Motor de rachetă electromagnetică cu propriul câmp magnetic. Motor rachetă electric. Calculul puterii reactive

MOTOR ELECTRIC DE RACHETE, motor rachetă electric(ERD) - motor rachetă, în care energia electrică a centralei electrice de la bordul navei spațiale (de obicei baterii solare sau baterii) este folosită ca sursă de energie pentru a crea forță. Conform principiului de funcționare, motoarele electrice de propulsie sunt împărțite în motoare rachete electrotermale, motoare rachete electrostaticeȘi motoare rachete electromagnetice. În RD-urile electrotermale, energia electrică este utilizată pentru a încălzi fluidul de lucru (WM) pentru a-l transforma într-un gaz cu o temperatură de 1000-5000 K; gazul care curge din duza cu jet (similar cu duza unui motor de rachetă chimic) creează tracțiune. În motoarele cu reacție electrostatice, de exemplu, jeturile ionice, RT este mai întâi ionizat, după care ionii pozitivi sunt accelerați într-un câmp electrostatic (folosind un sistem de electrozi) și, curgând din duză, creează forță (pentru a neutraliza sarcina de curentul cu jet, electronii sunt injectați în el). Într-un RD electromagnetic (plasmă), fluidul de lucru este plasma oricărei substanțe, accelerată datorită forței Ampere în câmpuri electrice și magnetice încrucișate. Pe baza principalelor tipuri (clase) indicate de motoare cu propulsie electrică, este posibil să se creeze diverse opțiuni intermediare și combinate care îndeplinesc cel mai bine condițiile specifice de aplicare. În plus, unele motoare de propulsie electrică pot „tranziția” de la o clasă la alta atunci când se schimbă modul de alimentare.

Motorul de propulsie electrică are un impuls specific excepțional de mare - până la 100 km/s sau mai mult. Cu toate acestea, consumul mare de energie necesar (1-100 kW/N de tracțiune) și raportul mic de tracțiune la aria secțiunii transversale a curentului cu jet (nu mai mult de 100 kN/m 2) limitează tracțiunea practică maximă. a unui motor de propulsie electric la câteva zeci de newtoni. Motoarele electrice de propulsie se caracterizează prin dimensiuni de ~0,1 m și o masă de ordinul câtorva kilograme.

Fluidele de lucru ale motoarelor electrice de propulsie sunt determinate de esența proceselor care au loc în diverse tipuri de aceste motoare și sunt foarte diverse: acestea sunt gaze și lichide cu greutate moleculară mică sau ușor disociabilă (în propulsoarele electrotermale); metale alcaline sau grele, ușor de evaporat, precum și lichide organice (în RD electrostatic); diverse gaze și solide (în RD electromagnetic). De obicei, rezervorul cu RT este combinat structural cu motorul de propulsie electric într-o singură unitate de propulsie (modul). Separarea sursei de energie și RT contribuie la controlul foarte precis al forței motorului de propulsie electrică pe o gamă largă, menținând în același timp o valoare ridicată a impulsului specific. Multe motoare de propulsie electrice sunt capabile să funcționeze timp de sute și mii de ore atunci când sunt pornite în mod repetat. Unele motoare de propulsie electrice, care sunt motoare de propulsie cu impulsuri prin principiul lor, permit zeci de milioane de incluziuni. Eficiența și perfecțiunea procesului de lucru al propulsiei electrice sunt caracterizate de valorile coeficientului de eficiență și preturile de tractiune, dimensiuni propulsie electrica - valoare densitatea de împingere.

Valori caracteristice ale unor parametri de propulsie electrică

Opțiuni	Tip propulsie electrică
	electro-termic	electromagnetic	electrostatic
Thrust, N	0,1 — 1	0,0001 — 1	0,001 — 0,1
Impulsul specific, km/s	1 — 20	20 — 60	30 — 100
Densitatea de tracțiune (maxim), kN/m 2	100	1	0,03 — 0,05
Tensiune de alimentare, V	unități - zeci	zeci - sute	zeci de mii
Puterea curentului de alimentare, A	sute - mii	sute - mii	fracții dintr-o unitate
Prețul de tracțiune, kW/N	1 — 10	100	10 — 40
Eficienţă	0,6 — 0,8	0,3 — 0,5	0,4 — 0,8
Putere electrica, W	zeci - mii	unități - mii	zeci - sute

O caracteristică importantă a motorului de propulsie electrică o reprezintă parametrii de alimentare. Datorită faptului că majoritatea centralelor electrice de bord existente și viitoare se caracterizează prin generarea de curent continuu de tensiune relativ scăzută (unități - zeci de volți) și putere mare (până la sute și mii de amperi), cel mai simplu mod de a rezolva problema alimentării cu energie electrică este în RD-uri electrotermale, care sunt predominant de joasă tensiune și curent ridicat. Aceste RD pot fi alimentate și de la o sursă de curent alternativ. Cele mai mari dificultăți cu alimentarea cu energie apar atunci când se utilizează RD-uri electrostatice, a căror funcționare necesită un curent continuu de înaltă tensiune (până la 30-50 kV), deși de putere scăzută. În acest caz, este necesar să se furnizeze dispozitive de conversie care să mărească semnificativ masa telecomenzii. Prezența în sistemul de propulsie a elementelor de lucru asociate cu alimentarea cu energie electrică de propulsie și valoarea scăzută a forței de propulsie electrică determină raportul tracțiune-greutate extrem de scăzut al navei spațiale cu aceste motoare. Prin urmare, este logic să folosiți motoare de propulsie electrice numai în nave spațiale după atingerea primei viteze de evacuare folosind un propulsor chimic sau nuclear (în plus, unele motoare de propulsie electrice pot funcționa în general doar în vidul spațiului).

Ideea utilizării energiei electrice pentru a produce tracțiunea jetului a fost discutată de K. E. Tsiolkovsky și alți pionieri ai astronauticii. În 1916-17, R. Goddard a confirmat realitatea acestei idei prin experimente. În 1929-33, V. P. Glushko a creat un RD electrotermic experimental. Apoi, din cauza lipsei de mijloace de livrare a motoarelor electrice de propulsie în spațiu și a dificultății de a crea surse de alimentare cu parametri acceptabili, dezvoltarea motoarelor electrice de propulsie a fost oprită. Au reluat la sfârșitul anilor 50 și începutul anilor 60. și au fost stimulate de succesele astronauticii și ale fizicii plasmei de înaltă temperatură (dezvoltate în legătură cu problema fuziunii termonucleare controlate). Până la începutul anilor 80. În URSS și SUA, aproximativ 50 de modele diferite de sisteme de propulsie electrică au fost testate ca parte a navelor spațiale și a sondelor atmosferice de mare altitudine. În 1964, propulsoarele electromagnetice (URSS) și electrostatice (SUA) au fost testate pentru prima dată în zbor; în 1965, propulsoarele electrotermale (SUA) au fost testate. Motoarele electrice de propulsie au fost folosite pentru a controla poziția și corectarea orbitelor navelor spațiale, pentru a transfera navele spațiale pe alte orbite (pentru mai multe detalii, vezi articolul despre diverse tipuri de motoare electrice de propulsie). Progrese semnificative în crearea motoarelor electrice de propulsie au fost realizate în Marea Britanie, Germania, Franța, Japonia și Italia. Studiile de proiectare au arătat fezabilitatea utilizării motoarelor electrice de propulsie în sistemele de control al avioanelor spațiale proiectate pentru funcționare pe termen lung (câțiva ani), precum și a motoarelor de propulsie pentru nave spațiale care efectuează tranziții orbitale complexe în apropierea Pământului și zboruri interplanetare. Utilizarea motoarelor electrice de propulsie în loc de propulsoare chimice în aceste scopuri va crește masa relativă a sarcinii utile a navei spațiale și, în unele cazuri, va reduce timpul de zbor sau va economisi bani.

Datorită accelerației reduse transmise navei spațiale de motoarele electrice, sistemele de propulsie cu propulsie electrică trebuie să funcționeze continuu timp de câteva luni (de exemplu, când o navă spațială se transferă de pe o orbită joasă pe una geosincronă) sau câțiva ani (în timpul zborurilor interplanetare). ). În SUA, de exemplu, a fost studiat un sistem de propulsie cu mai multe motoare de propulsie electrică ionică cu o tracțiune de 135 mN și un impuls specific de ~ 30 km/s, alimentat de o centrală solară. În funcție de numărul de propulsie electrică și de rezerva de RT (mercur), sistemul de propulsie ar putea asigura zborul unei nave spațiale către comete și asteroizi, lansarea unei nave spațiale pe orbitele lui Mercur, Venus, Saturn, Jupiter, trimiterea a unei nave spațiale capabile să livreze pământul marțian pe Pământ, trimiterea de sonde de cercetare în atmosfera exterioară a planetelor și a sateliților acestora, lansarea navelor spațiale în orbite circumsolare în afara planului ecliptic etc. În special, un sistem de propulsie în versiunea cu propulsie electrică 6 motoare și o rezervă RT de 530 kg ar putea asigura un zbor pe lângă cometa Encke-Backlund a unei sarcini utile cântărind 410 kg (inclusiv 60 kg de echipament științific).

De asemenea, sunt studiate PS-urile cu motoare de propulsie electrică alimentate de centrale nucleare. Utilizarea acestor instalații, ai căror parametri nu depind de condițiile externe, pare adecvată atunci când puterea electrică a navei spațiale este de peste 100 kW. Sistemele de propulsie indicate pot asigura manevre ale navelor de transport în apropierea Pământului, precum și zboruri între Pământ și Lună, trimițând nave spațiale pentru un studiu detaliat al planetelor exterioare, zboruri cu nave spațiale interplanetare cu echipaj, etc. Conform studiilor preliminare, un nave spațiale cu o masă inițială de 20-30 de tone, echipate cu un reactor, o centrală electrică cu o putere de câteva sute de kW și un număr mic de motoare de propulsie electrică electromagnetică în impulsuri, cu o tracțiune de câteva zeci de N, ar putea studia în detaliu Jupiter sistem în termen de 8-9 ani, livrând mostre de sol ale sateliților săi pe Pământ. Obținerea unor caracteristici ridicate de proiectare ale sistemului de propulsie pentru o astfel de navă spațială necesită totuși rezolvarea multor probleme.

Dezvoltarea motoarelor de propulsie electrică contribuie la soluționarea problemelor teoretice și la crearea unor materiale, tehnologie, procese, elemente și dispozitive speciale care au o importanță deosebită pentru dezvoltarea proceselor tehnologice industriale, inginerie electrică, electronică, tehnologie laser, fizică termonucleară. , dinamica gazelor, precum și cercetarea spațială, chimică și medicală.

Această clasă largă de motoare combină diferite tipuri de motoare care sunt în prezent dezvoltate foarte intens. Fluidul de lucru este accelerat la o anumită viteză de evacuare folosind energie electrică. Energia este obținută dintr-o centrală nucleară sau solară situată la bordul navei spațiale (în principiu, chiar și dintr-o baterie chimică). Sunt posibile numeroase tipuri de sisteme de propulsie la bord.

Design-urile motoarelor electrice în curs de dezvoltare sunt extrem de diverse. Ne vom uita la trei grupuri principale de motoare electrice, care diferă în modul în care fluidul de lucru este ejectat din rachetă. (Cu toate acestea, sunt posibile și alte moduri de clasificare a motoarelor electrice

Motoare electrotermale. Aceste motoare, ca toate cele pe care le-am considerat până acum, sunt motoare termice. Fluidul de lucru (hidrogenul) încălzit la o temperatură ridicată se transformă în plasmă - un amestec neutru din punct de vedere electric

ioni și electroni pozitivi. Metodele de încălzire electrică pot fi diferite: încălzirea în arc electric (Fig. 10), folosind elemente de încălzire din wolfram, printr-o descărcare electrică și altele

Orez. 10. Schema motorului cu arc electric

În timpul testelor de laborator ale motoarelor cu arc electric s-a atins o viteză de evacuare de ordinul mărimii.Dacă este posibilă izolarea magnetică a plasmei de pereții camerei de împingere, temperatura plasmei poate fi foarte mare și viteza de evacuare este adusă la Accelerațiile reactive la motoarele electrotermale vor fi de ordinul .

Primul motor electrotermic din lume a fost dezvoltat în 1929-1933. în Uniunea Sovietică sub conducerea lui V.P.Glushko în celebrul Laborator de dinamică a gazelor.

Motoare electrostatice (ionice). În aceste motoare, pentru prima dată ne confruntăm cu accelerarea „rece” a fluidului de lucru. Particulele fluidului de lucru (perechile de metale ușor ionizate, cum ar fi rubidiu sau cesiu) își pierd electronii în ionizator și sunt accelerate la viteză mare într-un câmp electric. Pentru ca sarcina electrică a jetului de particule încărcate din spatele aparatului să nu interfereze cu scurgerea ulterioară, acest jet este neutralizat în afara acestuia prin ejecția de electroni prelevați din atomi (Fig. 11).

Orez. 11. Schema schematică a motorului

Nu există restricții de temperatură într-un motor cu ioni. Prin urmare, în principiu, este posibil să se realizeze viteze de evacuare arbitrar mari, până la cele care se apropie de viteza luminii. Cu toate acestea, vitezele de evacuare prea mari trebuie excluse din considerare, deoarece ar necesita o putere enormă de la centrala electrică de la bordul navei.

Orez. 12. Schema formării plasmoizilor în mișcare într-un motor cu plasmă „puls” 11.18].

În acest caz, masa sistemului de propulsie ar crește mult mai mult decât împingerea și, ca urmare, accelerația reactivă ar fi mult redusă. Scopul zborului spațial, durata acestuia și calitatea centralei determină cea mai bună, optimă viteză de evacuare pentru o anumită sarcină. Este, după unii autori, în limite, iar după alţii, , . Motoarele ionice vor fi capabile să furnizeze o accelerație de ordinul a .

Unii experți își pun mari speranțe într-un tip special de motor electrostatic - motor coloidal. Aceste motoare accelerează molecule mari încărcate și chiar grupuri de molecule sau particule de praf cu un diametru de aproximativ 1 micron.

Orez. 13. Diagrama unui motor magnetohidrodinamic cu câmpuri încrucișate.

Motoare magnetohidrodinamice (electrodinamice, electromagnetice, magnet-plasmă, „plasmă”). Acest grup de motoare combină o mare varietate de scheme în care plasma este accelerată până la o anumită viteză de ieșire prin modificarea câmpului magnetic sau prin interacțiunea câmpurilor electrice și magnetice. Metodele specifice pentru accelerarea plasmei, precum și obținerea acesteia, sunt foarte diferite. Într-un motor cu plasmă (Fig. 12), un cheag de plasmă („plasmoid”) este accelerat de presiunea magnetică. În „motor cu câmpuri electrice și magnetice încrucișate” (Fig. 13) prin plasmă,

plasată într-un câmp magnetic, trece un curent electric (plasma este un bun conductor) și ca urmare, plasma capătă viteză (ca un cadru de sârmă cu curent plasat într-un câmp magnetic). Viteza optimă de evacuare pentru motoarele magnetohidrodinamice este probabil de ordinul accelerației jetului

În testele de laborator ale motoarelor magnetohidrodinamice, viteze de evacuare de până la .

Trebuie remarcat faptul că în multe cazuri este dificil să clasificați un motor într-o clasă sau alta.

Motoare electrice cu admisie a fluidului de lucru din atmosfera superioară. O aeronavă care se deplasează în atmosfera superioară poate folosi mediul extern rarefiat ca fluid de lucru pentru un motor electric. Un astfel de motor electric este similar cu un motor care respiră aer din clasa motoarelor chimice. Gazul care intră prin admisia de aer poate fi folosit ca fluid de lucru fie direct, fie după acumulare (și eventual lichefiere) în rezervoare. De asemenea, este posibil ca fluidul de lucru să fie acumulat în rezervoarele unei aeronave și apoi pompat în rezervoarele altei aeronave.

Un avantaj important al tuturor tipurilor de motoare electrice este ușurința de reglare a tracțiunii. O dificultate serioasă este necesitatea de a scăpa de excesul de căldură generat de un reactor nuclear. Acest exces nu este purtat de fluidul de lucru și nu este dat mediului, care este practic absent în spațiul mondial. Puteți scăpa de el doar cu ajutorul caloriferelor cu suprafață mare.

În 1964, Statele Unite au efectuat primul test cu succes de 31 de minute al unui motor ionic montat pe un container lansat pe o traiectorie balistică. În condiții spațiale reale, motoarele cu ioni și cu plasmă au fost testate pentru prima dată pe nava sovietică Voskhod-1 și pe stația sovietică Zond-2, lansată în 1964 („Zond-2” - spre Marte); Alături de cele convenționale au fost folosite în sistemele de orientare. În aprilie 1965, un motor cu ioni de cesiu lichid a fost testat împreună cu reactorul nuclear Snap-10A de pe satelitul Pământului american, dezvoltând tracțiune (în locul motoarelor cu ioni de cesiu cu forță reglabilă calculată și motoare electrotermale care utilizează amoniac lichid ca fluid de lucru și tracțiune în curs de dezvoltare. au fost testate anterior cu succes variabil pe o serie de sateliți lansati în Statele Unite din 1966.

Care este primul lucru care vă vine în minte când auziți expresia „motoare de rachetă”? Desigur, spațiul misterios, zborurile interplanetare, descoperirea de noi galaxii și strălucirea ademenitoare a stelelor îndepărtate. În orice moment, cerul a atras oameni către sine, rămânând în același timp un mister nerezolvat, dar crearea primei rachete spațiale și lansarea ei au deschis noi orizonturi de cercetare pentru umanitate.

Motoarele rachete sunt, în esență, motoare cu reacție obișnuite, cu o caracteristică importantă: ele nu folosesc oxigenul atmosferic ca oxidant de combustibil pentru a crea tracțiunea jetului. Tot ceea ce este necesar pentru funcționarea sa se află fie direct în corpul său, fie în sistemele de oxidare și alimentare cu combustibil. Această caracteristică face posibilă utilizarea motoarelor rachete în spațiul cosmic.

Există o mulțime de tipuri de motoare de rachetă și toate diferă izbitor unele de altele nu numai prin caracteristicile de design, ci și prin principiile de funcționare. De aceea fiecare tip trebuie luat în considerare separat.

Printre principalele caracteristici de funcționare ale motoarelor de rachetă, se acordă o atenție deosebită impulsului specific - raportul dintre cantitatea de tracțiune a jetului și masa fluidului de lucru consumat pe unitatea de timp. Valoarea impulsului specific reprezintă eficiența și economia motorului.

Motoare de rachete chimice (CRE)

Acest tip de motor este în prezent singurul care este utilizat pe scară largă pentru lansarea navelor spațiale în spațiul cosmic; în plus, și-a găsit aplicație în industria militară. Motoarele chimice sunt împărțite în combustibili solizi și lichizi, în funcție de starea fizică a combustibilului rachetei.

Istoria creației

Primele motoare de rachetă erau combustibil solid și au apărut cu câteva secole în urmă în China. Pe vremea aceea, nu aveau nimic de-a face cu spațiul, dar cu ajutorul lor s-a putut lansa rachete militare. Combustibilul folosit a fost o pulbere asemănătoare ca compoziție cu praful de pușcă, a fost modificat doar procentul componentelor sale. Drept urmare, în timpul oxidării, pulberea nu a explodat, ci s-a ars treptat, eliberând căldură și creând propulsie de jet. Astfel de motoare au fost rafinate, rafinate și îmbunătățite cu succes diferite, dar impulsul lor specific a rămas încă mic, adică designul a fost ineficient și neeconomic. Curând, au apărut noi tipuri de combustibil solid, permițând un impuls specific mai mare și o forță mai mare. Oamenii de știință din URSS, SUA și Europa au lucrat la crearea lui în prima jumătate a secolului XX. Deja în a doua jumătate a anilor 40 a fost dezvoltat un prototip de combustibil modern, care este folosit și astăzi.

Motorul rachetă RD-170 funcționează cu combustibil lichid și un oxidant.

Motoarele cu rachete lichide sunt invenția lui K.E. Ciolkovski, care le-a propus ca unitate de putere pentru o rachetă spațială în 1903. În anii 20, lucrările la crearea motoarelor de rachete lichide au început să fie efectuate în SUA, iar în anii 30 - în URSS. Deja la începutul celui de-al Doilea Război Mondial, au fost create primele mostre experimentale, iar după încheierea acestuia, motoarele de rachete cu propulsie lichidă au început să fie produse în serie. Au fost folosite în industria militară pentru a echipa rachete balistice. În 1957, pentru prima dată în istoria omenirii, a fost lansat un satelit artificial sovietic. Pentru a-l lansa a fost folosită o rachetă echipată cu Căile Ferate Ruse.

Proiectarea și principiul de funcționare a motoarelor de rachete chimice

Un motor cu combustibil solid conține combustibil și un oxidant în stare de agregat solid în carcasa sa, iar recipientul cu combustibil este, de asemenea, o cameră de ardere. Combustibilul are de obicei forma unei tije cu un orificiu central. În timpul procesului de oxidare, tija începe să ardă de la centru spre periferie, iar gazele rezultate din ardere ies prin duză, formând tiraj. Acesta este cel mai simplu design dintre toate motoarele de rachetă.

În motoarele cu rachete lichide, combustibilul și oxidantul sunt în stare de agregat lichid în două rezervoare separate. Prin canalele de alimentare intră în camera de ardere, unde se amestecă și are loc procesul de ardere. Produsele de ardere ies prin duză, formând tiraj. Oxigenul lichid este de obicei folosit ca oxidant, iar combustibilul poate fi diferit: kerosen, hidrogen lichid etc.

Avantajele și dezavantajele RD-urilor chimice, domeniul lor de aplicare

Avantajele motoarelor cu rachetă cu combustibil solid sunt:

• simplitatea designului;
• siguranța comparativă din punct de vedere al ecologiei;
• preț scăzut;
• fiabilitate.

Dezavantajele motoarelor rachete cu combustibil solid:

• limitarea timpului de funcționare: combustibilul arde foarte repede;
• imposibilitatea repornirii motorului, oprirea acestuia și reglarea tracțiunii;
• greutate specifică scăzută în intervalul 2000-3000 m/s.

Analizând avantajele și dezavantajele motoarelor rachete cu combustibil solid, putem concluziona că utilizarea lor este justificată doar în cazurile în care este nevoie de o unitate de putere de putere medie, destul de ieftină și ușor de implementat. Scopul utilizării lor este rachetele balistice, meteorologice, MANPADS, precum și amplificatoarele laterale ale rachetelor spațiale (rachetele americane sunt echipate cu acestea; nu au fost utilizate în rachetele sovietice și rusești).

Avantajele RD lichide:

• impuls specific ridicat (aproximativ 4500 m/s și mai sus);
• capacitatea de a regla tracțiunea, oprirea și repornirea motorului;
• greutate mai ușoară și compactitate, ceea ce face posibilă lansarea chiar și a încărcăturilor mari de mai multe tone pe orbită.

Dezavantajele motoarelor rachete:

• proiectare complexă și punere în funcțiune;
• În condiții de imponderabilitate, lichidele din rezervoare se pot deplasa haotic. Pentru depunerea lor este necesar să se utilizeze surse suplimentare de energie.

Domeniul de aplicare al motoarelor cu propulsie lichidă este în principal în astronautică, deoarece aceste motoare sunt prea scumpe pentru scopuri militare.

În ciuda faptului că până acum motoarele de rachete chimice sunt singurele capabile să lanseze rachete în spațiul cosmic, îmbunătățirea lor ulterioară este practic imposibilă. Oamenii de știință și proiectanții sunt convinși că limita capacităților lor a fost deja atinsă, iar pentru a obține unități mai puternice, cu un impuls specific ridicat, sunt necesare alte surse de energie.

Motoare de rachete nucleare (NRE)

Acest tip de motor rachetă, spre deosebire de cele chimice, produce energie nu prin arderea combustibilului, ci ca urmare a încălzirii fluidului de lucru prin energia reacțiilor nucleare. Motoarele de rachete nucleare sunt izotopice, termonucleare și nucleare.

Istoria creației

Proiectarea și principiul de funcționare al motorului de propulsie nucleară au fost dezvoltate încă din anii 50. Deja în anii 70, probele experimentale erau gata în URSS și SUA, care au fost testate cu succes. Motorul sovietic RD-0410 în fază solidă cu o forță de 3,6 tone a fost testat pe o bază de banc, iar reactorul american NERVA urma să fie instalat pe racheta Saturn V înainte ca sponsorizarea programului lunar să fie oprită. În același timp, s-au lucrat la crearea motoarelor de propulsie nucleară în fază gazoasă. În prezent, sunt în curs de desfășurare programe științifice pentru dezvoltarea motoarelor de rachete nucleare, iar experimentele sunt efectuate la stațiile spațiale.

Astfel, există deja modele funcționale de motoare de rachete nucleare, dar până acum niciuna dintre ele nu a fost folosită în afara laboratoarelor sau bazelor științifice. Potențialul unor astfel de motoare este destul de mare, dar riscul asociat utilizării lor este și el considerabil, așa că deocamdată există doar în proiecte.

Dispozitiv și principiu de funcționare

Motoarele de rachete nucleare sunt în fază gazoasă, lichidă și solidă, în funcție de starea de agregare a combustibilului nuclear. Combustibilul din motoarele de propulsie nucleară în fază solidă este barele de combustibil, la fel ca în reactoarele nucleare. Sunt amplasate în carcasa motorului și în timpul degradarii materialului fisionabil eliberează energie termică. Fluidul de lucru - hidrogen gazos sau amoniac - în contact cu elementul de combustibil, absoarbe energie și se încălzește, crescând în volum și comprimându-se, după care iese prin duză sub presiune mare.

Principiul de funcționare al unui motor de propulsie nucleară în fază lichidă și designul său sunt similare cu cele în fază solidă, doar combustibilul este în stare lichidă, ceea ce face posibilă creșterea temperaturii și, prin urmare, a forței.

Motoarele de propulsie nucleară în fază gazoasă funcționează cu combustibil în stare gazoasă. De obicei folosesc uraniu. Combustibilul gazos poate fi reținut în carcasă printr-un câmp electric sau amplasat într-un balon transparent etanș - o lampă nucleară. În primul caz, există un contact al fluidului de lucru cu combustibilul, precum și o scurgere parțială a acestuia din urmă, prin urmare, pe lângă cea mai mare parte a combustibilului, motorul trebuie să aibă o rezervă pentru reaprovizionarea periodică. În cazul unei lămpi nucleare, nu există scurgeri, iar combustibilul este complet izolat de fluxul fluidului de lucru.

Avantajele și dezavantajele motoarelor cu propulsie nucleară

Motoarele de rachete nucleare au un avantaj imens față de cele chimice - acesta este un impuls specific ridicat. Pentru modelele în fază solidă, valoarea acesteia este de 8000-9000 m/s, pentru modelele în fază lichidă – 14.000 m/s, pentru fază gazoasă – 30.000 m/s. În același timp, utilizarea lor implică contaminarea atmosferei cu emisii radioactive. Acum se lucrează pentru a crea un motor nuclear sigur, ecologic și eficient, iar principalul „concurent” pentru acest rol este un motor nuclear în fază gazoasă cu o lampă nucleară, în care substanța radioactivă se află într-un balon etanș și nu vine. stinge cu o flacără cu jet.

Motoare electrice cu rachete (ERM)

Un alt potențial concurent al propulsoarelor chimice este un propulsor electric care funcționează folosind energie electrică. Propulsia electrică poate fi electrotermică, electrostatică, electromagnetică sau pulsată.

Istoria creației

Primul motor de propulsie electrică a fost proiectat în anii '30 de designerul sovietic V.P. Glushko, deși ideea creării unui astfel de motor a apărut la începutul secolului al XX-lea. În anii 60, oamenii de știință din URSS și SUA au lucrat activ la crearea motoarelor electrice de propulsie, iar deja în anii 70 primele mostre au început să fie folosite în nave spațiale ca motoare de control.

Proiectare și principiu de funcționare

Un sistem de propulsie electrică a rachetei constă din motorul de propulsie electric în sine, a cărui structură depinde de tipul său, sistemele de alimentare cu fluid de lucru, controlul și alimentarea cu energie. Un RD electrotermic încălzește fluxul fluidului de lucru datorită căldurii generate de elementul de încălzire sau într-un arc electric. Fluidul de lucru folosit este heliu, amoniac, hidrazină, azot și alte gaze inerte, mai rar hidrogen.

RD electrostatice sunt împărțite în coloidale, ionice și plasmă. În ele, particulele încărcate ale fluidului de lucru sunt accelerate datorită câmpului electric. În RD-urile coloidale sau ionice, ionizarea gazului este asigurată de un ionizator, un câmp electric de înaltă frecvență sau o cameră de descărcare în gaz. În RD-urile cu plasmă, fluidul de lucru - xenonul gaz inert - trece prin anodul inelar și intră într-o cameră de descărcare a gazelor cu un compensator catod. La tensiune înaltă, o scânteie clipește între anod și catod, ionizând gazul, rezultând plasmă. Ionii încărcați pozitiv ies prin duză cu viteză mare, dobândită datorită accelerării câmpului electric, iar electronii sunt îndepărtați spre exterior de către catodul compensator.

Propulsoarele electromagnetice au propriul lor câmp magnetic - extern sau intern, care accelerează particulele încărcate ale fluidului de lucru.

Propulsoarele cu impulsuri funcționează prin evaporarea combustibilului solid sub influența descărcărilor electrice.

Avantajele și dezavantajele motoarelor cu propulsie electrică, domeniul de utilizare

Printre avantajele ERD:

• impuls specific ridicat, a cărui limită superioară este practic nelimitată;
• consum redus de combustibil (fluid de lucru).

Defecte:

• nivel ridicat de consum de energie electrică;
• complexitatea designului;
• tracțiune ușoară.

Astăzi, utilizarea motoarelor electrice de propulsie se limitează la instalarea acestora pe sateliții spațiali, iar bateriile solare sunt folosite ca surse de energie electrică pentru acestea. În același timp, aceste motoare pot deveni centralele electrice care vor face posibilă explorarea spațiului, așa că lucrările pentru crearea de noi modele ale acestora sunt în desfășurare activ în multe țări. Aceste centrale electrice au fost menționate cel mai des scriitorii de science fiction în lucrările lor dedicate cuceririi spațiului și pot fi găsite și în filmele science fiction. Deocamdată, propulsia electrică este speranța că oamenii vor putea în continuare să călătorească spre stele.

Lucrări de curs

Pe această temă:

" Motoare electrice cu ioni de rachete "

Teoria generală a motoarelor electrice cu rachete (ERE)

Principii generale ale propulsiei electrice

Fondatorul astronauticii K.E. Tsiolkovsky a exprimat pentru prima dată ideea în 1911 că, cu ajutorul electricității, este posibil să se imparte o viteză enormă particulelor ejectate dintr-un dispozitiv cu jet. Mai târziu, o clasă de motoare bazată pe acest principiu a ajuns să fie numită motoare electrice cu rachete. Cu toate acestea, nu există încă o definiție general acceptată și complet lipsită de ambiguitate a propulsiei electrice.

În Physical Encyclopedic Dictionary, un motor de propulsie electrică este un motor de rachetă în care fluidul de lucru este gaz ionizat (plasmă), accelerat în primul rând de câmpurile electromagnetice; în enciclopedia „Cosmonautică” - acesta este un motor în care energia electrică generată de centrala electrică de la bordul unei nave spațiale este folosită ca sursă de energie pentru a crea tracțiune; Dicționarul Politehnic oferă o a treia versiune a definiției propulsiei electrice: acesta este un motor cu reacție în care fluidul de lucru este accelerat la viteze mari cu utilizarea energiei electrice.

Cel mai logic este să numim motoarele electrice de rachetă motoare care folosesc energie electrică pentru a accelera fluidul de lucru, iar sursa de energie poate fi localizată atât la bordul navei spațiale (SC), cât și în afara acesteia. În acest din urmă caz, energia este fie furnizată direct sistemului de accelerare de la o sursă externă, fie transferată navei spațiale folosind un fascicul focalizat de radiație electromagnetică.

Această viziune asupra propulsiei electrice a fost împărtășită și de pionierii astronauticii – Yu.V. Kondratyuk, G. Obert, F.A. Zander, V.P. Glushko. În opera lui Yu.V. Kondratyuk 1 a considerat o navă spațială pe care cade un fascicul de lumină concentrat și un motor cu reacție electric bazat pe accelerația electrostatică a particulelor mari încărcate, de exemplu, pulberea de grafit. Aceeași lucrare indică modalități specifice de creștere a eficienței unui accelerator de masă electrodinamic (EDMA) folosind contactul cu plasmă și accelerația în vid. În 1929, G. Oberth 2 a descris motorul ionic. În 1929–1931 Pentru prima dată, a fost creat și testat în laborator un motor de propulsie electrică electrotermală în impulsuri, al cărui autor a fost fondatorul construcției de motoare rachete V.P. Glushko. El a propus, de asemenea, termenul „motor de rachetă electric”.

Cu toate acestea, lucrările privind propulsia electrică nu au fost dezvoltate în continuare la acel moment din cauza lipsei de lumină și a surselor eficiente de energie. Aceste lucrări au fost reluate în URSS și în străinătate după lansarea în țara noastră în 1957 a primului satelit artificial Pământului și primul zbor în spațiu în 1961 a unei persoane - cetățeanul URSS Yu.A. Gagarin. În acești ani, la inițiativa S.P. Korolev și I.V. Kurchatov a adoptat un program cuprinzător de cercetare și dezvoltare a motoarelor electrice de propulsie de diferite tipuri. Totodată, au fost demarate lucrări pentru crearea unor surse eficiente de energie pentru nave spațiale (baterii solare, baterii chimice, pile de combustie, reactoare nucleare, surse de radioizotopi). Principala direcție de cercetare formulată în acest program a fost dezvoltarea fundamentelor științifice și crearea unor modele extrem de eficiente de sisteme de propulsie electrică menite să rezolve problemele dezvoltării industriale a spațiului apropiat de Pământ și să susțină cercetarea științifică a sistemului solar.

Următoarele idei științifice și tehnice au fost cele mai importante pentru formarea teoriei moderne a propulsiei electrice.

Principiul accelerației electrodinamice, propus în 1957 de L.A. Artsimovici și colaboratorii săi, a fost folosit ca bază pentru acceleratoare de diferite clase - motoare de propulsie electrică cu impulsuri care utilizează substanțe de lucru gazoase și solide, motoare de propulsie electrice staționare cu curent ridicat.

Principiul accelerației disipative a ionilor într-o plasmă magnetizată printr-un câmp electric autoconsistent. Acest mecanism este implementat în motoarele cu plasmă cu deriva azimutală a electronilor, în propulsoarele Hall terminale și, într-o anumită măsură, în motoarele cu impulsuri cu accelerație electromagnetică a plasmei. În forma sa cea mai consistentă, această metodă de accelerare este implementată într-un motor cu strat anodic (ALE), o variantă optimă a motoarelor cu deriva azimutală a electronilor. În forma sa originală, ideea DAS a fost formulată de A.V. Zharinov la sfârșitul anilor 50; Mai târziu, pe baza acestei idei, completată de o serie de invenții, au fost dezvoltate motoare cu derive azimutală în două și o treaptă foarte eficiente.

În SUA, G. Kaufman a propus principiul unui motor cu ioni de plasmă (PID), în care ionii sunt, de asemenea, accelerați de un câmp electric longitudinal, dar, spre deosebire de DAS, ei sunt preextrași dintr-o descărcare de plasmă cu electroni care oscilează în un câmp magnetic longitudinal. Un motor cu ioni de plasmă are o eficiență și o durată de viață ridicate, dar este inferior DAS în ceea ce privește versatilitatea și gama de control al caracteristicilor de performanță.

În legătură cu studiile de proiectare a centralelor solare spațiale efectuate în ultimii ani, a reînviat interesul pentru schemele de propulsie electrică cu alimentare cu energie dintr-o sursă externă. Dezvoltarea ideilor lui K.E. Ciolkovski și Yu.V. Kondratyuk, G.I. Babat 1 în 1943 a propus utilizarea energiei transmise unei aeronave sub forma unui fascicul bine focalizat de radiații cu microunde de la sol sau o navă spațială. În 1971, A. Kantrowitz a considerat radiația laser în aceleași scopuri.

În 1975, J. O. Neill a propus utilizarea unui accelerator de masă electrodinamic (EDMA) pentru a transporta în spațiu de pe suprafața Lunii materiale destinate construcției centralelor solare spațiale, evident, aceste proiecte au ca scop rezolvarea problemelor pe termen lung, construirea obiectelor orbitale ale infrastructurii de producere a energiei din apropierea Pământului.

Caracteristicile sistemelor de propulsie cu tracțiune joasă

Separarea sursei de energie și a substanței de lucru în motorul de propulsie electrică face posibilă depășirea limitării inerente motoarelor chimice - viteza relativ scăzută de evacuare. Dar, pe de altă parte, dacă se folosește o sursă de energie la bord, apare inevitabil o altă limitare - forța relativ scăzută. Prin urmare, dacă nu luăm în considerare cazuri speciale deocamdată, de exemplu, motoarele ușoare, motoarele de propulsie electrică ar trebui clasificate ca motoare cu tracțiune joasă care sunt capabile să ofere doar o ușoară accelerație și, prin urmare, sunt potrivite pentru efectuarea diferitelor operațiuni de transport direct în exterior. spaţiu. Motoarele electrice de propulsie, de regulă, sunt motoare de rachete spațiale cu tracțiune joasă.

Dacă, de exemplu, motorul dezvoltă o tracțiune de 10 N; masa navei spațiale este de 10 tone, atunci accelerația pe care o creează va fi de 10" 3 m/s 2, adică. aproximativ 10" 4 g 0 ( merge – accelerația căderii libere pe suprafața Pământului). Desigur, un astfel de motor nu este potrivit pentru lansarea navelor spațiale de pe Pământ pe orbitele sateliților artificiali.

Această situație se poate schimba atunci când sunt create motoare laser eficiente sau acceleratoare de masă electrodinamice, a căror caracteristică distinctivă este că sursa de energie nu este neapărat situată la bordul navei spațiale. În acest caz, ar trebui să vorbim despre un motor de propulsie electrică, care oferă o viteză mare de evacuare și o accelerație mare în același timp.

Pentru a identifica alte caracteristici specifice ale motoarelor electrice de propulsie ca motoare spațiale, să luăm în considerare problema tranziției între două orbite circulare apropiate de Pământ. Să ne întoarcem la ecuația Țiolkovski

(1.1)

(1.1)

(1.1)

unde u" și v sunt creșterea vitezei navei spațiale și, respectiv, a debitului substanței de lucru; M o – masa inițială a navei spațiale; M k = M o – mt – masa K A pe orbita finală. Aici t– timpul de tranziție între orbite; T - consumul de masă al substanței de lucru. De la (1.1) creșterea vitezei

(1.2)

Modificarea energiei cinetice a unei nave spațiale în timpul zborului are loc cu o viteză

Un complex format dintr-un set de motoare de propulsie electrică, un sistem de stocare și alimentare cu fluid de lucru (SHiP), un sistem de control automat (ACS) și un sistem de alimentare cu energie (SPS) este numit sistem de propulsie electric (EPS).

Introducere

Ideea utilizării energiei electrice în motoarele cu reacție pentru accelerare a apărut aproape la începutul dezvoltării tehnologiei rachetelor. Se știe că o astfel de idee a fost exprimată de K. E. Ciolkovsky. În -1917, R. Goddard a efectuat primele experimente, iar în anii 30 ai secolului XX în URSS, sub conducerea lui V.P.Glushko, a fost creat unul dintre primele motoare de propulsie electrice în funcțiune.

De la bun început, s-a presupus că separarea sursei de energie și a substanței accelerate ar asigura o viteză mare de evacuare a fluidului de lucru (PT), precum și o masă mai mică a navei spațiale (SC) datorită unei scăderi. în masa fluidului de lucru stocat. Într-adevăr, în comparație cu alte motoare de rachetă, motoarele electrice de propulsie fac posibilă creșterea semnificativă a duratei de viață activă (AS) a unei nave spațiale, reducând în același timp semnificativ masa sistemului de propulsie (PS), ceea ce, în consecință, face posibilă creșterea sarcina utilă sau îmbunătățirea caracteristicilor dimensionale de greutate ale navei spațiale în sine.

Calculele arată că utilizarea propulsiei electrice va reduce durata zborurilor către planete îndepărtate (în unele cazuri chiar va face posibile astfel de zboruri) sau, cu aceeași durată de zbor, va crește sarcina utilă.

• motoare de mare curent (electromagnetice, magnetodinamice);
• motoare cu impuls.

ETD-urile, la rândul lor, sunt împărțite în motoare cu încălzire electrică (END) și motoare cu arc electric (EDA).

Motoarele electrostatice sunt împărțite în motoare ionice (inclusiv coloidale) (ID, CD) - acceleratori de particule într-un fascicul unipolar și acceleratori de particule într-o plasmă cvasineutră. Acestea din urmă includ acceleratoare cu deriva de electroni închisă și o zonă de accelerație extinsă (UZDP) sau scurtată (UZDU). Primele se numesc de obicei motoare cu plasmă staționară (SPD), iar numele apare și (din ce în ce mai rar) - motor liniar Hall (LHD), în literatura occidentală este numit motor Hall. Motoarele cu ultrasunete sunt de obicei numite motoare accelerate cu anod (LAM).

Motoarele cu curent ridicat (magnetoplasmă, magnetodinamice) includ motoare cu propriul câmp magnetic și motoare cu un câmp magnetic extern (de exemplu, un motor Hall montat în capăt - THD).

Motoarele cu impulsuri folosesc energia cinetică a gazelor produse prin evaporarea unui solid într-o descărcare electrică.

Orice lichid și gaz, precum și amestecurile acestora, pot fi utilizate ca fluid de lucru în motoarele de propulsie electrice. Cu toate acestea, pentru fiecare tip de motor există fluide de lucru, a căror utilizare vă permite să obțineți cele mai bune rezultate. Amoniacul este folosit în mod tradițional pentru ETD, xenonul pentru electrostatic, litiu pentru curent înalt și fluoroplastic pentru impulsuri.

Dezavantajul xenonului este costul acestuia, din cauza producției anuale reduse (mai puțin de 10 tone pe an la nivel mondial), care îi obligă pe cercetători să caute alte RT-uri cu caracteristici similare, dar mai puțin costisitoare. Argonul este considerat principalul candidat pentru înlocuire. Este, de asemenea, un gaz inert, dar, spre deosebire de xenon, are o energie de ionizare mai mare cu o masă atomică mai mică. Energia cheltuită pentru ionizare pe unitatea de masă accelerată este una dintre sursele pierderilor de eficiență.

Scurte specificații tehnice

Motoarele electrice de propulsie sunt caracterizate printr-un debit scăzut de masă RT și o viteză mare de ieșire a unui flux accelerat de particule. Limita inferioară a vitezei de evacuare coincide aproximativ cu limita superioară a vitezei de evacuare a unui jet de motor chimic și este de aproximativ 3.000 m/s. Limita superioară este teoretic nelimitată (în limita vitezei luminii), totuși, pentru modelele de motoare promițătoare, se ia în considerare o viteză care nu depășește 200.000 m/s. În prezent, pentru motoarele de diferite tipuri, viteza optimă de evacuare este considerată a fi de la 16.000 la 60.000 m/s.

Datorită faptului că procesul de accelerare într-un motor de propulsie electrică are loc la presiune scăzută în canalul de accelerare (concentrația particulelor nu depășește 10 20 particule/m³), densitatea de tracțiune este destul de scăzută, ceea ce limitează utilizarea motoarelor electrice de propulsie. : presiunea externă nu trebuie să depășească presiunea din canalul de accelerare, iar accelerația navei spațiale este foarte mică (zecimi sau chiar sutimi g ). O excepție de la această regulă poate fi EDD pe nave spațiale mici.

Puterea electrică a motoarelor electrice de propulsie variază de la sute de wați la megawați. Motoarele electrice de propulsie utilizate în prezent pe nave spațiale au o putere de la 800 la 2.000 W.

Perspective

Deși motoarele electrice cu rachete au o tracțiune scăzută în comparație cu rachetele cu combustibil lichid, ele sunt capabile să funcționeze pe perioade lungi de timp și să zboare lent pe distanțe lungi.