Elektromagnetický raketový motor s vlastným magnetickým poľom. Elektrický raketový motor. Výpočet jalového výkonu

ELEKTRICKÝ RAKETOVÝ MOTOR, elektrický raketový motor(ERD) - raketový motor, v ktorej sa elektrická energia palubnej elektrárne kozmickej lode (zvyčajne solárnych alebo batériových batérií) využíva ako zdroj energie na vytvorenie ťahu. Podľa princípu činnosti sú elektrické hnacie motory rozdelené na elektrotermálne raketové motory, elektrostatické raketové motory A elektromagnetické raketové motory. V elektrotermálnych RD sa elektrická energia používa na ohrev pracovnej tekutiny (WM), aby sa premenila na plyn s teplotou 1000-5000 K; plyn vytekajúci z dýzy (podobne ako dýza chemického raketového motora) vytvára ťah. V elektrostatických prúdových motoroch, napríklad iónových prúdoch, sa RT najskôr ionizuje, potom sa kladné ióny urýchľujú v elektrostatickom poli (pomocou sústavy elektród) a vytekajúc z trysky vytvárajú ťah (na neutralizáciu náboja prúdovým prúdom, sú do neho vstrekované elektróny). V elektromagnetickom RD (plazma) je pracovnou tekutinou plazma akejkoľvek látky, zrýchlená v dôsledku ampérovej sily v skrížených elektrických a magnetických poliach. Na základe uvedených hlavných typov (tried) elektrických hnacích motorov je možné vytvoriť rôzne medziľahlé a kombinované možnosti, ktoré najlepšie vyhovujú špecifickým podmienkam použitia. Okrem toho niektoré elektrické hnacie motory môžu pri zmene režimu napájania „prechádzať“ z jednej triedy do druhej.

Elektrický hnací motor má mimoriadne vysoký špecifický impulz – až 100 km/s alebo viac. Avšak veľká potrebná spotreba energie (1-100 kW/N ťahu) a malý pomer ťahu k ploche prierezu prúdového prúdu (nie viac ako 100 kN/m2) limitujú maximálny praktický ťah. elektrického hnacieho motora na niekoľko desiatok newtonov. Elektrické hnacie motory sa vyznačujú rozmermi ~0,1 m a hmotnosťou rádovo niekoľko kilogramov.

Pracovné kvapaliny elektrických hnacích motorov sú určené podstatou procesov vyskytujúcich sa v rôznych typoch týchto motorov a sú veľmi rôznorodé: ide o nízkomolekulárne alebo ľahko disociujúce plyny a kvapaliny (v elektrotermálnych propulzných zariadeniach); alkalické alebo ťažké, ľahko sa odparujúce kovy, ako aj organické kvapaliny (v elektrostatickom RD); rôzne plyny a tuhé látky (v elektromagnetickom RD). Typicky je nádrž s RT konštrukčne kombinovaná s elektrickým hnacím motorom v jednej pohonnej jednotke (module). Oddelenie zdroja energie a RT prispieva k veľmi presnému riadeniu ťahu elektrického hnacieho motora v širokom rozsahu pri zachovaní vysokej hodnoty špecifického impulzu. Mnoho elektrických hnacích motorov je schopných pracovať stovky a tisíce hodín pri opakovanom zapnutí. Niektoré elektrické hnacie motory, ktoré sú svojim princípom impulzné hnacie motory, umožňujú desiatky miliónov inklúzií. Účinnosť a dokonalosť pracovného procesu elektrického pohonu charakterizujú hodnoty koeficientu účinnosti a ceny trakcie, rozmery elektrického pohonu - hodnota hustota ťahu.

Charakteristické hodnoty niektorých parametrov elektrického pohonu

možnosti	Typ elektrického pohonu
	elektrotepelné	elektromagnetické	elektrostatické
Ťah, N	0,1 — 1	0,0001 — 1	0,001 — 0,1
Špecifický impulz, km/s	1 — 20	20 — 60	30 — 100
Hustota ťahu (maximálna), kN/m2	100	1	0,03 — 0,05
Napájacie napätie, V	jednotky - desiatky	desiatky - stovky	desiatky tisíc
Sila napájacieho prúdu, A	stovky - tisíce	stovky - tisíce	zlomky jednotky
Ťahová cena, kW/N	1 — 10	100	10 — 40
Efektívnosť	0,6 — 0,8	0,3 — 0,5	0,4 — 0,8
Elektrický výkon, W	desiatky - tisíce	jednotky - tisíce	desiatky - stovky

Dôležitou charakteristikou elektrického hnacieho motora sú parametre napájania. Vzhľadom na to, že väčšina existujúcich aj budúcich palubných elektrární sa vyznačuje výrobou jednosmerného prúdu relatívne nízkeho napätia (jednotky - desiatky voltov) a vysokého výkonu (až stovky a tisíce ampérov), najjednoduchší spôsob vyriešiť otázku napájania je v elektrotepelných RD, ktoré sú prevažne nízkonapäťové a silnoprúdové. Tieto RD môžu byť napájané aj zo zdroja striedavého prúdu. Najväčšie ťažkosti s napájaním vznikajú pri použití elektrostatických RD, ktorých prevádzka vyžaduje jednosmerný prúd vysokého (až 30-50 kV) napätia, aj keď s nízkou pevnosťou. V tomto prípade je potrebné zabezpečiť konverzné zariadenia, ktoré výrazne zvyšujú hmotnosť diaľkového ovládača. Prítomnosť pracovných prvkov v pohonnom systéme spojených s napájaním elektrického pohonu a nízka hodnota ťahu elektrického pohonu určujú extrémne nízky pomer ťahu k hmotnosti kozmickej lode s týmito motormi. Preto má zmysel používať elektrické hnacie motory až v kozmických lodiach po dosiahnutí 1. únikovej rýchlosti pomocou chemického alebo jadrového tlačného zariadenia (navyše niektoré elektrické hnacie motory môžu vo všeobecnosti fungovať len vo vesmírnom vákuu).

Myšlienkou využitia elektrickej energie na výrobu prúdového ťahu sa zaoberal K. E. Tsiolkovsky a ďalší priekopníci astronautiky. R. Goddard v rokoch 1916-17 experimentmi potvrdil reálnosť tejto myšlienky. V. P. Glushko vytvoril v rokoch 1929-33 experimentálny elektrotermický RD. Potom z dôvodu nedostatku prostriedkov na dodávanie elektrických hnacích motorov do vesmíru a obtiažnosti vytvárania zdrojov energie s prijateľnými parametrami bol vývoj elektrických hnacích motorov zastavený. Obnovili sa koncom 50. a začiatkom 60. rokov. a boli stimulované úspechmi kozmonautiky a fyziky vysokoteplotnej plazmy (vyvinuté v súvislosti s problémom riadenej termonukleárnej fúzie). Začiatkom 80. rokov. V ZSSR a USA sa v rámci kozmických lodí a vysokohorských atmosférických sond otestovalo asi 50 rôznych návrhov elektrických pohonných systémov. V roku 1964 boli prvýkrát za letu testované elektromagnetické (ZSSR) a elektrostatické (USA), v roku 1965 elektrotermické (USA). Elektrické hnacie motory slúžili na riadenie polohy a korekcie obežných dráh kozmických lodí, na prenášanie kozmických lodí na iné dráhy (podrobnejšie v článku o rôznych typoch elektrických hnacích motorov). Významný pokrok vo vývoji elektrických hnacích motorov sa dosiahol vo Veľkej Británii, Nemecku, Francúzsku, Japonsku a Taliansku. Konštrukčné štúdie ukázali uskutočniteľnosť použitia elektrických hnacích motorov v systémoch riadenia prúdových lietadiel kozmických lodí určených na dlhodobú prevádzku (niekoľko rokov), ako aj hnacích motorov pre kozmické lode vykonávajúce zložité orbitálne prechody v blízkosti Zeme a medziplanetárne lety. Použitie elektrických hnacích motorov namiesto chemických propulzných motorov na tieto účely zvýši relatívnu hmotnosť užitočného zaťaženia kozmickej lode a v niektorých prípadoch skráti čas letu alebo ušetrí peniaze.

V dôsledku nízkeho zrýchlenia, ktoré kozmickej lodi dodávajú elektrické motory, musia pohonné systémy s elektrickým pohonom pracovať nepretržite niekoľko mesiacov (napríklad keď sa kozmická loď presúva z nízkej obežnej dráhy na geosynchrónnu) alebo niekoľko rokov (počas medziplanetárnych letov). ). V USA sa napríklad skúmal pohonný pohonný systém s niekoľkými iónovými elektrickými pohonnými motormi s ťahom 135 mN a špecifickým impulzom ~ 30 km/s, poháňaný solárnou elektrárňou. V závislosti od počtu elektrického pohonu a rezervy RT (ortuti) by pohonný systém mohol zabezpečiť let kozmickej lode ku kométam a asteroidom, štart kozmickej lode na dráhy Merkúra, Venuše, Saturna, Jupitera, vyslanie kozmickej lode schopnej dopraviť na Zem marťanskú pôdu, vysielanie výskumných sond do vonkajších atmosfér planét a ich satelitov, vypúšťanie kozmických lodí na cirkumsolárne dráhy mimo roviny ekliptiky a pod. Predovšetkým pohonný systém vo verzii so 6 elektrickým motory a RT rezerva 530 kg by mohli zabezpečiť prelet v blízkosti kométy Encke-Backlund s nákladom s hmotnosťou 410 kg (vrátane 60 kg vedeckého vybavenia).

Skúmajú sa aj PS s elektrickými hnacími motormi poháňanými jadrovými elektrárňami. Použitie týchto inštalácií, ktorých parametre nezávisia od vonkajších podmienok, sa javí ako vhodné, keď je elektrický výkon kozmickej lode nad 100 kW. Uvedené pohonné systémy môžu zabezpečiť manévre dopravných lodí v blízkosti Zeme, ako aj lety medzi Zemou a Mesiacom, vysielanie kozmických lodí na podrobné štúdium vonkajších planét, lety medziplanetárnych kozmických lodí s ľudskou posádkou atď. kozmická loď s počiatočnou hmotnosťou 20-30 ton, vybavená reaktorom, elektrárňou s výkonom niekoľko stoviek kW a malým počtom impulzných elektromagnetických elektrických pohonných motorov s ťahom niekoľkých desiatok N, mohla podrobne študovať Jupiter systém do 8 až 9 rokov doručí vzorky pôdy svojich satelitov na Zem. Dosiahnutie vysokých konštrukčných charakteristík pohonného systému pre takúto kozmickú loď si však vyžaduje vyriešenie mnohých problémov.

Vývoj elektrických hnacích motorov prispieva k riešeniu teoretických otázok a vytváraniu špeciálnych materiálov, technológií, procesov, prvkov a zariadení, ktoré majú veľký význam pre rozvoj priemyselných technologických procesov, elektrotechniky, elektroniky, laserovej techniky, termonukleárnej fyziky. dynamika plynov, ako aj vesmírny, chemický a medicínsky výskum.

Táto široká trieda motorov kombinuje rôzne typy motorov, ktoré sú v súčasnosti veľmi intenzívne vyvíjané. Pracovná kvapalina sa pomocou elektrickej energie urýchľuje na určitú rýchlosť výfuku. Energia sa získava z jadrovej alebo solárnej elektrárne umiestnenej na palube kozmickej lode (v zásade dokonca z chemickej batérie). Je možné si predstaviť množstvo typov palubných pohonných systémov.

Konštrukcie vyvíjaných elektromotorov sú mimoriadne rôznorodé. Pozrieme sa na tri hlavné skupiny elektromotorov, líšiacich sa spôsobom vystreľovania pracovnej tekutiny z rakety. (Sú však možné aj iné spôsoby klasifikácie elektromotorov

Elektrotermické motory. Tieto motory, rovnako ako všetky, ktoré sme doteraz uvažovali, sú tepelné motory. Pracovná tekutina (vodík) zahriata na vysokú teplotu sa mení na plazmu – elektricky neutrálnu zmes

kladné ióny a elektróny. Spôsoby elektrického ohrevu môžu byť rôzne: ohrev v elektrickom oblúku (obr. 10), pomocou volfrámových vykurovacích telies, cez elektrický výboj a iné

Ryža. 10. Schéma elektrického oblúkového motora

Pri laboratórnych skúškach elektrických oblúkových motorov bola dosiahnutá rýchlosť výfukových plynov rádovo, ak je možné magneticky izolovať plazmu od stien náporovej komory, teplota plazmy môže byť veľmi vysoká a rýchlosť výfukových plynov sa privedie na Reaktívne zrýchlenia v elektrotermálnych motoroch budú rádovo .

Prvý elektrotepelný motor na svete bol vyvinutý v rokoch 1929-1933. v Sovietskom zväze pod vedením V.P.Gluška v známom Laboratóriu dynamiky plynu.

Elektrostatické (iónové) motory. V týchto motoroch sa po prvýkrát stretávame so „studeným“ zrýchlením pracovnej tekutiny. Častice pracovnej tekutiny (páry ľahko ionizovateľných kovov, ako je rubídium alebo cézium) strácajú v ionizátore svoje elektróny a v elektrickom poli sa urýchľujú na vysokú rýchlosť. Aby elektrický náboj prúdu nabitých častíc za aparatúrou neinterferoval s ďalším výstupom, je tento prúd mimo neho neutralizovaný vyvrhnutím elektrónov odoberaných z atómov (obr. 11).

Ryža. 11. Schéma motora

V iónovom motore neexistujú žiadne teplotné obmedzenia. Preto je v princípe možné dosiahnuť ľubovoľne vysoké rýchlosti výfuku, až také, ktoré sa blížia rýchlosti svetla. Príliš vysoké rýchlosti výfukových plynov však musia byť vylúčené z úvahy, pretože by vyžadovali enormný výkon z elektrárne na palube lode.

Ryža. 12. Schéma vzniku pohyblivých plazmoidov v „pulznom“ plazmovom motore 11.18].

V tomto prípade by sa hmotnosť pohonného systému zvýšila oveľa viac ako ťah a v dôsledku toho by sa značne znížilo reaktívne zrýchlenie. Účel kozmického letu, jeho trvanie a kvalita elektrárne určujú najlepšiu a optimálnu rýchlosť výfuku pre danú úlohu. Podľa niektorých autorov je v medziach a podľa iných , . Iónové motory budú schopné dodať prúdové zrýchlenie rádovo .

Niektorí odborníci vkladajú veľké nádeje do špeciálneho typu elektrostatického motora – koloidného motora. Tieto motory urýchľujú veľké nabité molekuly a dokonca aj skupiny molekúl alebo prachových častíc s priemerom približne 1 mikrón.

Ryža. 13. Schéma magnetohydrodynamického motora so skríženými poľami.

Magnetohydrodynamické (elektrodynamické, elektromagnetické, magneticko-plazmové, „plazmové“) motory. Táto skupina motorov kombinuje obrovskú škálu schém, v ktorých sa plazma urýchľuje na určitú výstupnú rýchlosť zmenou magnetického poľa alebo interakciou elektrických a magnetických polí. Špecifické metódy urýchľovania plazmy, ako aj jej získavania, sú veľmi odlišné. V plazmovom motore (obr. 12) sa plazmová zrazenina („plazmoid“) urýchľuje magnetickým tlakom. V „motore so skríženými elektrickými a magnetickými poľami“ (obr. 13) cez plazmu,

umiestnený v magnetickom poli prechádza elektrický prúd (plazma je dobrý vodič) a v dôsledku toho plazma nadobúda rýchlosť (ako drôtený rám s prúdom umiestneným v magnetickom poli). Optimálna rýchlosť výfukových plynov pre magnetohydrodynamické motory je pravdepodobne v ráde zrýchlenia prúdu

Pri laboratórnych skúškach magnetohydrodynamických motorov boli zistené rýchlosti výfukových plynov až .

Treba poznamenať, že v mnohých prípadoch je ťažké zaradiť motor do jednej alebo druhej triedy.

Elektromotory s nasávaním pracovnej kvapaliny z hornej atmosféry. Lietadlo pohybujúce sa v hornej atmosfére môže využívať riedke vonkajšie prostredie ako pracovnú tekutinu pre elektromotor. Takýto elektromotor je podobný motoru dýchajúcemu vzduch v triede chemických motorov. Plyn vstupujúci cez prívod vzduchu môže byť použitý ako pracovná kvapalina buď priamo, alebo po akumulácii (prípadne skvapalnení) v nádržiach. Je tiež možné, že sa pracovná kvapalina nahromadí v nádržiach jedného lietadla a potom sa prečerpá do nádrží iného lietadla.

Dôležitou výhodou všetkých typov elektromotorov je jednoduchosť nastavenia trakcie. Vážnym problémom je potreba zbaviť sa prebytočného tepla generovaného jadrovým reaktorom. Tento prebytok nie je odnášaný pracovnou tekutinou a nie je daný do prostredia, ktoré vo svetovom priestore prakticky chýba. Zbavíte sa ho len pomocou radiátorov s veľkou plochou.

V roku 1964 Spojené štáty vykonali prvý úspešný test trvajúci 31 minút iónového motora namontovaného na nádobe vypustenej po balistickej dráhe. V skutočných vesmírnych podmienkach boli iónové a plazmové motory prvýkrát testované na sovietskej lodi Voskhod-1 a sovietskej stanici Zond-2, ktorá bola spustená v roku 1964 („Zond-2“ - smerom k Marsu); Spolu s konvenčnými sa používali v orientačných systémoch. V apríli 1965 bol spolu s jadrovým reaktorom Snap-10A testovaný na americkom satelite Zeme motor s kvapalným céznym iónom, vyvíjajúci ťah (namiesto céziových iónových motorov s vypočítaným nastaviteľným ťahom a elektrotermických motorov využívajúcich ako pracovnú tekutinu kvapalný amoniak a vyvíjajúcich ťah boli predtým testované s rôznym úspechom na sérii satelitov vypustených v Spojených štátoch od roku 1966.

Čo vám ako prvé napadne, keď počujete frázu „raketové motory“? Samozrejmosťou je tajomný vesmír, medziplanetárne lety, objavovanie nových galaxií a lákavá žiara vzdialených hviezd. Obloha k sebe vždy priťahovala ľudí, pričom zostávala nevyriešenou záhadou, no vytvorenie prvej vesmírnej rakety a jej štart otvorili ľudstvu nové obzory výskumu.

Raketové motory sú v podstate bežné prúdové motory s jednou dôležitou vlastnosťou: nevyužívajú atmosférický kyslík ako okysličovadlo paliva na vytvorenie prúdového ťahu. Všetko, čo je potrebné pre jeho prevádzku, sa nachádza buď priamo v jeho tele, alebo v okysličovadle a systémoch prívodu paliva. Práve táto vlastnosť umožňuje používať raketové motory vo vesmíre.

Existuje mnoho typov raketových motorov a všetky sa od seba nápadne líšia nielen konštrukčnými vlastnosťami, ale aj princípmi fungovania. Preto je potrebné zvážiť každý typ samostatne.

Medzi hlavné prevádzkové vlastnosti raketových motorov sa osobitná pozornosť venuje špecifickému impulzu - pomeru množstva prúdového ťahu k hmotnosti pracovnej tekutiny spotrebovanej za jednotku času. Hodnota špecifického impulzu predstavuje účinnosť a hospodárnosť motora.

Chemické raketové motory (CRE)

Tento typ motora je v súčasnosti jediný, ktorý sa vo veľkej miere používa na vypúšťanie kozmických lodí do vesmíru, okrem toho našiel uplatnenie aj vo vojenskom priemysle. Chemické motory sa delia na tuhé a kvapalné palivá v závislosti od fyzikálneho stavu raketového paliva.

História stvorenia

Prvé raketové motory boli na tuhé palivo a objavili sa pred niekoľkými storočiami v Číne. V tom čase mali málo spoločného s vesmírom, no s ich pomocou bolo možné odpaľovať vojenské rakety. Použitým palivom bol prášok podobným zložením ako pušný prach, zmenilo sa len percento jeho zložiek. Výsledkom bolo, že počas oxidácie prášok neexplodoval, ale postupne zhorel, pričom sa uvoľnilo teplo a vytvoril sa prúdový ťah. Takéto motory sa s rôznym úspechom zdokonaľovali, zdokonaľovali a zdokonaľovali, no ich špecifický impulz zostával stále malý, čiže konštrukcia bola neefektívna a nehospodárna. Čoskoro sa objavili nové druhy tuhého paliva, ktoré umožňovali väčší špecifický impulz a väčší ťah. Na jeho vytvorení pracovali vedci zo ZSSR, USA a Európy v prvej polovici dvadsiateho storočia. Už v druhej polovici 40. rokov bol vyvinutý prototyp moderného paliva, ktoré sa používa dodnes.

Raketový motor RD-170 beží na kvapalné palivo a okysličovadlo.

Raketové motory na kvapalinu sú vynálezom K.E. Ciolkovskij, ktorý ich v roku 1903 navrhol ako pohonnú jednotku pre vesmírnu raketu. V 20-tych rokoch sa začali práce na vytvorení kvapalných raketových motorov v USA av 30-tych rokoch - v ZSSR. Už začiatkom 2. svetovej vojny vznikli prvé experimentálne vzorky a po jej skončení sa začali sériovo vyrábať raketové motory na kvapalné palivo. Používali sa vo vojenskom priemysle na vybavenie balistických rakiet. V roku 1957 bol prvýkrát v histórii ľudstva vypustený sovietsky umelý satelit. Na odpálenie bola použitá raketa vybavená ruskými železnicami.

Konštrukcia a princíp činnosti chemických raketových motorov

Motor na tuhé palivo obsahuje vo svojom kryte palivo a okysličovadlo v pevnom stave agregátu a nádoba s palivom je zároveň spaľovacou komorou. Palivo má zvyčajne tvar tyče so stredovým otvorom. Počas oxidačného procesu začne tyč horieť od stredu k okraju a plyny vznikajúce pri spaľovaní vychádzajú cez dýzu a vytvárajú ťah. Ide o najjednoduchšiu konštrukciu zo všetkých raketových motorov.

V kvapalných raketových motoroch sú palivo a okysličovadlo v kvapalnom stave agregátov v dvoch samostatných nádržiach. Cez prívodné kanály vstupujú do spaľovacej komory, kde sa miešajú a dochádza k spaľovaciemu procesu. Produkty spaľovania vystupujú cez dýzu a vytvárajú ťah. Ako okysličovadlo sa zvyčajne používa kvapalný kyslík a palivo môže byť rôzne: petrolej, kvapalný vodík atď.

Výhody a nevýhody chemických RD, rozsah ich použitia

Výhody raketových motorov na tuhé palivo sú:

• jednoduchosť dizajnu;
• porovnávacia bezpečnosť z hľadiska ekológie;
• nízka cena;
• spoľahlivosť.

Nevýhody raketových motorov na tuhé palivo:

• obmedzenie doby prevádzky: palivo horí veľmi rýchlo;
• nemožnosť opätovného naštartovania motora, jeho zastavenia a regulácie trakcie;
• nízka merná hmotnosť v rozmedzí 2000-3000 m/s.

Pri analýze výhod a nevýhod raketových motorov na tuhé palivo môžeme dospieť k záveru, že ich použitie je opodstatnené iba v prípadoch, keď je potrebná stredná výkonová jednotka, pomerne lacná a ľahko realizovateľná. Rozsah ich použitia je balistické, meteorologické rakety, MANPADS, ako aj bočné boostery vesmírnych rakiet (vybavené sú nimi americké rakety, v sovietskych a ruských raketách sa nepoužívali).

Výhody tekutých RD:

• vysoký špecifický impulz (asi 4500 m/s a viac);
• schopnosť regulovať trakciu, zastaviť a reštartovať motor;
• nižšia hmotnosť a kompaktnosť, čo umožňuje vyniesť na obežnú dráhu aj veľké mnohotonové náklady.

Nevýhody raketových motorov:

• komplexný návrh a uvedenie do prevádzky;
• V podmienkach beztiaže sa kvapaliny v nádržiach môžu pohybovať chaoticky. Na ich ukladanie je potrebné použiť dodatočné zdroje energie.

Rozsah použitia motorov na kvapalné palivo je hlavne v kozmonautike, pretože tieto motory sú príliš drahé na vojenské účely.

Napriek tomu, že chemické raketové motory sú zatiaľ jediné schopné vypúšťať rakety do vesmíru, ich ďalšie zdokonaľovanie je prakticky nemožné. Vedci a konštruktéri sú presvedčení, že hranica ich možností je už dosiahnutá a na získanie výkonnejších jednotiek s vysokým špecifickým impulzom sú potrebné iné zdroje energie.

Jadrové raketové motory (NRE)

Tento typ raketového motora, na rozdiel od chemických, nevyrába energiu spaľovaním paliva, ale v dôsledku zahrievania pracovnej tekutiny energiou jadrových reakcií. Jadrové raketové motory sú izotopové, termonukleárne a jadrové.

História stvorenia

Konštrukcia a princíp fungovania jadrového hnacieho motora boli vyvinuté už v 50-tych rokoch. Už v 70. rokoch boli v ZSSR a USA pripravené experimentálne vzorky, ktoré boli úspešne testované. Sovietsky motor RD-0410 na tuhú fázu s ťahom 3,6 tony bol testovaný na lavici a americký reaktor NERVA mal byť inštalovaný na rakete Saturn V pred zastavením sponzorstva lunárneho programu. Súčasne sa pracovalo na vytvorení plynových jadrových pohonných motorov. V súčasnosti prebiehajú vedecké programy na vývoj jadrových raketových motorov a na vesmírnych staniciach sa uskutočňujú experimenty.

Existujú teda už funkčné modely jadrových raketových motorov, no zatiaľ žiadny z nich nebol použitý mimo laboratórií či vedeckých základní. Potenciál takýchto motorov je pomerne vysoký, ale aj riziko spojené s ich použitím je značné, takže zatiaľ existujú len v projektoch.

Zariadenie a princíp činnosti

Jadrové raketové motory sú v plynnej, kvapalnej a tuhej fáze v závislosti od stavu agregácie jadrového paliva. Palivom v jadrových pohonných motoroch na tuhú fázu sú palivové tyče, rovnako ako v jadrových reaktoroch. Sú umiestnené v skrini motora a pri rozpade štiepneho materiálu uvoľňujú tepelnú energiu. Pracovná tekutina - plynný vodík alebo čpavok - v kontakte s palivovým článkom absorbuje energiu a zahrieva sa, zväčšuje objem a stláča sa, potom vystupuje cez dýzu pod vysokým tlakom.

Princíp činnosti jadrového pohonného motora v kvapalnej fáze a jeho konštrukcia sú podobné ako pri motoroch na tuhú fázu, len palivo je v kvapalnom stave, čo umožňuje zvýšiť teplotu, a teda aj ťah.

Jadrové hnacie motory v plynnej fáze pracujú na palivo v plynnom stave. Zvyčajne používajú urán. Plynné palivo môže byť držané v kryte elektrickým poľom alebo umiestnené v uzavretej priehľadnej banke - jadrovej lampe. V prvom prípade dochádza ku kontaktu pracovnej tekutiny s palivom, ako aj k jeho čiastočnému úniku, preto okrem veľkého množstva paliva musí mať motor rezervu na pravidelné dopĺňanie. V prípade jadrovej lampy nedochádza k úniku a palivo je úplne izolované od prúdu pracovnej tekutiny.

Výhody a nevýhody jadrových motorov

Jadrové raketové motory majú oproti chemickým obrovskú výhodu – ide o vysoký špecifický impulz. Pre modely s pevnou fázou je jeho hodnota 8000-9000 m/s, pre modely s kvapalnou fázou – 14 000 m/s, pre plynnú fázu – 30 000 m/s. Pri ich používaní zároveň dochádza ku kontaminácii atmosféry rádioaktívnymi emisiami. Teraz sa pracuje na vytvorení bezpečného, ​​ekologického a účinného jadrového motora a hlavným „uchádzačom“ o túto úlohu je plynový jadrový motor s jadrovou lampou, kde je rádioaktívna látka v uzavretej banke a neprichádza. von prúdovým plameňom.

Elektrické raketové motory (ERM)

Ďalším potenciálnym konkurentom chemických tryskáčov je elektrický tryskáč, ktorý pracuje s použitím elektrickej energie. Elektrický pohon môže byť elektrotermický, elektrostatický, elektromagnetický alebo pulzný.

História stvorenia

Prvý elektrický hnací motor skonštruoval v 30. rokoch sovietsky konštruktér V.P. Glushko, hoci myšlienka vytvorenia takéhoto motora sa objavila na začiatku dvadsiateho storočia. V 60-tych rokoch vedci zo ZSSR a USA aktívne pracovali na vytvorení elektrických hnacích motorov a už v 70-tych rokoch sa prvé vzorky začali používať v kozmických lodiach ako riadiace motory.

Dizajn a princíp činnosti

Pohonný systém elektrickej rakety pozostáva zo samotného elektrického hnacieho motora, ktorého štruktúra závisí od jeho typu, systémov prívodu pracovnej tekutiny, riadenia a napájania. Elektrotermický RD ohrieva tok pracovnej tekutiny v dôsledku tepla generovaného vykurovacím telesom alebo v elektrickom oblúku. Ako pracovná kvapalina sa používa hélium, amoniak, hydrazín, dusík a iné inertné plyny, menej často vodík.

Elektrostatické RD sa delia na koloidné, iónové a plazmové. V nich sa vplyvom elektrického poľa urýchľujú nabité častice pracovnej tekutiny. V koloidných alebo iónových RD je ionizácia plynu zabezpečená ionizátorom, vysokofrekvenčným elektrickým poľom alebo plynovou výbojovou komorou. V plazmových RD pracovná tekutina - inertný plyn xenón - prechádza cez prstencovú anódu a vstupuje do plynovej výbojovej komory s katódovým kompenzátorom. Pri vysokom napätí prebleskne medzi anódou a katódou iskra, ktorá ionizuje plyn a výsledkom je plazma. Kladne nabité ióny vychádzajú cez dýzu vysokou rýchlosťou, získanou zrýchlením elektrickým poľom, a elektróny sú odstraňované smerom von pomocou kompenzačnej katódy.

Elektromagnetické trysky majú svoje vlastné magnetické pole - vonkajšie alebo vnútorné, ktoré urýchľuje nabité častice pracovnej tekutiny.

Impulzné motory pracujú na základe vyparovania tuhého paliva pod vplyvom elektrických výbojov.

Výhody a nevýhody elektrických hnacích motorov, rozsah použitia

Medzi výhody ERD patria:

• vysoký špecifický impulz, ktorého horná hranica je prakticky neobmedzená;
• nízka spotreba paliva (pracovná kvapalina).

nedostatky:

• vysoká spotreba elektrickej energie;
• zložitosť dizajnu;
• mierna trakcia.

Využitie elektrických hnacích motorov sa dnes obmedzuje na ich inštaláciu na vesmírnych satelitoch a ako zdroje elektrickej energie pre ne slúžia solárne batérie. Zároveň sa práve tieto motory môžu stať elektrárňami, ktoré umožnia skúmať vesmír, takže v mnohých krajinách sa aktívne pracuje na vytváraní ich nových modelov. Práve tieto elektrárne najčastejšie spomínali spisovatelia sci-fi vo svojich dielach venovaných dobývaniu vesmíru a nájdeme ich aj v sci-fi filmoch. Elektrický pohon je zatiaľ nádejou, že ľudia budú môcť stále cestovať ku hviezdam.

Práca na kurze

Na túto tému:

" Elektrické raketové iónové motory "

Všeobecná teória elektrických raketových motorov (ERE)

Všeobecné princípy elektrického pohonu

Zakladateľ astronautiky K.E. Ciolkovskij prvýkrát vyjadril myšlienku v roku 1911, že pomocou elektriny je možné udeliť obrovskú rýchlosť časticiam vyvrhnutým z prúdového zariadenia. Neskôr sa trieda motorov založená na tomto princípe začala nazývať elektrické raketové motory. Stále však neexistuje všeobecne akceptovaná a úplne jednoznačná definícia elektrického pohonu.

Vo fyzikálnom encyklopedickom slovníku je elektrický hnací motor raketový motor, v ktorom je pracovnou tekutinou ionizovaný plyn (plazma), urýchľovaný predovšetkým elektromagnetickými poľami; v encyklopédii "Kozmonautika" - ide o motor, v ktorom sa elektrická energia generovaná palubnou elektrárňou kozmickej lode používa ako zdroj energie na vytvorenie ťahu; Polytechnický slovník poskytuje tretiu verziu definície elektrického pohonu: ide o prúdový motor, v ktorom sa pracovná kvapalina urýchľuje na vysoké otáčky pomocou elektrickej energie.

Najlogickejšie je nazývať elektrické raketové motory motormi, ktoré využívajú elektrickú energiu na urýchlenie pracovnej tekutiny a zdroj energie môže byť umiestnený na palube kozmickej lode (SC) aj mimo nej. V druhom prípade sa energia buď priamo dodáva do urýchľovacieho systému z externého zdroja, alebo sa prenáša do kozmickej lode pomocou sústredeného lúča elektromagnetického žiarenia.

Tento pohľad na elektrický pohon zdieľali aj priekopníci astronautiky – Yu.V. Kondratyuk, G. Obert, F.A. Zander, V.P. Glushko. V diele Yu.V. Kondratyuk 1 považoval kozmickú loď, na ktorú dopadá koncentrovaný lúč svetla, a elektrický prúdový motor založený na elektrostatickom urýchľovaní veľkých nabitých častíc, napríklad grafitového prášku. Rovnaká práca naznačuje konkrétne spôsoby zvýšenia účinnosti elektrodynamického urýchľovača hmoty (EDMA) pomocou plazmového kontaktu a zrýchlenia vo vákuu. V roku 1929 G. Oberth 2 opísal iónový motor. V rokoch 1929-1931 Prvýkrát bol v laboratóriu vytvorený a testovaný pulzný elektrotermický elektrický hnací motor, ktorého autorom bol zakladateľ konštrukcie raketových motorov V.P. Glushko. Navrhol tiež termín „elektrický raketový motor“.

Práca na elektrickom pohone sa však v tom čase pre nedostatok svetla a efektívnych zdrojov energie ďalej nerozvíjala. Tieto práce boli v ZSSR a v zahraničí obnovené po vypustení u nás v roku 1957 prvej umelej družice Zeme a prvom lete do vesmíru v roku 1961 osoby - občana ZSSR Yu.A. Gagarin. V týchto rokoch sa z iniciatívy S.P. Korolev a I.V. Kurchatov prijal komplexný program výskumných a vývojových prác na elektrických hnacích motoroch rôznych typov. Zároveň sa rozbehli práce na vytvorení efektívnych zdrojov energie pre kozmické lode (solárne batérie, chemické batérie, palivové články, jadrové reaktory, rádioizotopové zdroje). Hlavným smerom výskumu formulovaným v tomto programe bol vývoj vedeckých základov a tvorba vysoko účinných modelov elektrických pohonných systémov určených na riešenie problémov priemyselného rozvoja blízkozemského priestoru a na podporu vedeckého výskumu slnečnej sústavy.

Pre formovanie modernej teórie elektrického pohonu boli najdôležitejšie nasledujúce vedecké a technické myšlienky.

Princíp elektrodynamického zrýchlenia, navrhnutý v roku 1957 L.A. Artsimoviča a jeho spolupracovníkov, bol použitý ako základ pre urýchľovače rôznych tried - impulzné elektrické hnacie motory využívajúce plynné a tuhé pracovné látky, stacionárne silnoprúdové elektrické hnacie motory.

Princíp disipatívneho urýchľovania iónov v magnetizovanej plazme samokonzistentným elektrickým poľom. Tento mechanizmus je implementovaný v plazmových motoroch s azimutálnym elektrónovým driftom, v koncových Hallových tryskách a do určitej miery aj v impulzných motoroch s elektromagnetickým zrýchlením plazmy. Vo svojej najkonzistentnejšej forme je táto metóda zrýchlenia implementovaná v motore s anódovou vrstvou (ALE), optimálnom variante motorov s azimutálnym elektrónovým driftom. Vo svojej pôvodnej podobe myšlienku DAS sformuloval A.V. Zharinov koncom 50. rokov; Neskôr na základe tejto myšlienky, doplnenej o množstvo vynálezov, boli vyvinuté vysoko účinné dvoj- a jednostupňové azimutálne driftové motory.

V USA navrhol G. Kaufman princíp plazmovo-iónového motora (PID), v ktorom sú ióny urýchľované aj pozdĺžnym elektrickým poľom, ale na rozdiel od DAS sú vopred extrahované z plazmového výboja s elektrónmi oscilujúcimi v r. pozdĺžne magnetické pole. Plazmovo-iónový motor má vysokú účinnosť a životnosť, ale je horší ako DAS vo všestrannosti a rozsahu riadenia výkonových charakteristík.

V súvislosti s projektovými štúdiami vesmírnych solárnych elektrární realizovanými v posledných rokoch ožil záujem o schémy elektrického pohonu s dodávkou energie z externého zdroja. Rozvíjanie myšlienok K.E. Ciolkovskij a Yu.V. Kondratyuk, G.I. Babat 1 v roku 1943 navrhol využiť energiu prenášanú do lietadla vo forme dobre zaostreného lúča mikrovlnného žiarenia zo zeme alebo kozmickej lode. V roku 1971 A. Kantrowitz uvažoval o laserovom žiarení na rovnaké účely.

V roku 1975 J. O. Neill navrhol pomocou elektrodynamického urýchľovača hmoty (EDMA) transportovať do vesmíru materiály určené na výstavbu vesmírnych solárnych elektrární z povrchu Mesiaca.Tieto projekty sú samozrejme zamerané na riešenie problémov v dlhodobom horizonte. výstavba orbitálnych objektov infraštruktúry na výrobu energie v blízkosti Zeme.

Vlastnosti pohonných systémov s nízkym ťahom

Oddelenie zdroja energie a pracovnej látky v elektrickom hnacom motore umožňuje prekonať obmedzenie vlastné chemickým motorom - relatívne nízku rýchlosť výfukových plynov. Ale na druhej strane, ak sa použije palubný zdroj energie, nevyhnutne vzniká ďalšie obmedzenie - relatívne nízky ťah. Ak teda zatiaľ neberieme do úvahy špeciálne prípady, napríklad ľahké motory, elektrické hnacie motory by sa mali zaradiť medzi motory s nízkym ťahom, ktoré sú schopné poskytnúť len mierne zrýchlenie, a preto sú vhodné na vykonávanie rôznych prepravných operácií priamo vo vonkajších priestor. Elektrické hnacie motory sú spravidla vesmírne raketové motory s nízkym ťahom.

Ak napríklad motor vyvinie ťah 10 N; hmotnosť kozmickej lode je 10 ton, potom zrýchlenie, ktoré vytvorí, bude 10“ 3 m/s 2, t.j. približne 10" 4 g 0 ( ísť – zrýchlenie voľného pádu na zemský povrch). Samozrejme, takýto motor nie je vhodný na vynášanie kozmických lodí zo Zeme na obežnú dráhu umelých satelitov.

Táto situácia sa môže zmeniť, keď sa vytvoria účinné laserové motory alebo elektrodynamické urýchľovače hmoty, ktorých charakteristickým znakom je, že zdroj energie sa nemusí nevyhnutne nachádzať na palube kozmickej lode. V tomto prípade by sme sa mali baviť o elektrickom hnacom motore, ktorý poskytuje vysokú rýchlosť výfuku a zároveň vysokú akceleráciu.

Aby sme identifikovali ďalšie špecifické vlastnosti elektrických hnacích motorov ako vesmírnych motorov, uvažujme o probléme prechodu medzi dvoma blízkozemskými kruhovými dráhami. Vráťme sa k Ciolkovského rovnici

(1.1)

(1.1)

(1.1)

kde u" a v sú prírastok rýchlosti kozmickej lode a prietok pracovnej látky; M o – počiatočná hmotnosť kozmickej lode; M k = M o – mt – hmotnosť K A na konečnej dráhe. Tu t– čas prechodu medzi obežnými dráhami; T - hromadná spotreba pracovnej látky. Od (1.1) prírastok rýchlosti

(1.2)

K zmene kinetickej energie kozmickej lode počas letu dochádza pri rýchlosti

Komplex pozostávajúci zo sady elektrických hnacích motorov, systému skladovania a zásobovania pracovnej tekutiny (SHiP), automatického riadiaceho systému (ACS) a systému napájania (SPS) je tzv. elektrický pohonný systém (EPS).

Úvod

Myšlienka využitia elektrickej energie v prúdových motoroch na zrýchlenie vznikla takmer na začiatku vývoja raketovej techniky. Je známe, že takúto myšlienku vyslovil K. E. Ciolkovskij. V roku -1917 uskutočnil R. Goddard prvé experimenty a v 30. rokoch 20. storočia v ZSSR pod vedením V.P.Glushka vznikol jeden z prvých fungujúcich elektrických hnacích motorov.

Od samého začiatku sa predpokladalo, že oddelenie zdroja energie a urýchľovanej látky zabezpečí vysokú rýchlosť odsávania pracovnej tekutiny (PT), ako aj nižšiu hmotnosť kozmickej lode (SC) v dôsledku zníženia v hmote uloženej pracovnej tekutiny. V porovnaní s inými raketovými motormi umožňujú elektrické hnacie motory výrazne zvýšiť aktívnu životnosť (AS) kozmickej lode a zároveň výrazne znížiť hmotnosť pohonného systému (PS), čo teda umožňuje zvýšiť užitočné zaťaženie alebo zlepšenie hmotnostných a rozmerových charakteristík samotnej kozmickej lode.

Výpočty ukazujú, že použitie elektrického pohonu skráti trvanie letov na vzdialené planéty (v niektorých prípadoch dokonca takéto lety umožnia) alebo pri rovnakom trvaní letu zvýši užitočné zaťaženie.

• vysokoprúdové (elektromagnetické, magnetodynamické) motory;
• impulzné motory.

ETD sa zase delia na motory s elektrickým ohrevom (END) a elektrickým oblúkom (EDA).

Elektrostatické motory sa delia na iónové (vrátane koloidných) motory (ID, CD) - urýchľovače častíc v unipolárnom zväzku a urýchľovače častíc v kvázineutrálnej plazme. Medzi posledné patria urýchľovače s uzavretým elektrónovým driftom a rozšírenou (UZDP) alebo skrátenou (UZDU) akceleračnou zónou. Prvé sa zvyčajne nazývajú stacionárne plazmové motory (SPD) a objavuje sa aj (čoraz menej často) názov - lineárny Hallov motor (LHD), v západnej literatúre sa mu hovorí Hallov motor. Ultrazvukové motory sa zvyčajne nazývajú anódovo akcelerované motory (LAM).

Medzi silnoprúdové (magnetoplazmové, magnetodynamické) motory patria motory s vlastným magnetickým poľom a motory s vonkajším magnetickým poľom (napríklad koncový Hallov motor - THD).

Pulzné motory využívajú kinetickú energiu plynov produkovaných odparovaním pevnej látky v elektrickom výboji.

Akékoľvek kvapaliny a plyny, ako aj ich zmesi, môžu byť použité ako pracovná kvapalina v elektrických hnacích motoroch. Pre každý typ motora však existujú pracovné kvapaliny, ktorých použitie vám umožňuje dosiahnuť najlepšie výsledky. Amoniak sa tradične používa pre ETD, xenón pre elektrostatické, lítium pre silnoprúdové a fluoroplastické pre pulzné.

Nevýhodou xenónu je jeho cena vzhľadom na jeho malú ročnú produkciu (celosvetovo menej ako 10 ton ročne), čo núti výskumníkov hľadať iné RT s podobnými vlastnosťami, ale lacnejšie. Argón sa zvažuje ako hlavný kandidát na nahradenie. Je to tiež inertný plyn, ale na rozdiel od xenónu má vyššiu ionizačnú energiu s nižšou atómovou hmotnosťou. Energia vynaložená na ionizáciu na jednotku zrýchlenej hmoty je jedným zo zdrojov strát účinnosti.

Stručné technické špecifikácie

Elektrické hnacie motory sa vyznačujú nízkym hmotnostným prietokom RT a vysokou výstupnou rýchlosťou zrýchleného prúdu častíc. Spodná hranica rýchlosti výfukových plynov sa približne zhoduje s hornou hranicou rýchlosti výfukových plynov z chemického motora a je približne 3000 m/s. Horná hranica je teoreticky neobmedzená (v rámci rýchlosti svetla), pri perspektívnych modeloch motorov sa však počíta s rýchlosťou nepresahujúcou 200 000 m/s. V súčasnosti sa pre motory rôznych typov považuje za optimálnu rýchlosť výfuku od 16 000 do 60 000 m/s.

Vzhľadom na skutočnosť, že proces zrýchlenia v elektrickom hnacom motore prebieha pri nízkom tlaku v zrýchľovacom kanáli (koncentrácia častíc nepresahuje 10 20 častíc/m³), je hustota ťahu pomerne nízka, čo obmedzuje použitie elektrických hnacích motorov. : vonkajší tlak by nemal prekročiť tlak v zrýchľovacom kanáli a zrýchlenie kozmickej lode je veľmi malé (desatiny alebo dokonca stotiny g ). Výnimkou z tohto pravidla môže byť EDD na malých kozmických lodiach.

Elektrický výkon elektrických hnacích motorov sa pohybuje od stoviek wattov až po megawatty. Elektrické hnacie motory používané v súčasnosti na kozmických lodiach majú výkon od 800 do 2 000 W.

Perspektívy

Hoci elektrické raketové motory majú v porovnaní s raketami na kvapalné palivo nízky ťah, sú schopné prevádzky po dlhú dobu a schopné pomalého letu na veľké vzdialenosti.