνατό να προσδώσει τεράστια ταχύτητα στα σωματίδια που εκτοξεύονται από μια συσκευή πίδακα. Αργότερα, μια κατηγορία κινητήρων με βάση αυτή την αρχή ονομάστηκε ηλεκτρικοί πυραυλοκινητήρες. Ωστόσο, δεν υπάρχει ακόμη γενικά αποδεκτός και εντελώς σαφής ορισμός της ηλεκτρικής πρόωσης.

Στο Φυσικό Εγκυκλοπαιδικό Λεξικό, μια ηλεκτρική μηχανή πρόωσης είναι μια μηχανή πυραύλων στην οποία το λειτουργικό ρευστό είναι ιονισμένο αέριο (πλάσμα), που επιταχύνεται κυρίως από ηλεκτρομαγνητικά πεδία. στην εγκυκλοπαίδεια "Cosmonautics" - αυτός είναι ένας κινητήρας στον οποίο η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από την ενσωματωμένη μονάδα παραγωγής ενέργειας ενός διαστημικού σκάφους χρησιμοποιείται ως πηγή ενέργειας για τη δημιουργία ώθησης· το Πολυτεχνικό Λεξικό παρέχει μια τρίτη έκδοση του ορισμού της ηλεκτρικής πρόωσης: αυτός είναι ένας κινητήρας τζετ στον οποίο το λειτουργικό ρευστό επιταχύνεται σε υψηλές ταχύτητες με τη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας.

Είναι πιο λογικό να ονομάζουμε κινητήρες ηλεκτρικών πυραύλων που χρησιμοποιούν ηλεκτρική ενέργεια για να επιταχύνουν το ρευστό εργασίας και η πηγή ενέργειας μπορεί να βρίσκεται τόσο στο διαστημόπλοιο (SC) όσο και έξω από αυτό. Στην τελευταία περίπτωση, η ενέργεια είτε παρέχεται απευθείας στο σύστημα επιτάχυνσης από μια εξωτερική πηγή, είτε μεταφέρεται στο διαστημόπλοιο χρησιμοποιώντας μια εστιασμένη δέσμη ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

Αυτή η άποψη της ηλεκτρικής πρόωσης μοιράζονταν και οι πρωτοπόροι της αστροναυτικής - Yu.V. Kondratyuk, G. Obert, F.A. Zander, V.P. Glushko. Στο έργο του Yu.V. Το Kondratyuk 1 εξέτασε ένα διαστημόπλοιο πάνω στο οποίο πέφτει μια συγκεντρωμένη δέσμη φωτός και έναν ηλεκτρικό κινητήρα πίδακα που βασίζεται στην ηλεκτροστατική επιτάχυνση μεγάλων φορτισμένων σωματιδίων, για παράδειγμα, σκόνη γραφίτη. Η ίδια εργασία υποδεικνύει συγκεκριμένους τρόπους για την αύξηση της απόδοσης ενός ηλεκτροδυναμικού επιταχυντή μάζας (EDMA) χρησιμοποιώντας την επαφή με το πλάσμα και την επιτάχυνση στο κενό. Το 1929, ο G. Oberth 2 περιέγραψε τη μηχανή ιόντων. Το 1929-1931 Για πρώτη φορά, δημιουργήθηκε και δοκιμάστηκε στο εργαστήριο ένας παλμικός ηλεκτροθερμικός κινητήρας ηλεκτρικής πρόωσης, ο συγγραφέας του οποίου ήταν ο ιδρυτής της κατασκευής πυραυλοκινητήρων V.P. Glushko. Πρότεινε επίσης τον όρο «ηλεκτρικός πυραυλοκινητήρας».

Ωστόσο, οι εργασίες για την ηλεκτρική πρόωση δεν αναπτύχθηκαν περαιτέρω εκείνη την εποχή λόγω της έλλειψης φωτός και αποδοτικών πηγών ενέργειας. Οι εργασίες αυτές επαναλήφθηκαν στην ΕΣΣΔ και στο εξωτερικό μετά την εκτόξευση στη χώρα μας το 1957 του πρώτου τεχνητού δορυφόρου της Γης και την πρώτη πτήση στο διάστημα το 1961 ενός ατόμου - πολίτη της ΕΣΣΔ Yu.A. Γκαγκάριν. Αυτά τα χρόνια με πρωτοβουλία του Σ.Π. Korolev και I.V. Ο Kurchatov υιοθέτησε ένα ολοκληρωμένο πρόγραμμα εργασιών έρευνας και ανάπτυξης σε κινητήρες ηλεκτρικής πρόωσης διαφόρων τύπων. Ταυτόχρονα, ξεκίνησαν εργασίες για τη δημιουργία αποδοτικών πηγών ενέργειας για διαστημόπλοια (ηλιακές μπαταρίες, χημικές μπαταρίες, κυψέλες καυσίμου, πυρηνικοί αντιδραστήρες, πηγές ραδιοϊσοτόπων). Η κύρια κατεύθυνση της έρευνας που διατυπώθηκε σε αυτό το πρόγραμμα ήταν η ανάπτυξη επιστημονικών θεμελίων και η δημιουργία μοντέλων ηλεκτρικών συστημάτων πρόωσης με σκοπό την επίλυση των προβλημάτων της βιομηχανικής ανάπτυξης του διαστήματος κοντά στη Γη και την υποστήριξη της επιστημονικής έρευνας του Ηλιακού συστήματος.

Οι ακόλουθες επιστημονικές και τεχνικές ιδέες ήταν πιο σημαντικές για τη διαμόρφωση της σύγχρονης θεωρίας της ηλεκτρικής πρόωσης.

Η αρχή της ηλεκτροδυναμικής επιτάχυνσης, που προτάθηκε το 1957 από τον L.A. Ο Artsimovich και οι συνεργάτες του χρησιμοποιήθηκαν ως βάση για επιταχυντές διαφόρων κατηγοριών - παλμικοί κινητήρες ηλεκτρικής πρόωσης που χρησιμοποιούν αέριες και στερεές ουσίες εργασίας, σταθεροί ηλεκτροκινητήρες υψηλού ρεύματος.

Η αρχή της επιτάχυνσης διάχυσης των ιόντων σε ένα μαγνητισμένο πλάσμα από ένα αυτοσυνεπές ηλεκτρικό πεδίο. Αυτός ο μηχανισμός εφαρμόζεται σε κινητήρες πλάσματος με αζιμουθιακή μετατόπιση ηλεκτρονίων, σε προωστήρες τελικού Hall και, σε κάποιο βαθμό, σε παλμικούς κινητήρες με ηλεκτρομαγνητική επιτάχυνση πλάσματος. Στην πιο συνεπή μορφή της, αυτή η μέθοδος επιτάχυνσης εφαρμόζεται σε μια μηχανή στρώματος ανόδου (ALE), μια βέλτιστη παραλλαγή κινητήρων με αζιμουθιακή μετατόπιση ηλεκτρονίων. Στην αρχική της μορφή, η ιδέα του DAS διατυπώθηκε από τον A.V. Zharinov στα τέλη της δεκαετίας του '50. Αργότερα, με βάση αυτή την ιδέα, που συμπληρώθηκε από μια σειρά εφευρέσεων, αναπτύχθηκαν εξαιρετικά αποδοτικοί κινητήρες αζιμουθιακής ολίσθησης δύο και ενός σταδίου.

Στις ΗΠΑ, ο G. Kaufman πρότεινε την αρχή μιας μηχανής ιόντων πλάσματος (PID), στην οποία τα ιόντα επιταχύνονται επίσης από ένα διαμήκη ηλεκτρικό πεδίο, αλλά, σε αντίθεση με το DAS, προ-εξάγονται από μια εκκένωση πλάσματος με ηλεκτρόνια που ταλαντώνονται σε ένα διαμήκη μαγνητικό πεδίο. Ένας κινητήρας ιόντων πλάσματος έχει υψηλή απόδοση και διάρκεια ζωής, αλλά είναι κατώτερος από το DAS ως προς την ευελιξία και το εύρος ελέγχου των χαρακτηριστικών απόδοσης.

Σε σχέση με τις μελέτες σχεδιασμού των διαστημικών σταθμών ηλιακής ενέργειας που πραγματοποιήθηκαν τα τελευταία χρόνια, το ενδιαφέρον για συστήματα ηλεκτρικής πρόωσης με παροχή ενέργειας από εξωτερική πηγή έχει αναζωπυρωθεί. Αναπτύσσοντας τις ιδέες της Κ.Ε. Tsiolkovsky και Yu.V. Kondratyuk, G.I. Το Babat 1 το 1943 πρότεινε τη χρήση ενέργειας που μεταδίδεται σε ένα αεροσκάφος με τη μορφή μιας καλά εστιασμένης δέσμης ακτινοβολίας μικροκυμάτων από το έδαφος ή ενός διαστημικού σκάφους. Το 1971, ο A. Kantrowitz εξέτασε την ακτινοβολία λέιζερ για τους ίδιους σκοπούς.

Το 1975, ο J. O. Neill πρότεινε τη χρήση ενός ηλεκτροδυναμικού επιταχυντή μάζας (EDMA) για τη μεταφορά στο διάστημα από την επιφάνεια της Σελήνης υλικά που προορίζονται για την κατασκευή διαστημικών ηλιακών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής. Προφανώς, αυτά τα έργα στοχεύουν στην επίλυση προβλημάτων μακροπρόθεσμα, κατασκευή τροχιακών αντικειμένων υποδομής παραγωγής ενέργειας κοντά στη Γη.

Χαρακτηριστικά συστημάτων πρόωσης χαμηλής ώσης

Ο διαχωρισμός της πηγής ενέργειας και της ουσίας εργασίας στον κινητήρα ηλεκτρικής πρόωσης καθιστά δυνατό να ξεπεραστεί ο εγγενής περιορισμός των χημικών κινητήρων - η σχετικά χαμηλή ταχύτητα εξάτμισης. Αλλά, από την άλλη πλευρά, εάν χρησιμοποιείται ενσωματωμένη πηγή ενέργειας, αναπόφευκτα προκύπτει ένας άλλος περιορισμός - σχετικά χαμηλή ώση. Επομένως, εάν δεν λάβουμε υπόψη ειδικές περιπτώσεις προς το παρόν, για παράδειγμα, ελαφρούς κινητήρες, κινητήρες ηλεκτρικής πρόωσης θα πρέπει να ταξινομηθούν ως κινητήρες χαμηλής ώσης που είναι ικανοί να παρέχουν μόνο μικρή επιτάχυνση και επομένως είναι κατάλληλοι για την εκτέλεση διαφόρων εργασιών μεταφοράς απευθείας στο εξωτερικό χώρος. Οι κινητήρες ηλεκτρικής πρόωσης, κατά κανόνα, είναι διαστημικοί πυραυλοκινητήρες χαμηλής ώσης.

Εάν, για παράδειγμα, ο κινητήρας αναπτύξει ώθηση 10 N. η μάζα του διαστημικού σκάφους είναι 10 τόνοι, τότε η επιτάχυνση που δημιουργεί θα είναι 10" 3 m/s 2, δηλ. περίπου 10" 4 σολ 0 ( πηγαίνω – επιτάχυνση της ελεύθερης πτώσης στην επιφάνεια της Γης). Φυσικά, ένας τέτοιος κινητήρας δεν είναι κατάλληλος για εκτόξευση διαστημικών σκαφών από τη Γη σε τροχιές τεχνητών δορυφόρων.

Αυτή η κατάσταση μπορεί να αλλάξει όταν δημιουργηθούν αποδοτικοί κινητήρες λέιζερ ή ηλεκτροδυναμικοί επιταχυντές μάζας, το χαρακτηριστικό των οποίων είναι ότι η πηγή ενέργειας δεν βρίσκεται απαραίτητα στο διαστημόπλοιο. Σε αυτή την περίπτωση, θα πρέπει να μιλάμε για έναν κινητήρα ηλεκτρικής πρόωσης, που παρέχει υψηλή ταχύτητα εξάτμισης και υψηλή επιτάχυνση ταυτόχρονα.

Για να αναγνωρίσουμε άλλα ειδικά χαρακτηριστικά των κινητήρων ηλεκτρικής πρόωσης ως διαστημικών κινητήρων, ας εξετάσουμε το πρόβλημα της μετάβασης μεταξύ δύο κυκλικών τροχιών κοντά στη Γη. Ας στραφούμε στην εξίσωση Τσιολκόφσκι

(1.1)

(1.1)

(1.1)

όπου u" και v είναι η αύξηση της ταχύτητας του διαστημικού σκάφους και ο ρυθμός ροής της ουσίας εργασίας, αντίστοιχα. Μ ο -αρχική μάζα του διαστημικού σκάφους· M k = M o – mt – μάζα K A στην τελική τροχιά. Εδώ t– χρόνος μετάβασης μεταξύ τροχιών. T -μαζική κατανάλωση της ουσίας εργασίας. Από (1.1) η αύξηση της ταχύτητας

(1.2)

Η αλλαγή της κινητικής ενέργειας ενός διαστημικού σκάφους κατά τη διάρκεια της πτήσης συμβαίνει με ταχύτητα

Ένα συγκρότημα που αποτελείται από ένα σύνολο κινητήρων ηλεκτρικής πρόωσης, ένα σύστημα αποθήκευσης και παροχής υγρών εργασίας (SHiP), ένα σύστημα αυτόματου ελέγχου (ACS) και ένα σύστημα τροφοδοσίας ισχύος (SPS) ονομάζεται σύστημα ηλεκτρικής πρόωσης (EPS).

Εισαγωγή

Η ιδέα της χρήσης ηλεκτρικής ενέργειας σε κινητήρες τζετ για επιτάχυνση προέκυψε σχεδόν στην αρχή της ανάπτυξης της τεχνολογίας πυραύλων. Είναι γνωστό ότι μια τέτοια ιδέα εκφράστηκε από τον Κ. Ε. Τσιολκόφσκι. Το -1917, ο R. Goddard πραγματοποίησε τα πρώτα πειράματα και στη δεκαετία του '30 του 20ού αιώνα στην ΕΣΣΔ, υπό την ηγεσία του V.P. Glushko, δημιουργήθηκε ένας από τους πρώτους κινητήρες ηλεκτρικής πρόωσης που λειτουργούσαν.

Από την αρχή, θεωρήθηκε ότι ο διαχωρισμός της πηγής ενέργειας και της επιταχυνόμενης ουσίας θα εξασφάλιζε υψηλή ταχύτητα εξάτμισης του ρευστού εργασίας (PT), καθώς και χαμηλότερη μάζα του διαστημικού σκάφους (SC) λόγω μείωσης στη μάζα του αποθηκευμένου ρευστού εργασίας. Πράγματι, σε σύγκριση με άλλους κινητήρες πυραύλων, οι κινητήρες ηλεκτρικής πρόωσης καθιστούν δυνατή τη σημαντική αύξηση της ενεργού διάρκειας ζωής (AS) ενός διαστημικού σκάφους, ενώ μειώνουν σημαντικά τη μάζα του συστήματος πρόωσης (PS), το οποίο, κατά συνέπεια, καθιστά δυνατή την αύξηση το ωφέλιμο φορτίο ή να βελτιώσουν τα χαρακτηριστικά βάρους-διαστάσεων του ίδιου του διαστημικού σκάφους.

Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι η χρήση ηλεκτρικής πρόωσης θα μειώσει τη διάρκεια των πτήσεων σε μακρινούς πλανήτες (σε ορισμένες περιπτώσεις ακόμη και θα κάνει τέτοιες πτήσεις δυνατές) ή, με την ίδια διάρκεια πτήσης, θα αυξήσει το ωφέλιμο φορτίο.

• κινητήρες υψηλού ρεύματος (ηλεκτρομαγνητικοί, μαγνητοδυναμικοί).
• κινητήρες ώθησης.

Οι ETD, με τη σειρά τους, χωρίζονται σε κινητήρες ηλεκτρικής θέρμανσης (END) και ηλεκτρικού τόξου (EDA).

Οι ηλεκτροστατικοί κινητήρες χωρίζονται σε μηχανές ιόντων (συμπεριλαμβανομένων των κολλοειδών) (ID, CD) - επιταχυντές σωματιδίων σε μονοπολική δέσμη και επιταχυντές σωματιδίων σε σχεδόν ουδέτερο πλάσμα. Οι τελευταίοι περιλαμβάνουν επιταχυντές με κλειστή μετατόπιση ηλεκτρονίων και εκτεταμένη (UZDP) ή συντομευμένη (UZDU) ζώνη επιτάχυνσης. Οι πρώτοι ονομάζονται συνήθως σταθεροί κινητήρες πλάσματος (SPD), και το όνομα εμφανίζεται επίσης (ολοένα και λιγότερο συχνά) - γραμμικός κινητήρας Hall (LHD), στη δυτική βιβλιογραφία ονομάζεται κινητήρας Hall. Οι κινητήρες υπερήχων ονομάζονται συνήθως κινητήρες με επιτάχυνση ανόδου (LAM).

Οι κινητήρες υψηλού ρεύματος (μαγνητόπλασμα, μαγνητοδυναμικοί) περιλαμβάνουν κινητήρες με δικό τους μαγνητικό πεδίο και κινητήρες με εξωτερικό μαγνητικό πεδίο (για παράδειγμα, κινητήρας Hall που είναι τοποθετημένος στο τέλος - THD).

Οι παλμικοί κινητήρες χρησιμοποιούν την κινητική ενέργεια των αερίων που παράγεται από την εξάτμιση ενός στερεού σε μια ηλεκτρική εκκένωση.

Οποιαδήποτε υγρά και αέρια, καθώς και τα μείγματά τους, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ρευστό εργασίας σε κινητήρες ηλεκτρικής πρόωσης. Ωστόσο, για κάθε τύπο κινητήρα υπάρχουν υγρά εργασίας, η χρήση των οποίων σας επιτρέπει να επιτύχετε τα καλύτερα αποτελέσματα. Η αμμωνία χρησιμοποιείται παραδοσιακά για ETD, xenon για ηλεκτροστατική, λίθιο για υψηλού ρεύματος και φθοροπλαστικό για παλμικό.

Το μειονέκτημα του xenon είναι το κόστος του, λόγω της μικρής ετήσιας παραγωγής του (λιγότερο από 10 τόνους ετησίως παγκοσμίως), που αναγκάζει τους ερευνητές να αναζητήσουν άλλα RT με παρόμοια χαρακτηριστικά, αλλά λιγότερο ακριβά. Το αργόν θεωρείται ως ο κύριος υποψήφιος για αντικατάσταση. Είναι επίσης αδρανές αέριο, αλλά, σε αντίθεση με το ξένο, έχει υψηλότερη ενέργεια ιονισμού με μικρότερη ατομική μάζα. Η ενέργεια που δαπανάται για ιονισμό ανά μονάδα επιταχυνόμενης μάζας είναι μία από τις πηγές απωλειών απόδοσης.

Σύντομες τεχνικές προδιαγραφές

Οι κινητήρες ηλεκτρικής πρόωσης χαρακτηρίζονται από χαμηλό ρυθμό ροής μάζας RT και υψηλή ταχύτητα εκροής μιας επιταχυνόμενης ροής σωματιδίων. Το κατώτερο όριο της ταχύτητας εξάτμισης συμπίπτει περίπου με το ανώτερο όριο της ταχύτητας εξάτμισης ενός πίδακα χημικού κινητήρα και είναι περίπου 3.000 m/s. Το ανώτερο όριο είναι θεωρητικά απεριόριστο (εντός της ταχύτητας του φωτός), ωστόσο, για πολλά υποσχόμενα μοντέλα κινητήρων, θεωρείται ταχύτητα που δεν υπερβαίνει τα 200.000 m/s. Επί του παρόντος, για κινητήρες διαφόρων τύπων, η βέλτιστη ταχύτητα εξάτμισης θεωρείται ότι είναι από 16.000 έως 60.000 m/s.

Λόγω του γεγονότος ότι η διαδικασία επιτάχυνσης σε έναν κινητήρα ηλεκτρικής πρόωσης λαμβάνει χώρα σε χαμηλή πίεση στο κανάλι επιτάχυνσης (η συγκέντρωση σωματιδίων δεν υπερβαίνει τα 10 20 σωματίδια/m³), η πυκνότητα ώσης είναι αρκετά χαμηλή, γεγονός που περιορίζει τη χρήση κινητήρων ηλεκτρικής πρόωσης : η εξωτερική πίεση δεν πρέπει να υπερβαίνει την πίεση στο κανάλι επιτάχυνσης και η επιτάχυνση του διαστημικού σκάφους είναι πολύ μικρή (δέκα ή και εκατοστά σολ ). Εξαίρεση σε αυτόν τον κανόνα μπορεί να είναι η EDD σε μικρά διαστημόπλοια.

Η ηλεκτρική ισχύς των κινητήρων ηλεκτρικής πρόωσης κυμαίνεται από εκατοντάδες watt έως μεγαβάτ. Οι κινητήρες ηλεκτρικής πρόωσης που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος σε διαστημόπλοια έχουν ισχύ από 800 έως 2.000 W.

Προοπτικές

Αν και οι ηλεκτρικοί πυραυλοκινητήρες έχουν χαμηλή ώση σε σύγκριση με τους πυραύλους υγρού καυσίμου, είναι ικανοί να λειτουργούν για μεγάλες χρονικές περιόδους και ικανοί να πετούν αργά σε μεγάλες αποστάσεις.