電気ロケットエンジンの動作原理と設計。 電気ジェット エンジン (EPE)。 個人のお客さまの電気料金の計算
金属が多い。
始めた会話を続けて、私たちは学びます 電気ジェットエンジンとは何ですか、その動作原理と適用範囲は何ですか、そして近い将来飛行が可能かどうかという質問への答えも得られるでしょう...
まず最初に戻りましょう 金属の衝撃爆発。 この工程で最も重要な条件は金属の速度です。
ウランの臨界速度が 1,500 m/s である場合、鉄の臨界速度は 4,000 m/s を超えます。
したがって、同じ速度またはそれ以上の速度で地面に落下する隕石の中には、痕跡が残らないものもあります。 彼らは最も薄いものになります...
この機能は、1929 年に当社のエンジンとロケットの有名な作成者、バレンティン ペトロヴィッチ グルシュコによって注目されました。
写真1. 学者ヴァレンティン・ペトロヴィッチ・グルシュコ
彼は「爆発物としての金属」という非常に興味深いタイトルで記事を書きました。
著者はその最初の行で、金属を爆発物として使用することについて話しているのではなく、十分に強い電流パルスが金属線に流れると爆発が起こる可能性があると述べました。
温度は30万度まで上がります。 このような爆発のエネルギーは、ワイヤーの質量に等しい量の最も強力な爆発物の爆発のエネルギーよりも何倍も大きくなります。
この場合、エネルギー自体は、それを引き起こした電流パルスのエネルギーを超えます。
電動ジェットエンジン
そのような爆発のエネルギーは副大統領によって使用されました。 グルシュコのミニチュア 電動ジェットエンジン (EPE)、1930年代初頭に開発されました。
エンジンは手のひらにすっぽり収まります。
金属線をそれに送り込み、電気インパルスを与えると蒸気に変わります。
写真 2. V.P. が作成した電気ジェット エンジン (EPE) グルシュコ、1929年から1933年。
この蒸気は特殊なノズルから秒速数万メートルの速度で出てきます。
4 か月で 30 km/s の速度に達するには、エンジンは 300 W の電力を消費する必要があります。
それほどではなく、アイロンのパワーは3分の1です！ でも、アイロンにはコンセントがあるのですが、コンセントはどこで手に入るのでしょうか？
電気推進エンジンを搭載したロケットのエネルギー源として、V.P. グルシュコ氏は光電池の使用を提案した。
このようなエンジンを搭載したロケットは、単独で宇宙に行くことはできません。 開始するには、別のエンジンを使用する必要があります。
しかし、宇宙空間に入った後、電気推進エンジンを搭載した「太陽」ロケットは、数日以内に、他の種類のロケットでは到達できない速度に達する可能性があります。
火星への同様の飛行計画は現在、火星に宇宙飛行士を着陸させるロシアのプロジェクトで検討されている。
一連の電気推進エンジン、作動流体貯蔵供給システム（SHiP）、自動制御システム（ACS）、および電源システム（SPS）で構成される複合体は、と呼ばれます。 電気推進システム (EPS).
加速のためにジェットエンジンの電気エネルギーを使用するというアイデアは、ロケット技術の開発のほぼ初期に生まれました。 このような考えはK. E. ツィオルコフスキーによって表明されたことが知られています。 1917 年に R. ゴダードが最初の実験を実施し、20 世紀の 30 年代にソ連で副大統領グルシュコの指導の下、最初の実用的な電気推進エンジンの 1 つが作成されました。
当初から、エネルギー源と加速物質を分離することにより、作動流体 (PT) の高速排出が確保され、また、宇宙船の質量 (SC) の減少による軽量化が保証されると想定されていました。貯蔵された作動流体の質量。 実際、他のロケットエンジンと比較して、電気推進エンジンは宇宙船の有効寿命（AS）を大幅に延長すると同時に、推進システム（PS）の質量を大幅に削減することができ、それに応じて宇宙船の寿命を延ばすことができます。ペイロードを向上させたり、宇宙船自体の重量寸法特性を改善したりすることができます。
計算によると、電気推進の使用により、遠くの惑星への飛行時間が短縮される（場合によってはそのような飛行が可能になる）、または同じ飛行時間でペイロードが増加することが示されている。
ロシア語文献で認められた電気ロケットエンジンの分類
ETD は、電気加熱 (END) エンジンと電気アーク (EDA) エンジンに分類されます。
静電エンジンは、イオン (コロイドを含む) エンジン (ID、CD)、つまり単極ビームの粒子加速器と準中性プラズマの粒子加速器に分類されます。 後者には、閉じた電子ドリフトと拡張 (UZDP) または短縮 (UZDU) 加速ゾーンを備えた加速器が含まれます。 最初のものは通常、定置型プラズマ エンジン (SPD) と呼ばれ、その名前は (ますます少なくなってきていますが) リニア ホール エンジン (LHD) とも呼ばれます。西洋の文献ではホール エンジンと呼ばれています。 超音波モーターは通常、陽極加速モーター (LAM) と呼ばれます。
これらには、独自の磁場を持つモーターと外部磁場を持つモーター (エンドマウント ホール モーター - THD) が含まれます。
パルス エンジンは、放電における固体の蒸発によって生成されるガスの運動エネルギーを使用します。
あらゆる液体と気体、およびそれらの混合物を電気推進エンジンの作動流体として使用できます。 ただし、エンジンの種類ごとに作動流体があり、それを使用することで最良の結果を達成できます。 アンモニアは伝統的に ETD に、キセノンは静電に、リチウムは高電流に、フッ素樹脂はパルスに使用されてきました。
キセノンの欠点は、年間生産量が少ないため (世界中で年間 10 トン未満)、コストがかかることです。そのため、研究者は同様の特性を持つ、より安価な他の RT を探す必要があります。 アルゴンは代替の主な候補として検討されています。 これも不活性ガスですが、キセノンとは異なり、原子質量が低く、イオン化エネルギーが高くなります。 加速質量単位あたりのイオン化に費やされるエネルギーは、効率損失の原因の 1 つです。
電気推進エンジンは、低い RT 質量流量と、加速された粒子流の高い流出速度によって特徴付けられます。 排気速度の下限は化学エンジンジェットの排気速度の上限とほぼ一致しており、約３０００ｍ／ｓである。 上限は理論的には無制限（光速以内）ですが、有望なエンジンモデルの場合は 200,000 m/s を超えない速度が考慮されます。 現在、各種エンジンにおいて最適な排気速度は16,000～60,000m/sと考えられています。
電気推進エンジンの加速プロセスは加速チャネル内の低圧で行われるため (粒子濃度が 10 20 粒子/m3 を超えない)、推力密度が非常に低く、電気推進エンジンの使用が制限されます。 : 外部圧力が加速チャネル内の圧力を超えてはならず、宇宙船の加速度が非常に小さい (10 分の 1、さらには 100 分の 1) g ）。 この規則の例外は、小型宇宙船の EDD かもしれません。
電気推進エンジンの電力は、数百ワットからメガワットまでの範囲に及びます。 現在宇宙船で使用されている電気推進エンジンの出力は 800 ～ 2,000 W です。
モスクワ工科博物館にある電気ジェット エンジン。 1971 年に原子力研究所で作成され、その名にちなんで名付けられました。 I.V.クルチャトワ
1964 年、ソ連のゾンド 2 宇宙船の姿勢制御システムでは、フッ素樹脂で動作する 6 つの侵食パルス スラスターが 70 分間動作しました。 結果として生じる血漿凝塊の温度は約 30,000 K で、最大 16 km/s の速度で流出しました (コンデンサーバンクの容量は 100 μm、動作電圧は約 1 kV でした)。 米国では、1968 年に LES-6 宇宙船で同様のテストが実施されました。 1961 年、アメリカのリパブリック アビエーション社のピンチ パルス誘導路は、排気速度 10 ～ 70 km/s でスタンド上に 45 mN の推力を発生させました。
1966 年 10 月 1 日、ヤンター 1 自動電離層実験室は、アルゴンで動作する電気ロケット エンジン (ERE) のジェット流の相互作用を研究するために、3 段地球物理ロケット 1YA2TA によって高度 400 km まで打ち上げられました。電離層プラズマを使って。 実験用のプラズマイオン電気推進エンジンは、高度 160 km で最初に作動し、その後の飛行中に 11 サイクルの動作が実行されました。 ジェット流の速度は約40km/sに達した。 ヤンター研究所は指定された飛行高度 400 km に到達し、飛行は 10 分間続き、電気推進エンジンは安定して動作し、5 グラムの力の設計推力を開発しました。 科学界はタス通信の報告書からソ連の科学の成果を知りました。
2 番目の一連の実験では、窒素が使用されました。 排気速度は120km/sまで向上しました。 1971 年に、同様のデバイスが 4 台発売されました (他の情報源によると、1970 年以前は 6 台のデバイスがありました)。
1970 年の秋、ラムジェット電気推進システムは実飛行テストに合格しました。 1970年10月、国際天文学連盟の第21回大会で、ソビエトの科学者、G.グロゾフスキー教授、技術科学候補者ユ・ダニロフとN.クラフツォフ、物理・数学候補者M.マロフとV.ニキーチン博士。技術科学 V. Utkin - 空気推進システムのテストについて報告しました。 記録されたジェット速度は140 km/sに達しました。
1971 年、ソビエトの気象衛星「メテオール」の補正システムは、ファケル設計局が開発した 2 台の定置型プラズマ エンジンを操作しました。それぞれのエンジンは、約 0.4 kW の電源で、推力 18 ～ 23 mN と排気ガスを発生しました。速度は8km/s以上。 RD のサイズは 108 × 114 × 190 mm、質量は 32.5 kg、キセノン (圧縮キセノン) の貯蔵量は 2.4 kg でした。 ある始動時には、エンジンの 1 つが 140 時間連続して作動しました。この電気推進システムは図に示されています。
電気ロケットエンジンはドーンミッションでも使用されています。 ベピコロンボプロジェクトでの使用が予定されています。
電気ロケットエンジンは液体燃料ロケットに比べて推力が低いものの、長時間の稼働が可能で、長距離をゆっくりと飛行することが可能です。
この幅広いクラスのエンジンは、現在非常に集中的に開発されているさまざまなタイプのエンジンを組み合わせたものです。 作動流体は、電気エネルギーを使用して特定の排気速度まで加速されます。 エネルギーは宇宙船に搭載された原子力発電所または太陽光発電所から得られます（原則として化学電池からも得られます）。 多数のタイプの車載推進システムが考えられる。
開発されている電気モーターの設計は非常に多様です。 作動流体がロケットから射出される方法が異なる、電気モーターの 3 つの主要なグループを見ていきます。 (ただし、電気モーターを分類する他の方法も可能です)
電熱エンジン。 これらのエンジンは、これまで検討してきたすべてのエンジンと同様、熱エンジンです。 高温に加熱された作動流体（水素）は、電気的に中性の混合物であるプラズマに変化します。
プラスイオンと電子。 電気加熱方法はさまざまです: 電気アークでの加熱 (図 10)、タングステン発熱体を使用した加熱、放電による加熱など
米。 10. アークモーターの図
電気アーク エンジンの実験室テストでは、桁違いの排気速度が達成されました。プラズマを推力室の壁から磁気的に隔離することができれば、プラズマ温度は非常に高く、排気速度は電熱エンジンの反応加速は のオーダーになります。
世界初の電熱エンジンは 1929 年から 1933 年に開発されました。 ソビエト連邦では、有名なガス力学研究所の副社長グルシュコの指導の下で。
静電 (イオン) エンジン。 これらのエンジンでは、初めて作動流体の「低温」加速に直面します。 作動流体の粒子 (ルビジウムやセシウムなど、イオン化しやすい金属のペア) はイオナイザー内で電子を失い、電場で高速に加速されます。 装置の後ろにある荷電粒子のジェットの電荷がさらなる流出を妨げないように、このジェットは原子から取られた電子の放出によって装置の外側で中和されます（図11）。
米。 11. エンジンの概略図
イオン エンジンには温度制限はありません。 したがって、原理的には、光速に近づくまでの任意の高い排気速度を達成することが可能である。 ただし、排気速度が高すぎる場合は、船上の発電所から膨大な電力が必要になるため、考慮から除外する必要があります。
米。 12. 「パルス」プラズマエンジンにおける移動プラズモイドの形成のスキーム11.18]。
この場合、推進システムの質量は推力よりもはるかに大きくなり、その結果、反力加速度が大幅に減少します。 宇宙飛行の目的、その期間、発電所の品質によって、特定のタスクに最適な排気速度が決まります。 一部の著者によれば、それは制限内であり、他の著者によると、 、 です。 イオン エンジンは、 のオーダーのジェット加速を実現できます。
一部の専門家は、特殊なタイプの静電モーターであるコロイドモーターに大きな期待を寄せています。 これらのエンジンは、大きな荷電分子、さらには分子のグループや直径約 1 ミクロンの塵粒子を加速します。
米。 13. 交差磁場を備えた磁気流体力学エンジンの図。
磁気流体力学 (電気力学、電磁気、マグネットプラズマ、「プラズマ」) エンジン。 このグループのエンジンは、磁場の変化、または電場と磁場の相互作用によってプラズマを特定の流出速度まで加速する、非常に多様なスキームを組み合わせています。 プラズマを加速するための具体的な方法とプラズマを得る方法は大きく異なります。 プラズマエンジン (図 12) では、プラズマ凝固 (「プラズモイド」) が磁気圧力によって加速されます。 プラズマを介した「電場と磁場が交差するエンジン」（図13）では、
磁場の中に置かれると、電流が流れ（プラズマは良導体です）、その結果、プラズマは速度を獲得します（磁場の中に電流が置かれたワイヤーフレームのように）。 磁気流体力学エンジンの最適な排気速度は、ジェット加速度程度であると考えられます。
磁気流体力学エンジンの実験室テストでは、排気速度は最大 100 です。
多くの場合、エンジンをいずれかのクラスに分類するのは困難であることに注意してください。
上層大気から作動流体を取り込む電気モーター。 高層大気圏を移動する航空機は、希薄な外部環境を電気モーターの作動流体として利用できます。 このような電気モーターは、化学エンジンの一種である空気吸入エンジンに似ています。 空気取入口から入ったガスは、直接、またはタンク内に蓄積 (場合によっては液化) した後、作動流体として使用できます。 作動流体が 1 つの航空機のタンクに蓄積され、その後別の航空機のタンクにポンプで送り込まれる可能性もあります。
すべてのタイプの電気モーターの重要な利点は、トラクション調整が簡単であることです。 深刻な問題は、原子炉から発生する過剰な熱を除去する必要があることです。 この過剰分は作動流体によって持ち去られず、ワールド空間には事実上存在しない環境にも放出されません。 大きな表面を持つラジエーターの助けを借りてのみそれを取り除くことができます。
1964年、米国は弾道軌道上に打ち上げられたコンテナに搭載されたイオンエンジンの31分間の試験に初めて成功した。 実際の宇宙条件では、イオンおよびプラズマ エンジンは、1964 年に打ち上げられたソ連の船ボスホート 1 号とソ連のステーション ゾンド 2 号 (「ゾンド 2 号」 - 火星に向けて) で最初にテストされました。 従来のものと合わせて、オリエンテーションシステムにも使用されました。 1965 年 4 月、液体セシウム イオン エンジンがアメリカの地球衛星で Snap-10A 原子炉と一緒に試験され、推力を開発しました (計算された調整可能な推力を備えたセシウム イオン エンジンと、作動流体として液体アンモニアを使用し推力を開発した電熱エンジンの代わり)は、1966 年以来米国で打ち上げられた一連の衛星で以前にテストされ、さまざまな成功を収めました。
電動ロケットモーター (ERD)
電気推進エンジンの使用が制限されているため、高電力消費 (10 ～ 100 kW 1まで nトラクション)。 車載発電所 (およびその他の補助システム) の存在と推力密度の低さにより、電気推進エンジンを搭載したデバイスの加速度は低くなります。 したがって、電気推進エンジンは、弱い重力場の条件下または惑星に近い軌道のいずれかで飛行する宇宙船でのみ使用できます。 これらは、方向付け、宇宙船の軌道の修正、および大量のエネルギーを必要としないその他の操作に使用されます。 静電、プラズマホール、およびその他の電気推進システムは、宇宙船の主エンジンとして有望であると考えられています。 RT の排出質量が小さいため、このような電気推進エンジンの連続運転時間は数か月、数年単位になります。 既存の化学誘導路の代わりにそれらを使用すると、宇宙船のペイロード質量が増加します。 電気エネルギーを使用して推力を生成するというアイデアは、K.E. ツィオルコフスキーやその他の宇宙飛行学の先駆者によって提唱されました。 1916年から1917年にかけて、R.ゴダード（米国）は実験によってこの考えの現実性を確認しました。 1929 年から 1933 年にかけて、V. P. グルシコ (ソ連) は実験用の電気推進エンジンを作成しました。 ソ連では、1964年にゾンド型宇宙船でプラズマパルススラスタが、1966年から1971年にかけてヤンター宇宙船でイオンスラスタが、1972年にメテオール宇宙船でプラズマ準静止スラスタがテストされた。 米国では 1964 年以来、さまざまなタイプの電気推進システムが、弾道飛行で、次に宇宙飛行 (ATS、CERT-2 など) でテストされてきました。 この分野の研究は、イギリス、フランス、ドイツ、日本でも実施されています。 点灯: Corliss W.R.、宇宙飛行用ロケット エンジン、トランス。 英語から、M.、1962年。 Stuhlinger E.、宇宙飛行用のイオン エンジン、トランス。 英語から.M.、1966年。 Gilzin K. A.、電気惑星間船、第 2 版、M.、1970 年。 Gurov A.F.、Sevruk D.D.、Surnov D.N.、宇宙電気ロケット エンジンの設計と強度計算、M.、1970 年。 Favorsky O. N.、Fishgoit V、V.、Yantovsky E. I.、宇宙電気推進システム理論の基礎、M.、1970; Grishin S. D.、Leskov L. V.、Kozlov N. P.、電気ロケット エンジン、M.、1975 年。 ユウ・M・トゥルーシン。
ソビエト大百科事典。 - M.: ソビエト百科事典. 1969-1978 .
他の辞書で「電気ロケットエンジン」が何であるかを見てください。
宇宙船に搭載された発電所の電気エネルギーをエネルギー源として利用して推力を生み出すロケット エンジン。 宇宙船の軌道や向きを修正するために使用されます…… 大百科事典
- (EP) ロケット エンジン。その動作原理は、電気エネルギーを粒子の指向性運動エネルギーに変換することに基づいています。 リアクティブや推進という言葉を含む名前もあります。 ... ... ウィキペディアからなる複合体
宇宙船に搭載された発電所からの電気エネルギーを利用して推力を生成するロケット エンジン。 宇宙船の軌道や向きを修正するために使用されます。 電動ロケット…… 百科事典
電気ロケットエンジン- エレクトリニス ラケティニス バリクリス ステータス、T sritis Gynyba apibrėžtis ラケティニス バリクリス、クリアメ リアクティヴィニ トラウカ スダロマ ナウドジャント ラケトス エネルギー サルティニオ エネルギジャン。 Pagal veikimo principą Skiriamas elektroterminis, elektrostatinis ir… … Artilerijos terminų žodynas
- (EP) ロケット エンジン。電気の助けを借りて作動流体が非常に高速 (化学ロケット エンジンでは達成不可能) まで加速されます。 エネルギー。 ERDはハイビートが特徴です。 衝動と大きな関係。 電力質量…… 大百科事典ポリテクニック辞典
電磁ロケットエンジン、プラズマロケットエンジン、電気推進 プラズマ化した作動流体の電磁場の加速により推力を発生させる推進電気ロケットエンジン。 電気推進の動作原理は、主に 2 つの要素で構成されます。 ... ... ウィキペディア
ロシアの静電 (定常プラズマ) エンジン 電気ロケット エンジンは静電電気ロケット エンジンであり、作動流体の粒子の加速が静電場で行われます。 エル... ウィキペディア
数マイクロ秒から数ミリ秒続く短期パルスのモードで動作する電気推進エンジン。 スラスターの作動頻度とパルスの持続時間を変更することにより、総推力パルスの必要な値を取得することが可能です。 リモコン付き... ... ウィキペディア
このタイプの電気ロケット エンジンは、最初に電気エネルギーを使用して作動流体 (ガス) を加熱するという事実によって特徴付けられます。 ジェットの熱エネルギーは、ノズル内でジェットの運動エネルギーに変換されます。 通常、これは... ... ウィキペディア
- (RD) 移動する乗り物 (航空機、地上、水中) で予備として利用可能な物質とエネルギー源のみを動作に使用するジェット エンジン。 したがって、エアジェットエンジンとは異なります（参照... ... ソビエト大百科事典
電動ロケットモーター
電気ロケット エンジンは、宇宙船に搭載された発電所から受け取った電気エネルギーを利用して推力を生み出すことを動作原理とするロケット エンジンです。 主な応用分野は、宇宙船の空間方向だけでなく、小規模な軌道修正です。 電動ロケットエンジン、作動流体供給・貯蔵システム、自動制御システム、電源システムから構成される複合体を電動ロケット推進システムと呼びます。
ロケット エンジンで電気エネルギーを使用して推力を生み出す可能性についての言及は、K. E. ツィオルコフスキーの著作にあります。 1916年から1917年にかけて 最初の実験は R. ゴダードによって行われ、すでに 30 年代に行われていました。 XX世紀 副大統領グルシュコの指導の下、最初の電気ロケット エンジンの 1 つが作成されました。
他のロケットエンジンと比較して、電気エンジンは宇宙船の寿命を延ばすことができると同時に、推進システムの重量が大幅に軽減されるため、ペイロードを増加させ、最も完全な重量と重量を得ることができます。サイズの特徴。 電気ロケットエンジンを使えば、遠くの惑星への飛行時間を短縮したり、あらゆる惑星への飛行を可能にしたりできます。
60年代半ば。 XX世紀 電気ロケットエンジンは、ソ連と米国ですでに 1970 年代に積極的にテストされていました。 それらは標準的な推進システムとして使用されました。
ロシアでは、分類は粒子の加速メカニズムに基づいています。 次のタイプのエンジンを区別できます: 電熱 (電気加熱、電気アーク)、静電 (アノード層で加速するコロイドを含むイオン、定置プラズマ エンジン)、高電流 (電磁、磁気力学)、およびパルス エンジン。
あらゆる液体と気体、およびそれらの混合物を作動流体として使用できます。 最良の結果を得るには、電動モーターのタイプごとに適切な作動流体を使用する必要があります。 アンモニアは伝統的に電熱モーターに使用され、キセノンは静電モーターに使用され、リチウムは高電流モーターに使用され、フッ素樹脂はパルスモーターに最も効果的な作動流体です。
損失の主な原因の 1 つは、加速質量単位あたりのイオン化に費やされるエネルギーです。 電気ロケット エンジンの利点は、作動流体の質量流量が低いことと、加速された粒子の流れが高速であることです。 流出速度の上限は理論的には光速以内である。
現在、さまざまなタイプのエンジンの排気速度は 16 ～ 60 km/s の範囲ですが、有望なモデルでは最大 200 km/s の粒子流の排気速度が得られる予定です。
欠点は推力密度が非常に低いことですが、外部圧力が加速チャンネル内の圧力を超えてはいけないことにも注意してください。 宇宙船で使用される最新の電気ロケット エンジンの電力は 800 ～ 2000 W ですが、理論上の電力はメガワットに達することがあります。 電気ロケット エンジンの効率は低く、30 ～ 60% とばらつきがあります。
今後 10 年で、このタイプのエンジンは主に、静止軌道と低地球軌道の両方にある宇宙船の軌道を修正したり、基準低軌道から静止軌道などのより高い軌道に宇宙船を送り届けたりするタスクを実行することになります。 。
軌道修正装置として機能する液体ロケットエンジンを電気式ロケットエンジンに置き換えると、一般的な衛星の質量は 15% 削減され、軌道上でのアクティブな滞在期間が延長されれば 40% 削減されます。
電気ロケットエンジンの開発で最も有望な分野の一つは、出力と比推力を数百メガワットに高める方向での改良であり、また、電気ロケットエンジンのような安価な物質を使用してエンジンの安定かつ信頼性の高い動作を達成することも必要である。アルゴン、リチウム、窒素など。
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