Propulsie electrică pentru spațiu

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Prin propulsie electrică pentru utilizare spațială ne referim la ansamblul tuturor acelor motoare electrice dezvoltate pentru propulsia vehiculelor în spațiu .

Au fost dezvoltate diferite tipuri de propulsoare, care pot fi clasificate în funcție de mecanismul de accelerație adoptat în principal sau în funcție de fluidul de lucru. Propulsoarele electrice oferă de obicei impulsuri specifice mai mari decât propulsoarele tradiționale , cu toate acestea generează propulsie cu mai multe ordine de mărime mai mici decât propulsoarele chimice datorită limitărilor tehnologice actuale ale puterii electrice disponibile la bordul sondelor spațiale. [1] Rușii au adoptat propulsoare electrice pe sateliții lor de zeci de ani; în lumea occidentală, pe de altă parte, acestea sunt utilizate în principal pentru manevrele de menținere a stației nord-sud pe sateliții geostaționari .

fundal

Satelitul experimental SERT-1. Cele două propulsoare electrice testate în timpul experimentului sunt vizibile pe părțile laterale ale corpului principal.

Ideea utilizării propulsiei spațiale poate fi urmărită în 1906 , când Robert Goddard a considerat-o posibilă în caietele sale private. [2] Ulterior, în 1929 Hermann Oberth s-a ocupat de acest subiect în cartea Wege Zur Raumschiffahrt . [3] Cu toate acestea, nu a fost făcută nicio încercare de a proiecta un sistem de propulsie electric până în 1948 . [4] [5] O contribuție notabilă la cercetarea în acest domeniu a venit de la Ernst Stuhlinger . [5]

Deși înțelegerea teoretică a propulsiei electrice s-a îmbunătățit, primele experimente nu au fost efectuate decât în anii 1950 , în laborator și cu putere redusă. Abia în anii șaizeci , interesul comunității științifice a crescut până la punctul în care au apărut numeroase centre de cercetare care au dezvoltat toate tipurile de motoare spațiale principale. [5] Primul test al unui propulsor electric a avut loc pe 20 iulie 1964 , când două motoare diferite au fost testate la bordul SERT-1 („Space Electric Rocket Test 1”), dintre care unul a produs tracțiunea așteptată, demonstrând aplicabilitatea a noilor tehnologii în utilizarea spațiului. [5] [6]

În urma reducerii cheltuielilor de spațiu odată cu încheierea Programului Apollo , propulsia electrică a fost pusă deoparte și în Occident. Ulterior, studiul său a fost reluat în anii nouăzeci , dar utilizarea sa a devenit concretă mai ales în deceniul următor.

Clasificare

Propulsoarele electrice pentru utilizarea spațiului sunt de obicei grupate în trei familii, pe baza mecanismului de accelerație adoptat în principal.

Ele se caracterizează și prin regimul de funcționare adoptat: staționar, dacă propulsorul funcționează continuu pentru o durată așteptată sau pulsat, dacă propulsorul funcționează pentru intervale scurte care pot fi considerate impulsive (cu o durată mai mică de o secundă), intercalat cu perioade lungi de acumulare de energie.

Mecanism de accelerare Centrală electrică Impuls ( e ) specific ( e ) Impingere ( N )
Accelerare dinamică termogază Resistojet
Arcjet 500 - 2000 0,15 - 0,30
Accelerația electrostatică Propulsor de emisie de câmp (FEEP) 5.000 - 8.000 10 × 10 −6 - 2,5 × 10 −3
Propulsor de ioni electrostatic de rețea 3 000 30 × 10 −3
Propulsor RIT (propulsor de ionizare prin radiofrecvență) 18 × 10 −3 - 100 × 10 −3
Helicon Double Layer
Propulsor cu efect Hall (SPT, PPS, ALT) 1 000 - 3 000 10 × 10 −3 - 1,5
Accelerația electromagnetică [7]
( Forța Lorentz )
Propulsor magnetoplasmdinamic (MPD) și LFA (Lorentz Force Accelerator) 1000 - 10 000 20 - 200
Propulsor de plasmă fără electrozi (ElPT) 1 000 - 10 000 1 × 10 −3 - 100
MPD pulsat = Propulsor plasmatic pulsat (PPT)

O altă clasificare adoptată în literatură împarte propulsoarele electrice, pe baza fluidului de lucru, în propulsoare de ioni și propulsoare cu plasmă . Cele două clasificări aproape se suprapun: propulsoarele ionice utilizează un mecanism de accelerație de tip electrostatic, în timp ce propulsoarele cu plasmă prezintă în principal o accelerație de tip electromagnetic. O excepție notabilă sunt propulsoarele cu efect Hall, care sunt clasificate ca motoare cu plasmă.

Propulsoare electrotermale

Propulsoarele electrotermale au fost primele dezvoltate. În ele, mecanismul de accelerație - termogazdinamic - este același ca la elicele chimice: propulsorul adus la temperatură ridicată într-un compartiment adecvat din elice - similar cu camera de ardere - este lăsat să se extindă printr-o duză . În acest fel, energia termică furnizată propulsorului este transformată în energie cinetică și, prin urmare, este transformată într-o formă utilă pentru generarea unei forțe .

Principala diferență dintre propulsoarele electrotermale și propulsoarele chimice constă în modul în care energia termică este furnizată propulsorului: în prima, de fapt, gazul este încălzit fie prin rezistențe plasate în contact direct cu acesta - Resistojet - fie printr-un arc electricitate produsă în gaz prin aplicarea unei diferențe de potențial adecvate - Arcjet.

Ca propulsori, sunt preferate gazele caracterizate printr-o greutate moleculară mică (de exemplu, hidrogen, heliu și amoniac).

Performanța propulsoarelor electrotermale în termeni de impuls specific este în general modestă (într-un interval care variază de la 500 la ~ 1000 s ), dar o depășește pe cea a propulsoarelor cu propulsie la rece (fără o cameră de combustie) și câteva rachete chimice. [ citație necesară ] În Uniunea Sovietică , propulsoarele electrotermale sunt utilizate din 1971 .

Resistojet

Arcjet

Arcjeturile sunt un tip de propulsoare electrice pentru nave spațiale, în care se generează o descărcare electrică sau „arc” într-un flux de propulsor ( hidrazină în general sau amoniac ). Acest lucru oferă energie suplimentară propulsorului, astfel încât să poată fi extrasă mai multă muncă din fiecare kg de propulsor, în detrimentul unui consum mai mare de energie și (de obicei) a unui cost mai mare. Nivelurile de tracțiune ale motoarelor arcjet utilizate în mod obișnuit sunt foarte scăzute în comparație cu motoarele chimice.

Când electricitatea disponibilă la bord este suficientă, un arcjet este potrivit pentru a menține poziția vehiculului pe orbită și poate înlocui rachetele monopropelente. [ fără sursă ]

În Germania, cercetătorii de la Institutul de aviație a sistemelor spațiale de la Universitatea din Stuttgart au dezvoltat diverse arcjeturi alimentate cu hidrogen capabile să producă energie de la 1 la 100 kW. Hidrogenul încălzit atinge o viteză de ieșire de puțin sub 16 kilometri pe secundă. [ fără sursă ]

Propulsoarele electrostatice

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: propulsor ionic .

În propulsoarele electrostatice, combustibilul după ce a fost ionizat este accelerat în principal de forța Coulomb , adică în urma aplicării unui câmp electrostatic în direcția de accelerație.

Propulsor de ioni cu rețea electrostatică (GIT)

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Ion_thruster § Electrostatic_grid_ionic_thruster .

Propulsor de emisie de câmp electric (FEEP)

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: propulsie electrică cu emisie de câmp .

Propulsor de efect Hall (HET)

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Propulsor cu efect Hall .

Propulsor coloidal

Propulsoarele electromagnetice

Propulsoarele electromagnetice folosesc forța Lorentz pentru a accelera plasma. Această forță acționează asupra lor în funcție de viteza, direcția lor și cea a câmpului magnetic la care sunt supuși.

Propulsoare magnetoplasm dinamice (MPD) / Acceleratoare de forță cu litiu Lorenz (LiLFA)

Propulsoarele magnetoplasmadinamici (MPD) și forțelor acceleratoare Lorentz în litiu (LiLFA) au aproximativ același principiu de construcție. Hidrogenul , argonul , amoniul și azotul pot fi utilizate ca propulsor. Gazul intră în camera principală unde este ionizat în plasmă de câmpul electric dintre anod și catod, conducând apoi curentul între ele. Acest nou curent creează un câmp magnetic în jurul catodului care traversează câmpul electric, accelerând astfel plasma datorită forței Lorentz. Propulsorul LiLFA folosește aceeași idee generală ca propulsorul MPD, cu excepția a două diferențe principale: LiLFA folosește vapori de litiu, care are avantajul că poate fi stocat în formă solidă. Cealaltă diferență este că catodul este înlocuit de câteva tije mici de catod introduse într-un tub de catod gol. Catodul din propulsorul MPD se corodează ușor datorită contactului constant cu plasma. Pe propulsorul LiLFA, pe de altă parte, vaporii de litiu sunt injectați în catodul gol și nu sunt ionizați în forma sa de plasmă corozivă până când nu iese din tub. Plasma este apoi accelerată de aceeași forță Lorentz . [8] [9]

Propulsoarele cu inducție de impulsuri (PIT)

Propulsoarele pentru inducerea impulsurilor (Pulsed Inductive Thrusters, PIT) folosesc impulsuri de împingere în loc de o împingere continuă și sunt capabile să funcționeze cu niveluri de putere de ordinul Mega Watts (MW). PIT-urile constau dintr-o bobină mare înfășurată în jurul unui tub de formă conică care emite gazul propulsor (de obicei amoniac ). Pentru fiecare impuls de impuls care vine de la PIT este necesar să se construiască o încărcare mare în interiorul unui grup de condensatoare situate în spatele bobinei și apoi să se elibereze. Aceasta creează un curent care se mișcă într-un cerc în direcție . Curentul creează apoi un câmp magnetic în direcția radială de ieșire ( ), care creează un curent în gazul de amoniu care tocmai a fost eliberat în direcția opusă curentului inițial. Acest curent opus ionizează pozitiv amoniul, care este apoi accelerat din cauza câmpului electric în direcție trecând prin câmpul magnetic care provoacă forța Lorentz . [10]

Elemente de plasmă fără electrozi

Propulsoarele cu plasmă fără electro au două caracteristici unice: îndepărtarea electrozilor anodici și catodici și capacitatea de a regla împingerea. Scoaterea electrozilor elimină factorul de eroziune care limitează durata de viață a celorlalte motoare cu ioni. Gazul neutru este ionizat de radiația electromagnetică și apoi este transferat într-o altă cameră unde este accelerat prin câmpuri electrice și magnetice oscilante cu o forță cunoscută și sub numele de forță de antrenare a greutății . Această separare a secțiunilor de ionizare și accelerație conferă motorului capacitatea de a regla viteza de curgere a combustibilului, modificând astfel amplitudinea impulsului și valorile specifice ale impulsului. [11]

Comparații

Tabelul următor compară datele de testare curente ale unor propulsoare electrice, dintre care majoritatea sunt ioni cu o diferență de potențial de 300 de volți .

Motor Propulsor Putere necesară
( kW )
Impuls specific
( s )
Împingere
( mN )
NSTAR Xenon 2.3 3300 nouăzeci și doi
URMĂTORUL Xenon 10.5 3900 364
NEXIS Xenon 20.5 6000-7500 400
HiPEP Xenon 25-50 6000-9000 460-670
efectul de hol Bismut 25 3000 1130
efectul de hol Bismut 140 8000 2500
efectul de hol Xenon 25 3250 950
efectul de hol Xenon 75 2900 2900
FEEP Ceziu lichid 6x10 −5 -0.06 6000-10000 0,001-1

Următoarele propulsoare sunt experimentale și au fost testate doar în modul impuls.

Motor Propulsor Putere necesară
( kW )
Impuls specific
( s )
Împingere
( mN )
MPDT Hidrogen 1500 4900 26300
MPDT Hidrogen 3750 3500 88500
MPDT Hidrogen 7500 6000 60000
LiLFA Vapori de litiu 500 4077 12000

Notă

  1. ^ (EN) Propulsie electrică versus chimică , pe propulsia navei spațiale electrice, ESA. Adus la 20 martie 2010 .
  2. ^ (EN) Edgar Y. Choueiri, A Critical History of Electric Propulsion: The First 50 Years (1906-1956) , în Journal of Propulsion and Power, Vol. 20, nr. 2, 2004, pp. 193–203, DOI : 10.2514 / 1.9245 .
  3. ^ (EN) Hermann Oberth , Spaceflight, US Centennial of Flight Commission. Adus la 20 martie 2010 (arhivat din original la 7 iunie 2007) .
  4. ^ LR Shepherd, Cleaver, V., The Atomic Rocket , în Journal of the British Interplanetary Society , vol. 7, 1948, p. 185.
  5. ^ a b c d Robert G. Jahn , pp. 9-10 , 1968.
  6. ^ Celălalt nu a funcționat.
  7. ^ sau magnetoplasmadinamic.
  8. ^ K. Sankaran, L. Cassady, AD Kodys și EY Choueiri, Un studiu al opțiunilor de propulsie pentru încărcături și misiuni pilotate pe Marte , pe alfven.princeton.edu . Adus pe 21 noiembrie 2007 .
  9. ^ Michael R. LaPointe și Pavlos G. Mikellides, High Power MPD Thruster Development la NASA Glenn Research Center ( PDF ), la gltrs.grc.nasa.gov . Adus la 21 noiembrie 2007 (arhivat din original la 11 octombrie 2006) .
  10. ^ Pavlos G. Mikellides, Propulsor inductiv pulsat (PIT): Modelare și validare folosind codul MACH2 ( PDF ), la gltrs.grc.nasa.gov . Adus la 21 noiembrie 2007 (arhivat din original la 10 octombrie 2006) .
  11. ^ Gregory D. Emsellem, Dezvoltarea unui propulsor fără electrod de mare putere ( PDF ), la elwingcorp.com . Adus la 21 noiembrie 2007 (depus de 'url original 15 mai 2008).

Bibliografie

  • ( EN ) Robert G. Jahn, Physics of Electric Propulsion , Mineola (New York), Dover Publications, 2006 [1968] , p. 339, ISBN 0-486-45040-6 .
  • ( EN ) Robert G. Jahn, Choueiri, Edgar Y., Electric Propulsion ( PDF ), în Encyclopedia of Physical Science and Technology , vol. 5, ediția a 3-a, Academic Press, pp. 125-141. Adus la 18 aprilie 2010 .

linkuri externe

Astronautică Portalul astronauticii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de astronautică