Магнитоплазмодинамический двигатель: Недопустимое название — Циклопедия

Будущее (или засекреченное настоящее) плазменных движков или как достичь 27 махов в атмосфере / Хабр

MagisterLudi
15 апреля 2019 в 18:06

Научно-популярное Космонавтика Физика Транспорт Будущее здесь

«Говорят, что те, кто видел гиперзвуковой экраноплан, летящий в пузыре плазмы, из которого выехал танк, сфотался, а потом заехал обратно, никому про это уже ничего не расскажут.»

Зимой я долго приставал к Зеленому Коту по поводу плазменных движков и их физических ограничений. И вот он опубликовал пост, а я вдогонку хочу немного разобраться со «лженаукой» и мифами, а также понять, есть ли в ближайшей перспективе заменитель химическим ракетным движкам для моего реактивного ранца.

Я не специалист в движках. Ну совсем ни разу не специалист, но разобраться хочу. Сделаю небольшой «вброс» с расчетом на то, что хабраинтеллект выведет на чистую воду плазму.

• Как звучит в атмосфере двигатель, скорость истечения «струи» которого выше четвертой космической?
• Возможно ли, что уже сейчас есть рабочие образцы плазменных движков на военной технике, которые могут обеспечит скорость полета 27 махов для объекта 100-1000 кг?
• Какие есть первоисточники с разным уровнем достоверности по этому вопросу?

Вот испытания немцев:

Статья в Journal of Physics: Conference Series.

Прототип, будучи масштабированным до размеров обычного авиационного двигателя, как утверждается, сможет развивать тягу от 50 до 150 килоньютонов в зависимости от подаваемого напряжения. Испытанный прототип представляет собой установку длиной 80 миллиметров и диаметром 14 миллиметров.

Исследователи полагают, что в будущем такие магнитоплазмодинамические двигатели можно будет устанавливать на самолеты, причем силовые установки будут эффективно работать на всех этапах: от взлета до полета на высоте 50 тысяч метров.

Принцип работы магнито-плазменного компрессора для аналога сопла Лаваля.

Тяга и импульс для различных типов батарей при различном давлении.

Общая схема

Тестовый образец

Струя/факел плазмы при различном вольтаже.

Плазма в различных фильтрах.

Распределение магнитного поля.

Эрозия после 1000 запусков.

Источники

• First Breakthrough for Future Air-Breathing Magneto-Plasma Propulsion Systems
• Физики испытали плазменный двигатель для самолетов
• В Сибири начнут эксперименты, которые позволят создать плазменный двигатель
• Немцы испытали высокочастотный плазменный двигатель
• Плазменные двигатели: миф и реальность
• Победа над плазмой — новый метод для связи с космическим аппаратом

Теги:

• магнитоплазмодинамический двигатель

Хабы:

• Научно-популярное
• Космонавтика
• Физика
• Транспорт
• Будущее здесь

Всего голосов 63: ↑58 и ↓5 +53

Просмотры

68K

Комментарии
114

Alex
@MagisterLudi

Реверс-инжиниринг мировоззрения

Комментарии
Комментарии 114

Магнитоплазмодинамический двигатель.

Большая энциклопедия техники

Магнитоплазмодинамический двигатель

Магнитоплазмодинамический двигатель – электрический ракетный двигатель, в котором роль рабочего тела выполняет плазма. Магнитное поле Земли, взаимодействуя с электрическим током в плазме, обусловливает возникновение силы Лоренца, которая, в свою очередь, обеспечивает разгон рабочего тела. Электрические ракетные двигатели, использующие для разгона рабочего тела магнитное поле, отличаются тем, что создают малые ускорения, но их преимуществом являются хорошие показатели продолжительности непрерывной работы. В 1988 г. был проведен эксперимент под названием «Плазма», в ходе которого проверялась эффективность использования плазменных электрических ракетных двигателей на искусственных спутниках Земли. Помимо этого, исследовалось помеховое воздействие плазменного двигателя на работу аппаратуры космического аппарата и влияние на радиосвязь. При сравнении с другими электрическими ракетными двигателями сильноточный плазменный двигатель, работающий в стационарном режиме, имеет ряд преимуществ. Он может обеспечивать высокий уровень тяги при КПД не меньше 50% и обеспечивать скорость истечения порядка 10 км/с. Если же в качестве источника энергии использовать солнечную батарею, что технически реализуемо, то это дает серьезное преимущество перед остальными двигателями. Перечисленные преимущества магнитоплазмодинамического двигателя позволяют в перспективе рассматривать его в качестве маршевого ракетного двигателя, особенно если космический аппарат будет оборудован солнечными батареями либо другими низковольтными энергоустановками мощностью не менее 100 кВт.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Коллекторный двигатель

Коллекторный двигатель
Коллекторный двигатель – это электрическая машина, соединяющая обмотку ротора с коллектором для преобразования электрической энергии в механическую. Бывают коллекторные двигатели постоянного и переменного тока. Основным достоинством

Электрический двигатель

Электрический двигатель
Электрический двигатель – это машина, преобразующая электрическую энергию в

Забойный двигатель

Забойный двигатель
Забойный двигатель – это такой двигатель, который погружают в буровые скважины. Он передает вращение на сам породоразрушающий инструмент. Существует несколько видов забойных двигателей – турбобур, электробур, винтовой двигатель и

Магнитогазодинамический двигатель

Магнитогазодинамический двигатель
Магнитогазодинамический двигатель – электрический ракетный двигатель, в котором в качестве рабочего тела используется газ. Разгон рабочего тела осуществляется под действием магнитного поля Земли. По режиму работы представляет

2.2.6. Двигатель

2.2.6. Двигатель
Нарушена герметичность системы питания(п. 6.2 Приложения).Под этой неисправностью надо понимать протекание бензина. Очевидно, что неисправность очень опасна, ведь пары бензина могут загореться в любой момент. Казалось бы, об этом не имеет смысла говорить,

NASA — Магнитоплазмодинамические двигатели

Магнитоплазмодинамические двигатели

Введение
Изображение слева: Магнитоплазмодинамический двигатель (MPD) в работе. Предоставлено: NASA

Когда-то существовавший только в области научной фантастики, электрический двигатель оказался отличным вариантом для будущего исследования космоса. Магнитоплазмодинамический двигатель (MPD) в настоящее время является самой мощной формой электромагнитного двигателя. Способность MPD эффективно преобразовывать мегаватты электроэнергии в тягу делает эту технологию главным кандидатом для экономичной доставки грузов на Луну и Марс, сближения с внешними планетами и возврата образцов, а также для реализации других смелых новых проектов в области роботизированных и пилотируемых исследований планет в дальнем космосе. . Благодаря высокой скорости выхлопа двигатель MPD предлагает явные преимущества по сравнению с обычными типами двигателей для каждого из этих приложений миссии. MPD выбрасывают плазму для создания движения. MPD могут обрабатывать больше энергии и создавать большую тягу, чем любой другой тип электрического двигателя, доступного в настоящее время, сохраняя при этом высокие скорости истечения, связанные с ионным двигателем.

Что такое ион?

Ион — это просто атом или молекула, обладающая электрическим зарядом. Ионизация — это процесс электрического заряда атома или молекулы путем добавления или удаления электронов. Ионы могут быть положительными (когда они теряют один или несколько электронов) или отрицательными (когда они приобретают один или несколько электронов). Газ считается ионизированным, когда некоторые или все содержащиеся в нем атомы или молекулы превращаются в ионы. Плазма — это электрически нейтральный газ, в котором все положительные и отрицательные заряды — от нейтральных атомов, отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных ионов — в сумме равны нулю. Плазма существует повсюду в природе; оно обозначается как четвертое состояние вещества (остальные — твердое, жидкое и газообразное). Он обладает некоторыми свойствами газа, но на него влияют электрические и магнитные поля, и он является хорошим проводником электричества. Плазма является строительным блоком для всех типов электрических двигателей, в которых электрические и/или магнитные поля используются для толкания электрически заряженных ионов и электронов для создания тяги. Примерами плазмы, которую можно увидеть каждый день, являются молнии и люминесцентные лампочки.

Работа MPD

Изображение справа: Обзор работы магнитоплазмодинамического (MPD) двигателя. Предоставлено: NASA

В своей базовой форме двигатель MPD имеет два металлических электрода: центральный катод в форме стержня и цилиндрический анод, который окружает катод. Как и в дуговой сварке, между анодом и катодом зажигается сильноточная электрическая дуга. Когда катод нагревается, он испускает электроны, которые сталкиваются с газом-вытеснителем и ионизируют его, создавая плазму. Магнитное поле создается электрическим током, возвращающимся к источнику питания через катод, точно так же, как магнитное поле, создаваемое при прохождении электрического тока по проводу. Это самоиндуцируемое магнитное поле взаимодействует с электрическим током, текущим от анода к катоду (через плазму), создавая электромагнитную силу (лоренцевскую), которая выталкивает плазму из двигателя, создавая тягу. Внешняя магнитная катушка также может использоваться для создания дополнительных магнитных полей, помогающих стабилизировать и ускорить плазменный разряд.

MPD Прошлое

Мощные двигатели MPD, первоначально исследованные в 1960-х годах и периодически финансируемые в течение последних нескольких десятилетий, медленно, но неуклонно улучшали свои характеристики. Были исследованы различные геометрии двигателей с использованием различных типов газовых ракетных двигателей, при этом наиболее эффективные характеристики на сегодняшний день обеспечиваются парами лития. Литиевые двигатели MPD, разработанные в России, работают на уровне мощности 100 киловатт, с эффективностью до 45 процентов и скоростью выпуска плазмы, приближающейся к 50 000 метров в секунду (более 100 000 миль в час (миль в час)). В США в Лаборатории реактивного движения НАСА и Принстонском университете были созданы объекты для исследования двигателей MPD с питанием от лития. Испытательные установки на основе водорода были созданы в Исследовательском центре Гленна НАСА.

Текущие исследования

Изображение слева: двигатель MPD мощностью 200 киловатт. Предоставлено: NASA

НАСА в настоящее время исследует как импульсные, так и непрерывные формы MPD с водородом или литием в качестве топлива. Хотя литий привлекателен с точки зрения эффективности, он является конденсируемым топливом и может покрывать поверхности космических аппаратов и силовые установки. Двигатели MPD, использующие неконденсируемое водородное топливо, устранят эти проблемы и обеспечат более высокие скорости выхлопа, чем двигатели, работающие на литиевом топливе. В настоящее время Гленн разрабатывает технологию двигателей MPD с высоким удельным импульсом мегаваттного класса, работающих на водороде. Исследования в Glenn включают в себя сочетание системного анализа, численного моделирования и экспериментов с большой мощностью, в которых исследуются импульсные версии двигателей MPD как с собственным, так и с приложенным полем. Испытания этих двигателей показали скорость выхлопа 100 000 метров в секунду (более 200 000 миль в час) и уровень тяги 100 ньютонов (22,5 фунта) при мощности 1 мегаватт. В перспективе эта скорость истечения позволит космическому кораблю двигаться примерно в 11 раз больше максимальной скорости космического челнока (18 000 миль в час).

Использование в будущем

Будущие полеты мощных роботов и пилотируемых космических планет потребуют скорости выхлопа, приближающейся к 100 000 метров в секунду (более 200 000 миль в час). Эти более высокие скорости могут быть достигнуты с помощью неконденсируемой водородной плазмы, которая в настоящее время исследуется в NASA Glenn. По мере продолжения исследований эффективность двигателя MPD будет повышаться, что позволит выполнять миссии с уменьшенными требованиями к топливу или с увеличенной дальностью полета. Более высокие скорости истечения и уровни тяги приведут к сокращению времени полета и снижению стоимости миссии, что особенно полезно для грузовых и пилотируемых миссий. По мере того, как в космосе станет доступно большое количество энергии, двигатели MPD могут стать методом движения, который доставит людей на другие планеты в нашей Солнечной системе.

FS-2004-11-022-GRC

[Версия PDF для печати]

За дополнительной информацией обращайтесь

Eric Pencil
NASA Glenn Research Center
Cleveland, Ohio 44135
Эл. –433–5573

Магнитоплазмодинамические (MPD) двигатели – Beyond NERVA

Соавтор: Роланд А. Габриэлли, IRS

Концепция двигателя MPD с собственным полем, изображение предоставлено НАСА

Магнитоплазмодинамические двигатели представляют собой высокопроизводительную концепцию электрического двигателя; и, как таковые, предлагают больший потенциал тяги, чем электростатические двигатели, которые мы рассмотрим в следующем сообщении в блоге. Они также, как правило, имеют более высокие требования к мощности. Поэтому они до сих пор не использовались в качестве специализированного двигателя на действующих космических аппаратах, хотя с 1960-х годов они исследуются в СССР, США, Западной Германии, Италии и Японии. Лишь несколько демонстраторов летали как на российских, так и на японских экспериментальных спутниках. Они остаются привлекательным и экономичным вариантом для электрических двигателей большой тяги, включая транспортные двигатели для Марса.

Мы обсудили электрические двигатели, которые в основном являются тепловыми двигателями: топливо поступает в реакционную камеру, накапливает тепло и расширяется через сопло. Это относится как к VASIMR, резистореактивным двигателям, двигателям на основе индукционных генераторов плазмы, так и к дуговым реактивным двигателям. Тем не менее, VASIMR вводит другой набор физики для двигателей, магнитогидродинамику (МГД). Этот термин обозначает использование жидкостей (отсюда «гидро») с силами (отсюда «динамическими»), возникающими из магнитных полей (отсюда «магнето»). Чтобы эффективно использовать магнитные силы, жидкость должна быть восприимчива к ним, а ее частицы должны быть каким-то образом электрически полярны или даже заряжены. Последний случай, плазма, является наиболее распространенным в электрических двигателях.

Поскольку характеристики плазмы не играли жизненно важной роли в принципах работы предыдущих термоэлектрических двигателей, мы должны кратко обсудить концепцию. Энергия плазмы настолько высока, что электроны больше не связаны со своими атомами, которые затем становятся ионами. И электроны, и ионы представляют собой заряженные частицы, кружащиеся в общем облаке — плазме. Несмотря на то, что плазма нейтральна снаружи из-за того, что содержит такое же количество отрицательных, как и положительных зарядов, плазма взаимодействует с магнитными полями. Эти магнитогидродинамические взаимодействия проявляются в различных приложениях, начиная от генераторов энергии наземных электростанций и заканчивая магнитными плазменными баллонами.

В VASIMR эти силы отталкивают горячую плазму от стенок, защищая как стены от разрушающих тепловых нагрузок, так и плазму от охлаждения настолько быстро, что теряется тяга. Это позволяет VASIMR иметь очень горячую среду для расширения. Хотя это ставит VASIMR в ряд МГД-двигателей, он еще не был бы настоящим «плазменным двигателем», если бы не магнитное сопло, добавляющее электромагнитные компоненты к силам, создающим тягу. Среди этих составляющих наиболее важной является сила Лоренца, возникающая при движении заряженной частицы через магнитное поле. Сила Лоренца направлена ​​под прямым углом как к линии локального магнитного поля, так и к траектории частицы.

Существуют две основные характеристики двигателя MPD:

1. Плазма составляет существенную часть среды, которая придает значительную интегральную силу Лоренца,
2. интегральная сила Лоренца вносит существенный вклад в направлении выпуска.

Электромагнитный вклад является реальным отличием от предыдущих тепловых подходов, поскольку кинетическая энергия струи получается не только за счет ненаправленного нагрева, но и за счет очень направленного ускорения. Чем сильнее электрический разряд и чем мощнее магнитное поле, тем больше ускоряется порох, следовательно, тем больше увеличивается скорость истечения. Помимо силы Лоренца, существуют также незначительные электромагнитные эффекты, такие как «вихрь» и ускорение Холла (которые будут рассмотрены в следующем сообщении в блоге), но определяющим электромагнитным вкладом двигателей MPD является сила Лоренца. Поскольку последнее относится к плазме, этот тип двигателей называется магнитоплазмодинамическими (MPD) двигателями.

Вклад силы Лоренца также заключается в том, как работают магнитные сопла: задействованные силы можно разделить на три части: вдоль оси двигателя, в направлении оси двигателя и под прямым углом к ​​ним обеим вокруг оси. Первая часть увеличивает тягу, вторая толкает плазму к центру, третья создает эффект закручивания, и обе способствуют тяге, расширяя дугу до радиальной симметрии.

Плазменный шлейф Х-16 с аргоновым топливом, МКС УСТАТТ

Существуют различные способы создания двигателей MPD с различными видами топлива, геометрией, методами генерации плазмы и магнитного поля и режимами работы, стационарными или импульсными. Фактический дизайн зависит в основном от доступной мощности. Ядром наиболее распространенной архитектуры стационарных двигателей MPD является генератор дуговой плазмы, что делает двигатели MPD довольно похожими на тепловые дуговые реактивные двигатели. Но это только на первый взгляд, так как на самом деле вы можете создавать двигатели MPD почти полностью без теплового вклада в тягу, о чем свидетельствует X-16 Немецкого аэрокосмического центра (DLR) или двигатель PEGASUS, который мы рассмотрим позже. в этом посте.

Эти типы двигателей (технически известные как стационарные двигатели MPD с генерацией дуги) наиболее заметно различаются способом генерации магнитного поля: магниты или катушка Гельмгольца, расположенная вокруг струи.

Обратите внимание, что подруливающие устройства AF-MPD на основе дуговых генераторов также испытывают (в незначительной степени) эффекты собственного поля. Схема подруливающего устройства SF-MPD показана ниже, иллюстрируя концептуальные различия между дугогасительными двигателями и двигателями MPD (верхняя половина — это MPD, нижняя половина — дугогасительный двигатель, обратите внимание на разницу в длине тяги и размере сопла). Наиболее важным отличием является контакт дуги с анодом. В то время как очень длинная дуга нежелательна в дуговых реактивных двигателях (по очень важным конструктивным причинам, на которые у нас нет времени вдаваться), в двигателе MPD это имеет решающее значение для обеспечения двигателя достаточной силой Лоренца. Более того, чем длиннее наклонный участок дуги, тем больше силы Лоренца будет направлено из двигателя. Этот эффект означает, что относительно большие диаметры анодов являются нормой для двигателей MPD этого типа. Таким образом, простые дуговые реактивные двигатели и другие электротермические двигатели имеют тенденцию быть более тонкими, чем большинство двигателей MPD на основе дуги. Однако диаметр анода не может быть слишком большим, так как дуга будет иметь большее сопротивление с увеличением длины, что влечет за собой все большие и большие потери энергии.

Схема, противопоставляющая двигатель SF-MPD над осью, обозначенной штрихпунктиром, и простой Arcjet внизу (Институт космических систем, USTUTT). F: тяга, ce: скорость истечения, m: массовый расход топлива (подача). Обратите внимание, как дуга выходит далеко за пределы сопла. Пунктирные линии j обозначают ток в дуге двигателя MPD, а жирные линии B — индуцированное магнитное поле. Его окружность будет находиться в плоскости, вертикальной к оси двигателя. Тонкие стрелки показывают локальное направление обеих линий. Именно к этим стрелкам перпендикулярна сила Лоренца FLor.

В двигателях MPD со стационарной дугой выбор топлива в основном диктуется легкостью ионизации, которая имеет тенденцию быть более важной, чем молярная масса, что и обуславливает предпочтение водорода в тепловых двигателях. Этот сдвиг тем заметнее, чем больше вклад силы Лоренца перевешивает тепловой вклад. Следовательно, многие эксперименты MPD на основе дуги проводятся с благородными газами, такими как гелий или неон; в то время как ксенон часто обсуждается в чистой разработке, его редко рассматривают для миссий из-за его стоимости. Таким образом, наиболее важным инертным газом для MPD является аргон. Другими легко ионизируемыми веществами являются жидкие щелочные металлы, обычно литий, который обеспечивает очень хорошую эффективность. Однако сложная система подачи топлива и опасность отложений в этом случае является серьезным недостатком. Тем не менее, по-прежнему существует очень большое поле для использования водорода или аммиака в качестве пропеллентов.

Основным фактором, ограничивающим срок службы дугового МУРЗ, является срок службы катода и, в меньшей степени, срока службы анода. Они будут разрушаться со временем, что вызвано плазменной дугой. Дуга будет грызть металлы за счет эмиссии электронов, сублимации и других механизмов. В зависимости от качества конструкции и материала, это будет значительным после нескольких сотен часов работы или десятков тысяч. Продление их срока службы является сложной задачей, поскольку поведение плазмы будет меняться в зависимости от ряда факторов, определяемых плазмой и рассматриваемой системой. Чтобы добавить сложности, геометрия электродов, затронутая эрозией, является одной из них. Из-за этого некоторые конструкции имеют легко заменяемые катоды, другие (например, Pegasus, о котором мы расскажем ниже) просто заменяют привод: первоначальная конструкция для SEI, для которой был предложен Pegasus, на самом деле имела 9 катодов.0099 семь двигателей на борту, работают последовательно по мере износа катода на каждом из них.

AF-MPD – Вариант с меньшей мощностью

Японская концепция AF-MPD с постоянным магнитом 0,1 Тл собственное поле. В нижней части шкалы мощности это определенно нарушает принцип двигателя MPD. Из-за этого в системах с низким энергопотреблением для создания магнитного поля требуется внешний магнит, поэтому он называется 9.0099 прикладное поле MPD. Как правило, эти системы колеблются от 50 до 500 кВт электроэнергии, хотя это далеко не жесткий предел. Преимущество двигателей MPD с прикладным полем по сравнению с типами двигателей с собственным полем (подробнее о собственном поле позже) заключается в том, что магнитными полями можно управлять независимо от количества заряда, проходящего через катод и анод, что может означать более длительный срок службы компонентов для подруливающее устройство. Существует два основных подхода к обеспечению внешнего поля: первый — это кольцо постоянного магнита вокруг объема, занимаемого дугой; второй — размещение вместо этого катушки Гельмгольца (электромагнит, катушка которого наматывается вокруг продольной оси двигателя, иногда с использованием сверхпроводников). В нижней части диапазона мощности постоянный магнит может быть лучшим вариантом, потому что он не потребляет то немногое электричество, которое у вас есть, в то время как электромагниты более интересны в верхней части.

Все эти решения требуют охлаждения, и требования тем важнее, чем мощнее магнит. Это охлаждение может быть достигнуто пассивно в нижней части диапазона мощности (при достаточном свободном объеме). Для среднего уровня мощности само холодное топливо может обеспечить охлаждение до того, как оно будет работать рядом с горячим анодом и попадет в генератор плазмы. Использование холодного топлива для охлаждения двигателей называется регенеративным охлаждением (основа современных химических и ядерных тепловых двигателей). Наиболее эффективные магниты для AF-MPD, сверхпроводящие катушки, должны быть доведены до действительно низких температур, и для этого, как правило, требуется дополнительный вторичный цикл охлаждения, включая собственную систему охлаждения с насосами, компрессорами и радиаторами.

Недавняя разработка Института космических систем в Штутгарте: предварительные эксперименты с SX 3. Внешний фланец закрывает катушку Гельмгольца.

Преимущество электромагнитов в том, что можно настроить силу поля в определенном диапазоне. Если катушка со временем изнашивается, через нее может прокачиваться больше электричества (и охлаждающей жидкости из-за повышенного электрического сопротивления). Это не вариант для постоянного магнита. Однако оборудование для генерации магнитного поля является одним из компонентов, ограничивающих срок службы двигателя этого типа, поэтому его стоит рассмотреть.

На самом деле нет предела мощности, которую вы используете в двигателе MPD с прикладным полем, и особенно с катушкой Гельмгольца вы теоретически можете настроить свою систему привода рядом интересных способов, например, увеличить силу сжатия плазмы. больше, если есть поток с меньшей массой. Однако что-то происходит, когда плазма получает достаточно заряда, проходящего через нее: неизбежный вклад собственного поля увеличивается. . Помимо увеличения сложности определения топологии поля, собственное поле является преимуществом. При достаточной мощности можно обойтись без катушки или магнитов, что делает систему легче, проще и менее чувствительной к температуре. Вот почему в большинстве очень мощных систем используется MPD с собственным полем.

Прежде чем мы рассмотрим эту концепцию в следующем подразделе, давайте взглянем на текущие разработки по всему миру. В таблице ## приведены несколько интересных двигателей AF-MPD, как рабочие параметры тяги F, скорость истечения c_e, эффективность тяги η_T, электрическая (подача) мощность P_e и реактивная мощность P_T, так и конструкция, такая как радиус анода r_A, радиус катода r_C, ток дуги I, магнитное поле B и топливо. Недавняя разработка двигателя AF-MPD проводилась Майерсом в США, МАИ (Московским авиационным институтом) в России, Токийским университетом в Японии и SX 3 в Германии в Институте космических систем в Штутгарте. Типы Х 9и X 16 в таблице ## являются наследием IRS от Немецкого аэрокосмического центра (X 9, X 16).

Расчетные параметры и данные экспериментальных характеристик различных двигателей AF-MPD со всего мира. Gabrielli 2018

Визуальный шлейф SX 3 в Институте космических систем, Штутгарт. Российский литиевый двигатель AF-MPD мощностью 100 кВт.

MPD Self-Field: когда мощность не проблема

В предыдущем разделе мы рассмотрели двигатели MPD малой и средней мощности. На этих уровнях мощности необходимо было приложить внешнее поле, чтобы гарантировать, что достаточно мощное магнитное поле приложено к плазме для создания силы Лоренца. Несмотря на то, что этого было недостаточно, чтобы придать достаточную тягу, всегда был вклад собственного поля, хотя и слабый, почти незначительный. Причиной вклада собственного поля является индукция магнитного поля вокруг дуги из-за переносимого тока. Вы можете получить представление о направлении магнитного поля с помощью «правила правого кулака», сомкнув правый кулак вокруг генерирующего тока, при этом большой палец должен быть направлен к катоду. Затем ваши пальцы согнутся в направлении магнитного поля. Чтобы определить направление силы Лоренца, все, что вам нужно сделать на следующем шаге, — снова выровнять правую руку. На этот раз ваш большой палец должен указывать в направлении магнитного поля, а указательный палец — под прямым углом — в направлении тока. Под прямым углом к ​​обоим пальцам средний палец будет указывать в направлении силы Лоренца. (Обратите внимание, что вы также можете использовать последнее правило трех пальцев для изучения ускорения в двигателях AF-MPD.)

Сила наведенного собственного поля будет зависеть от тока. Чем сильнее ток, тем сильнее будет магнитное поле и, в свою очередь, ускорение Лоренца. Как следствие, при достаточном токе собственное поле будет достаточно эффективным, чтобы обеспечить приличное ускорение Лоренца.

Ток зависит от доступной электроэнергии, подаваемой в генератор дуги, что делает приложенное поле устаревшим, начиная с определенных уровней мощности. Это уменьшает сложности, возникающие при использовании внешнего магнита, и обеспечивает хорошую эффективность и привлекательные рабочие параметры. Например, при 300 кВтэ и токе дуги почти 5 кА (по сравнению с токами AF-MPD в диапазоне от 50 А до 2 кА) DT2, двигатель SF-MPD, разработанный в Институте космических систем в Штутгарте, может обеспечить тяга примерно 10 Н при скорости истечения 12 км/с с эффективностью тяги 20 %. Возможности производительности заставляют многих людей рассматривать эту технологию как ключевую технологию для быстрого межпланетного транспорта, рассчитанного на человека, в частности, на Марс. В этом случае подруливающие устройства SF-MPD могут даже конкурировать с VASIMR, учитывая возможные недостатки в эффективности при значительно более простой конструкции и, следовательно, гораздо меньшей стоимости. Однако из-за отсутствия современных астрономических источников достаточной мощности развитие находится в застое и ожидает сбоев со стороны источников энергии.

DT 2 в эксплуатации в Институте космических систем, Штутгарт.

Упрощенная модель ДТ 2. Конструкция МКС УТУТТ, изображение BeyondNERVA

Еще один пример «типичного» применения мощного двигателя MPD с собственным полем (поскольку, как и для всех типов электрореактивных двигателей, мощность, подаваемая на двигатель, определяет эксплуатационные параметры) можно увидеть в приводе PEGASUS, электрической силовой установке, разработанной для Инициативы по исследованию космоса (SEI) для миссии с электрическим двигателем на Марс. Целенаправленные исследования этой концепции начались в середине 19 в.80-х годов и предназначался для миссии в конце 1990-х — начале 2000-х годов, но финансирование SEI было прекращено, и с тех пор разработка была приостановлена. Возможно, наиболее примечательной является форма, которая довольно типична для сопел, разработанных для концепции, которую мы кратко обсуждали ранее в посте: извилистая кривизна профиля сопла предназначена для минимизации количества теплового нагрева, происходящего внутри плазмы, поэтому, если сопло имеет такую ​​форму, это означает, что тепловой вклад в тягу не только не нужен, но и вреден для работы двигателя.

Схема приводной системы PEGASUS, Coomes et al. 1993

В этой конструкции был использован ряд новых технологий, поэтому мы рассмотрим ее еще пару раз в этой серии статей: сначала для двигателя, затем для его системы преобразования энергии и, наконец, для его системы отвода тепла.

Подруливающее устройство PEGASUS MPD, Coomes et al.

Импульсные индуктивные подруливающие устройства

Импульсные индуктивные подруливающие устройства (PIT) — тип подруливающего устройства, который имеет много преимуществ по сравнению с другими подруливающими устройствами MPD. Двигателям не нужен электрод, который является одной из основных причин износа большинства подруливающих устройств, и они также способны поддерживать свой удельный импульс в широком диапазоне уровней мощности. Это связано с тем, что двигатель не является стационарным двигателем, как многие другие типы двигателей, которые обычно используются; вместо этого газообразный пропеллент распыляется короткими струями на плоскую индукционную катушку, которая затем в течение очень короткого периода времени разряжается из батареи конденсаторов (обычно в диапазоне наносекунд), вызывая ионизацию газа, а затем ускоряется за счет силы Лоренца. . Частота импульсов зависит от времени, необходимого для зарядки конденсаторов, поэтому чем больше доступной мощности, тем быстрее разрядятся импульсы. Это напрямую влияет на величину тяги, доступной от двигателя, но, поскольку выбросы и объем газа одинаковы, приложенная сила Лоренца — и, следовательно, скорость истечения топлива и исп — остаются прежними. Еще одним преимуществом индукционной генерации плазмы является широкий спектр доступных пропеллентов, от воды до аммиака и гидразина, что делает его привлекательным для возможного использования в качестве топлива на месте с минимальной обработкой. Фактически, одно предложение Курта Ползина из Marshall SFC использует марсианскую атмосферу в качестве топлива, что значительно упрощает дозаправку межпланетного космического корабля, направляющегося к Марсу.

Схема работы PIT. Изображение слева — поток газа, изображение справа — магнитные поля. Frisbee, 2005

Это придает системе большую гибкость, особенно для межпланетных миссий, потому что дополнительная тяга имеет явные преимущества при выходе из гравитационного колодца (например, на околоземной орбите) или при захвате орбиты, но не является необходимой для «круизного полета». этап межпланетных полетов. Еще одна приятная вещь заключается в том, что для миссий с ограниченной мощностью многие типы двигателей имеют различный удельный импульс и, следовательно, количество топлива, необходимого для миссии, в зависимости от количества энергии, доступной для движения, в сочетании с другими требованиями к электроэнергии. , такие как датчики и средства связи. Для PIT это просто означает меньшую тягу в единицу времени, а ISP остается прежним. Это не обязательно большое преимущество для всех типов миссий, но для некоторых это может быть существенным преимуществом.

PIT был одним из предложенных типов двигателей для проекта Prometheus (в котором использовалась система HiPEP, которую мы обсудим в следующем блоге), известной как NuPIT. Этот двигатель обеспечивал КПД тяги более 70% и ISP от 2000 до 9000 секунд, в зависимости от конкретной конструкции, которая была выбрана (ISP останется постоянным для любого выбранного значения), с использованием атомной электростанции мощностью 200 кВт. (что находится на нижнем уровне того, что использовала бы миссия NEP с экипажем), с аммиачным топливом. Можно было выбрать и другие виды топлива, но они по-разному повлияли бы на работу двигателя. Преимущество PIT, однако, заключается в том, что его выбор топлива намного шире, чем у большинства других типов двигателей, даже у тепловых ракет, потому что, если есть химическая диссоциация (которая в определенной степени происходит в большинстве видов топлива), все, что может стать У твердого тела на самом деле нет поверхности для эффективного осаждения, и то небольшое количество остатков, которое накапливается, находится на плоской поверхности, функциональность которой не зависит от теплопроводности или размера отверстия, это просто пластина для удерживания индукционной катушки.

Характеристики импульсного индуктивного двигателя NuPIT, Frisbee 2005

Для подхода к топливу, основанного на принципе «жизни за счет земли», двигатели PIT предлагают много преимуществ в их гибкости (при условии замены газового диффузора, используемого для газовых импульсов), предсказуемости (и довольно высокой) удельный импульс и переменная тяга. Это делает их невероятно привлекательными для многих типов миссий. По мере появления более мощных электрических систем они могут стать популярным вариантом для многих миссий.

Эта страница будет обновляться и расширяться по мере того, как позволит время и информация!

Вернуться на главную страницу Electric Propulsion. Applied Field MPD

Applied-Field MPD Thruster Geometry Effects, Myers Sverdup 1991 https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19910017903.pdf

Performance of an Applied Field MPD Thruster, Пагануччи и др., 2001 г. Майер Т., Габриэлли Р. А., Боксбергер А., Хердрич Г. и Петков Д.: «Разработка моделей аналитического масштабирования для прикладных полевых магнитоплазмодинамических двигателей», 64-й Международный астронавтический конгресс, Международная астронавтическая федерация, Пекин, Сентябрь 2013.

Майерс, Р. М., «Геометрическое масштабирование магнитоплазмодинамических двигателей с прикладным полем», Journal of Propulsion and Power, Vol. 11, № 2, 1995, стр. 343–350.

Тихонов В. Б., Семенихин С. А., Брофи Дж. Р. и Полк Дж. Э., «Характеристики двигателя MPD мощностью 130 кВт с внешним магнитным полем и литием в качестве топлива», Международная конференция по электрическим двигателям, IEPC 97-117, Кливленд, Огайо, 1997 г. , стр. 728-733.

Боксбергер А. и др.. «Экспериментальное исследование стационарных магнитоплазмодинамических двигателей с приложенным полем в Институте космических систем», 48-я совместная конференция и выставка по двигателям AIAA/ASME/SAE/ASEE, Атланта, Джорджия, 2012 г.

Боксбергер А. и Г. Хердрич. «Интегральные измерения стационарного магнитоплазмодинамического двигателя с приложенным полем класса 100 кВт SX3 и перспективы технологии AF-MPD». 35-я Международная конференция по электродвигателям. 2017.

Pegasus Drive

Pegasus Drive: ядерная электрическая двигательная установка для инициативы по исследованию космоса; Coomes and Dagle, PNL 1990 https://www.