Магнитоплазмодинамический двигатель - Magnetoplasmadynamic thruster

Подруливающее устройство MPD во время испытательных стрельб

А магнитоплазмодинамический (MPD) двигатель малой тяги (MPDT) является формой электрическая силовая установка космического корабля который использует Сила Лоренца (сила, действующая на заряженную частицу электромагнитным полем) для создания тяги. Его иногда называют ускорителем силы Лоренца (LFA) или (в основном в Японии) дуговым двигателем MPD.

Обычно газообразный материал ионизированный и подается в камеру ускорения, где магнитное и электрическое поля создаются с помощью источника энергии. Затем частицы перемещаются силой Лоренца, возникающей в результате взаимодействия между током, протекающим через плазму, и магнитным полем (которое либо приложено извне, либо индуцируется током) через выхлопную камеру. В отличие от химической двигательной установки, здесь нет сжигания топлива. Как и в случае с другими вариантами электродвигателя, оба удельный импульс и толкать увеличивается с потребляемой мощностью, а тяга на ватт падает.

Существует два основных типа подруливающих устройств MPD: прикладное поле и собственное поле. Двигатели с приложенным полем имеют магнитные кольца, окружающие выхлопную камеру, для создания магнитного поля, в то время как двигатели с собственным полем имеют катод, проходящий через середину камеры. Прикладные поля необходимы при более низких уровнях мощности, где конфигурации собственного поля слишком слабы. Различные пропелленты, такие как ксенон, неон, аргон, водород, гидразин, и литий литий, как правило, является лучшим исполнителем.

В соответствии с Эдгар Чуэири магнитоплазмодинамические двигатели имеют вход мощность 100–500 киловатт, скорость истечения 15–60 километров в секунду, толкать 2.5–25 ньютоны и эффективность 40–60 процентов. Однако дополнительные исследования показали, что скорость выхлопа может превышать 100 километров в секунду.[1][2]

Одно из возможных применений магнитоплазмодинамических двигателей - главный двигательный двигатель для тяжелых грузов и пилотируемых космических аппаратов (например, двигатель за человеческая миссия на Марс ).[1][2]

Преимущества

Теоретически подруливающие устройства MPD могут производить чрезвычайно высокие удельные импульсы (Iзр) со скоростью истечения до и выше 110000 РС, в три раза больше, чем у современных ионных двигателей на основе ксенона, и примерно в 25 раз лучше, чем у жидкостных ракет. Технология MPD также имеет потенциал для уровней тяги до 200 ньютонов (Н) (45 фунтF), что на сегодняшний день является самым высоким для любой формы электрической тяги и почти таким же высоким, как у многих межпланетных химических ракет.[нужна цитата ] Это позволит использовать электрическую тягу в миссиях, требующих быстрого дельта-v маневры (например, выход на орбиту другой планеты), но с гораздо большей топливной экономичностью.[3]

Разработка

Визуализация CGI самополевого двигателя MPD Принстонского университета с питанием от лития (из журнала Popular Mechanics)

Технология подруливающего устройства MPD была изучена академически, но коммерческий интерес был низким из-за нескольких остающихся проблем. Одна из больших проблем заключается в том, что для оптимальной работы требуется потребляемая мощность порядка сотен киловатт. Современные системы питания межпланетных космических аппаратов (такие как радиоизотопные термоэлектрические генераторы и солнечные батареи) не способны производить такую ​​большую мощность. НАСА Проект Прометей Предполагалось, что реактор будет генерировать мощность в сотни киловатт, но в 2005 году его производство было прекращено.

Проект по созданию космического ядерного реактора, рассчитанного на выработку 600 киловатт электроэнергии, начался в 1963 году и продолжался большую часть 1960-х годов. СССР. Это должно было привести в действие спутник связи, который в конце концов не получил одобрения.[4] Ядерные реакторы, вырабатывающие киловатт электроэнергии (порядка десяти раз больше, чем нынешние источники питания РИТЭГов), были выведены на орбиту СССР: РОРСАТ;[5] и ТОПАЗ.[6]

Планы по разработке ядерного реактора мегаваттного масштаба для использования на борту пилотируемого космического корабля были объявлены в 2009 г. Курчатовский институт,[7] национальное космическое агентство Роскосмос,[8] и подтверждено Президентом России Дмитрий Медведев в своем обращении к Федеральное Собрание.[9]

Другой план, предложенный Брэдли С. Эдвардс, заключается в передаче мощности с земли. Этот план использует 5 200 кВт. лазеры на свободных электронах на 0,84 мкм с адаптивная оптика на земле для передачи энергии космическому кораблю с MPD, где она преобразуется в электричество GaAs фотоэлектрические панели. Настройка длины волны лазера 0,840 мкм (1,48 эВ на фотон) и фотоэлектрической панели запрещенная зона из 1,43 эВ друг к другу дает расчетную эффективность преобразования 59% и расчетную плотность мощности до 540 кВт / м2. Этого будет достаточно для питания верхней ступени MPD, возможно, для подъема спутников с LEO на GEO.[10]

Еще одна проблема с технологией MPD - это деградация катодов из-за испарения из-за высоких плотностей тока (превышающих 100 А / см2). Использование смесей литиевого и бариевого ракетного топлива и многоканальных полых катодов было показано в лаборатории как многообещающее решение проблемы эрозии катода.[нужна цитата ].

Исследование

Исследования двигателей MPD проводились в США, бывших Советский союз, Япония, Германия и Италия. Экспериментальные прототипы впервые были запущены на советских космических кораблях, а совсем недавно, в 1996 году, на японских. Space Flyer Unit, который продемонстрировал успешную работу квазистационарного импульсного двигателя MPD в космосе. Исследования в Московский авиационный институт, РКК Энергия, Национальный аэрокосмический университет, Харьковский авиационный институт, Штутгартский университет, КАК ЕСТЬ, Centrospazio, Alta S.p.A., Осакский университет, Университет Южной Калифорнии, Университет Принстона с Лаборатория электродвижения и плазменной динамики (EPPDyL) (где исследования двигателей MPD непрерывно продолжались с 1967 года), и НАСА центры (Лаборатория реактивного движения и Исследовательский центр Гленна ), решает многие проблемы, связанные с производительностью, стабильностью и сроком службы двигателей MPD.

Двигатель MPD был испытан на борту японского космического летательного аппарата в рамках EPEX (Electric Propulsion EXperiment), который был запущен 18 марта 1995 года и извлечен миссией космического челнока. СТС-72 20 января 1996 г. На сегодняшний день это единственный действующий двигатель MPD, который летал в космосе в качестве двигательной установки. Впервые опытные образцы были запущены на советских космических кораблях.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Choueiri, Эдгар Ю. (2009). Новая заря электрической ракеты. Двигатель нового поколения
  2. ^ а б Choueiri, Эдгар Ю. (2009) Новая заря электрической ракеты Scientific American 300, 58–65 Дои:10.1038 / scientificamerican0209-58
  3. ^ Курчатовский институт совместно с Роскосмосом возобновили работы по созданию источников ядерной энергии для межпланетных полетов, июнь 2009 г.,
  4. ^ Спутник глобальной связи, использующий ядерную энергию В архиве 2008-07-09 в Wayback Machine
  5. ^ СССР / Россия - РОРСАТ, Топаз и РИТЭГ
  6. ^ ТОПАЗ
  7. ^ Курчатовский институт совместно с Роскосмосом возобновили работы по созданию ядерных источников энергии для межпланетных перелетов, Июнь 2009, (на русском языке)
  8. ^ Роскосмос подготовил проект пилотируемого космического корабля с ядерным двигателем, РИАН, Октябрь 2009 г.,
  9. ^ «Разработки в ядерной области будут активно применяться ... в том числе для создания ракетного топлива, способного обеспечить космические полеты даже к другим планетам», с ноября 2009 г. Обращение к Федеральному Собранию[постоянная мертвая ссылка ].
  10. ^ Эдвардс, Брэдли К. Вестлинг, Эрик А. Космический лифт: революционная транспортная система Земля-космос. 2002, 2003 гг. До н.э. Эдвардс, Хьюстон, Техас.

внешняя ссылка