Содержание
Межзвёздные путешествия и ракетные двигатели будущего // Смотрим
Тема: Межзвёздные путешествия и ракетные двигатели будущего // Смотрим
Профиль
Компьютерная безопасность
Здоровье
Спецоперация России
Коронавирус
Главные события
Фильм «Непослушник»
Футбольный World Cup-2022
Суррогатное материнство
Новые территории
Новинки автопрома
Весь эфир
Авто-геолокация
Александр Дмитриев — Космические двигатели будущего читать онлайн
12 3 4 5 6 7 .
..20
А. С. Дмитриев, кандидат физико-математических наук
В. А. Кошелев
КОСМИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ БУДУЩЕГО
ВВЕДЕНИЕ
Два с половиной десятка лет отделяют нас от 4 октября 1957 г., которому суждено было разделить историю человечества на две эпохи: докосмическую и космическую. За это время родилось и выросло поколение, которое первичные знания о космосе приобрело не из романа Жюль Верна, а из почти ежедневных сообщений телеграфных агентств, телерепортажей и кинохроники. Космосом сегодня в той или иной степени «занимаются» сотни тысяч людей в лабораториях, научных центрах, конструкторских бюро, заводах и фабриках. Он давно перестал быть сенсацией, но стал очень нужным. Пилотируемые аппараты, космические средства связи, метеорологические спутники и навигационные системы в значительной степени определяют облик нашего времени.
Вместе с тем не зря дороги космоса называют крутыми.
Не все на них происходит так, как этого бы хотелось. Радикально изменились за прошедшие два с половиной десятилетия представления о первоочередных задачах освоения космического пространства. Почти очевидная не только для любителей, фантастов, но и для специалистов «магистральная» линия развития космонавтики «Луна — Марс — далее везде» значительно трансформировалась с учетом потребностей и возможностей общества. Ряд проектов, как, например, полет человека на Марс, оказались на грани технически реализуемых при современном уровне развития космической техники и в то же время за гранью экономически допустимых на эти цели затрат.[1]
Сам факт отказа от дальнейшего следования по «магистральному» пути показывает, что космос и космическая индустрия превратились в весьма существенный не только эмоциональный и политический, но и экономический фактор. Дальнейшее увеличение затрат становится оправданным только в том случае, если от вложенных средств можно будет ожидать отдачи, покрывающей значительную часть вложений.
Требование экономической окупаемости космических программ на этом новом этапе в значительной степени определяет пути развития космонавтики в целом.
В данной брошюре сделана попытка представить себе возможные пути развития космических двигательных систем завтрашнего дня. Естественно, в таком сложном и трудном деле, как создание космических средств, всегда существуют многочисленные варианты решения одной и той же задачи. Кроме того, арсенал технических идей и возможностей постоянно пополняется, и многие из новых могут оказаться в чем-то лучше тех, которые известны сегодня. Поэтому тех из читателей, которые хотели бы получить ясный ответ на вопрос, какими же двигателями будут оснащены космические аппараты, скажем, через 30–50 лет, возможно ждет разочарование. В брошюре не содержится однозначного ответа на этот вопрос, да и вряд ли он вообще возможен. Здесь рассматривается ряд традиционных и новых идей и проектов в области космических двигателей, их возможности и соответствие тем задачам, которые по сегодняшним представлениям станут наиболее актуальными в не очень отдаленной перспективе.
С точки зрения перспектив космического двигателестроения основные направления развития космической техники условно можно разбить на четыре группы.
1. Организация больших грузопотоков (десятки и сотни тысяч тонн в год) с поверхности Земли на низкие орбиты. В настоящее время эти грузопотоки примерно в 10 раз меньше. Значительное увеличение грузопотоков необходимо как для решения принципиально новых задач (в частности, для создания космических технологических производств и энергетических систем), так и для обеспечения продолжения исследований в дальнем космосе.
2. Транспортировка крупногабаритных грузов с низких орбит на высокие и обратно, транспортировка аналогичных грузов с околоземной орбиты к Луне. Для большинства задач вывод космического аппарата на опорную орбиту является промежуточным этапом. Спутники связи, упомянутые энергетические системы и многие другие космические средства должны располагаться на высоких орбитах. Поэтому растет потребность в экономичных средствах для межорбитальных перелетов.
3. Быстрые межпланетные перелеты.
4. Создание космических аппаратов для полетов вне Солнечной системы, запуск космических аппаратов к ближайшим звездам.
В целях систематизации рассматриваемые в брошюре космические двигатели условно разбиты на три группы: 1) автономные, характеризующиеся тем, что источник энергии и рабочее тело у них находятся на борту; 2) двигательные системы с внешними источниками энергии и 3) двигательные системы, использующие в качестве рабочего тела внешние источники массы.
В первую группу входят жидкостные и другие химические ракетные двигатели, ядерные и термоядерные двигатели, во вторую — космические двигатели, использующие для ускорения рабочего тела энергию лазеров или сверхвысокочастотных генераторов, расположенных вне космического аппарата, а также двигатели, в той или иной форме использующие энергию Солнца. Наконец, к третьей группе относятся двигатели, в которых в качестве рабочего тела используется атмосфера, межпланетная среда, горные породы планет и астероидов.
АВТОНОМНЫЕ ДВИГАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
Возможности автономных двигательных систем. Роль ракетного двигателя заключается в преобразовании какого-либо вида энергии в кинетическую энергию ракеты. В соответствии с известным принципом реактивного движения это преобразование может быть реализовано путем отбрасывания вспомогательной массы, т. е. путем сообщения рабочему телу двигателя некоторой скорости. Таким образом, любая двигательная система должна включать в себя источник энергий, источник отбрасываемой массы (рабочее тело двигателя) и собственно двигатель — устройство, в котором энергия источника преобразуется в кинетическую энергию рабочего тела.
В некоторых схемах двигателей источник энергии и рабочее тело могут быть совмещены. Например, в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) энергия выделяется за счет химической реакции компонентов рабочего тела. Если же источник энергии и рабочее тело располагаются на борту ракеты, то такие двигательные системы называются автономными.
Из закона сохранения энергии следует, что минимальный се запас на борту ракеты должен равняться сумме кинетической энергии полезного груза и работы, затрачиваемой на преодоление силы тяжести и сопротивления воздуха при старте ракеты с поверхности Земли. Например, затраты на вывод массы 1 кг при запуске искусственного спутника на орбиту высотой 300 км составляют 4,5 · 107 Дж.
Читать дальше
12 3 4 5 6 7 …20
Будущее дизайна двигателей внутреннего сгорания: тенденции 2022 года
Изобретение двигателя внутреннего сгорания (ДВС) стало благом для транспорта, эффективности и всего, что связано с Америкой. Но по мере того, как технологии интегральных схем устаревают, а заботы об окружающей среде возрастают, на смену им приходят альтернативы.
Как автопроизводители, так и потребители размышляют о будущем производства автомобилей и грузовиков с двигателями внутреннего сгорания и рассматривают , которые заменят существующих моделей.
Обзор того, что привело нас к этому, а также новых проблем эффективности и защиты окружающей среды, которые может помочь решить порошковый металл, — это уроки, которые не должен пропустить ни один OEM-инженер:
Будущее проектирования двигателей внутреннего сгорания
Обратите внимание на эти внешние факторы, которые повлияют на подход инженеров к проектированию двигателей внутреннего сгорания в течение следующего десятилетия:
- Ограничения на выбросы CO₂
- Эффективность двигателя для снижения этих выбросов
- Дизельное топливо по сравнению с традиционным газом
- электромобилей по сравнению с автомобилями с ДВС
- Порошковая металлургия поддерживает переход к экологичности
Откройте изображение в новой вкладке, чтобы увидеть полноразмерную версию этой инфографики:
1. Ограничения на выбросы CO₂
Глобальный углеродный проект сообщил, что мировые выбросы углекислого газа, как ожидается, вырастут на 4,9% в 2021 году, почти вернувшись к рекордным уровням 2019 года.
Выбросы резко упали с 2019 по 2020 год (5,4%), поскольку пандемия COVID практически остановила поездки.
В августе 2021 года Агентство по охране окружающей среды США (EPA) предложило пересмотренные рекомендации по выбросам парниковых газов для легковых и грузовых автомобилей 2023–2026 годов выпуска. Предлагаемые стандарты включают увеличение выбросов на 10% по сравнению с текущими стандартами для автомобилей 2023 модельного года и повышение уровня выбросов на 5% в каждый из следующих 3 лет. Существующие стандарты ежегодно ужесточаются всего на 1,5%.
В то же время EPA объявило о планах по сокращению выбросов загрязняющих веществ от большегрузных автомобилей посредством более строгих правил. Агентство ожидает, что новые правила будут применяться к большегрузным автомобилям, начиная с 2027 модельного года.
Независимо от планов Агентства по охране окружающей среды, политическая и экологическая атмосфера по-прежнему подталкивают к повышению эффективности двигателя внутреннего сгорания больше, чем потребительский спрос.
Независимо от того, согласны ли лично инженеры и руководители с изменениями в воздухе, отрасль неуклонно движется в этом направлении.
2. Как повысить эффективность выбросов двигателей внутреннего сгорания?
Управление по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии сообщает, что производители сократили выбросы загрязняющих веществ более чем на 99% за 30-летний период. Творческие умы добились этого, сохранив или увеличив экономию топлива.
Помимо бензина и дизельного топлива производители изучают другие способы повышения экономии топлива:
- Использование биодизеля
- Использование других альтернативных или возобновляемых видов топлива
- Комбинация двигателей внутреннего сгорания с гибридными электрическими трансмиссиями
3. Дизельные двигатели по сравнению с традиционными бензиновыми двигателями
Когда европейцы перешли с дизельных автомобилей на бензиновые, произошло соответствующее увеличение выбросов углекислого газа.
По неожиданному повороту некоторые из сегодняшних автомобильных стратегий основаны на дизельных двигателях.
Согласно отчетам, многие большие дизельные грузовики производят меньше выбросов CO2, чем некоторые небольшие автомобили, работающие на газе. Совершенствование технологий привело к созданию дизельных двигателей, которые может заправлять небольшие транспортные средства и обеспечивает:
- Увеличенный расход топлива
- Снижение уровня выбросов углерода
- Больший крутящий момент
- Долговечный двигатель
Исследование Мичиганского университета, проведенное в 2021 году (вместе с General Motors), показало, что в потребительских автомобилях 100% возобновляемое дизельное топливо может снизить выбросы углерода. Участвующие инженеры заявили, что биотопливо из возобновляемых углеводородов сократило углеродный след на 80% по сравнению с традиционным нефтяным топливом в дизельных двигателях Chevy Cruze и GMC Sierra, которые они тестировали.
Возможно, дизельное топливо является подходящей заменой, в то время как некоторые части мира (например, США) начинают покупать электромобили?
4. Аккумуляторные электромобили и автомобили с двигателем внутреннего сгорания
Вы знали, что это произойдет. Хотя бензиновые двигатели, похоже, не исчезают полностью, они сталкиваются с жесткой конкуренцией со стороны своих электрических конкурентов.
Даже BMW, член совета директоров которой, отвечающий за развитие, назвал автомобильную электрификацию «переоцененной» в 2019 году., сигнализирует о начале конца. В октябре 2021 года BMW объявила, что к 2024 году прекратит производство двигателей внутреннего сгорания на одном из своих заводов (в Мюнхене). Над головами проэлектрической толпы всегда могла висеть батарея. А именно:
- Размер
- Стоимость
- Долговечность
- Возможность зарядки или ее отсутствие
Тем не менее, по прогнозам, электромобили достигнут ценового паритета с традиционными автомобилями к середине 2022-х годов, поскольку стоимость аккумуляторов для электромобилей резко упадет.
В 2021 году агентство BloombergNEF прогнозировало, что к 2023 году стоимость литий-ионного аккумулятора для электромобиля упадет ниже 100 долларов за кВтч, т. е. примерно на 20%. Эти сокращения, безусловно, происходят быстрее, чем ожидал рынок.
Беспокойство по поводу запаса хода станет меньшей проблемой для электромобилей в будущем. Технологии развиваются, и появляется все больше зарядных станций. «Беспокойство по поводу запаса хода» (страх потребителей, что им негде будет зарядить аккумулятор) по-прежнему остается серьезной проблемой, которую OEM-производителям еще предстоит решить.
5. Порошковая металлургия поддерживает переход к экологичности
Усовершенствованная порошковая металлургия, сильно отличающаяся от порошковой металлургии вашего отца, становится все более важным фактором при проектировании компонентов двигателей.
«Зеленая» технология порошковой металлургии идет рука об руку с будущим экологичных автомобилей. Спеченные магнитомягкие материалы с более высокой плотностью обеспечивают беспрецедентное повышение производительности.
Возможно, вы уже слышали историю о порошковом металле, но эти новые материалы отличаются от материалов стандарта 35, на которые производители полагались десятилетиями.
Стандарт MPIF 35 является отличной базой для производителей порошковой металлургии, но для ваших будущих конструкций статора и ротора могут потребоваться материалы и процессы, превосходящие «стандартные» уровни производительности. В некоторых случаях вы даже можете исключить компонент из сборки, используя порошковый металл.
Современная передовая технология уплотнения может быть немного дороже на начальном этапе, но в долгосрочной перспективе она может значительно сэкономить производителям (и водителям).
Многие компоненты могут быть переведены в порошковый металл. Порошковая металлургия добилась больших успехов в создании мелких деталей для электродвигателей и других автозапчастей по многим причинам:
- Уменьшает вес
- Повышает эффективность электродвигателя, в том числе улучшает магнитные свойства
- Создает детали в форме сетки
- Позволяет использовать передовые материалы и процессы
- Более высокая прочность и твердость
В частности, магнитомягкие композитные материалы прокладывают путь к сверхэффективному электродвигателю.
Порошковая металлургия – это уже не просто стержни и торцевые крышки!
Куда вы пойдете дальше?
Современные услуги порошковой металлургии позволяют плавно перейти от традиционной конструкции двигателя внутреннего сгорания к более эффективным и экологически безопасным двигателям будущего. Достижения в области материалов для ПМ (как вы найдете ниже) и процессов (таких как спекание) сделали это возможным.
Конечно, двигатели внутреннего сгорания еще какое-то время будут существовать. Порошковая металлургия также может способствовать созданию новых или альтернативных конструкций двигателей внутреннего сгорания.
Чтобы узнать, как можно использовать новые материалы и процессы порошковой металлургии для улучшения конструкции и производительности двигателя, посетите наш Центр ресурсов:
Связанные ресурсы
- Прошлое и будущее дизайна автомобильных силовых агрегатов: электромобили, гибриды, ДВС, дизель
- Дизайн автомобильной трансмиссии: крутящий момент + 3 других соображения и тенденции
- 3 Тенденции в производстве автозапчастей: есть ли место порошковому металлу?
(Примечание редактора: эта статья была первоначально опубликована в сентябре 2019 г.
и недавно обновлена.)
По словам представителя Ford, 67% заказов на Maverick 2022 года приходится на стандартный гибридный силовой агрегат. (Форд)
2022-04-12
Ками Буххольц
Цепочка поставок
в краткосрочной перспективе будет выполнять двойную функцию для поддержки гибридных силовых агрегатов и силовых агрегатов с двигателем внутреннего сгорания.
Переход на электрифицированные автомобили в портфолио OEM-производителей продолжается, но двигатели внутреннего сгорания (ДВС) будут продолжать использоваться в миллионах новых автомобилей в течение еще неопределенного периода, по словам высших руководителей силовых агрегатов. «Давайте просто скажем, что к концу десятилетия это будет смесь 50/50 ICE и BEV [аккумуляторных электромобилей]. Но на этот 50-процентный ДВС сильно повлияют гибриды», — сказал Дэвид Филипе, вице-президент по аппаратным модулям транспортных средств в Ford Motor Company, во время панельной сессии «The Future Powertrain-Propulsion Portfolio Challenge» 7 апреля на конференции SAE WCX 2022.
Филипе представил следующую статистику: из заказов, принятых на сегодняшний день на Ford Maverick 2022 года, 67% приходится на стандартную гибридную трансмиссию компактного пикапа, 2,5-литровый 4-цилиндровый двигатель с циклом Аткинсона и мощностью 191 л.с. (142 кВт). в сочетании с электродвигателем. Дополнительным двигателем Maverick является 2,0-литровый бензиновый двигатель EcoBoost мощностью 250 л.с. (186 кВт). Филипе подтвердил, что в будущем Ford выпустит больше гибридов.
Четверть продаж автомобилей Toyota в прошлом году приходилось на электрифицированные автомобили, подавляющее большинство из которых гибриды. Будущее автопроизводителя включает в себя электромобили, гибридные и подключаемые гибридные автомобили, а также электромобили на топливных элементах. «Мы не верим, что универсальный подход сработает», — сказал аудитории SAE Данте Бутелл, вице-президент по разработке силовых агрегатов Toyota North America. «Есть клиенты, у которых есть особые потребности, требующие нескольких технологий и систем».
Ведущие эксперты по силовым агрегатам обсуждают будущее ДВС + электрификации на SAE WCX 2022. Слева направо: модератор и ветеран AVL Рэй Корбин на подиуме; Дэн Николсон из GM; Данте Бутелл из Toyota; Эндрю Клеменс из Denso и Дэйв Филипе из Ford. (Адам Изович/SAE)
Путь General Motors к нулевым выбросам включает 30 новых электромобилей к 2025 году. Автопроизводитель инвестирует 35 миллиардов долларов до 2025 года в свои портфели электромобилей и автономных транспортных средств. «К концу десятилетия мы намерены стать лидером рынка электромобилей на рынке США», — заявил Дэн Николсон, вице-президент GM по глобальной электрификации, управлению, программному обеспечению и электронике. Несмотря на то, что электрифицированные транспортные средства добиваются значительных успехов, Филипе из Ford прогнозирует, что ДВС будут в ходу еще 10, 15, а возможно, и 20 лет. Николсон из GM сказал: «Я не знаю ни одного OEM-производителя, который сделал свой последний двигатель [IC] или закончил с [ICE]».
Поддержка автомобилей с ДВС
Затянувшийся переход от автомобилей с двигателями ДВС к электромобилям делает цепочку поставок очень загруженной. «Рынок для ДВС останется, и база поставщиков будет испытывать трудности из-за разнообразия необходимых технологий», — сказал Эндрю Клеманс, старший вице-президент по экологическим технологиям и руководитель подразделения электрификации в Denso North America.
Переход на электромобили требует баланса с ДВС. Филипе из Ford отметил, что в последнее десятилетие обычные силовые агрегаты обычно обновлялись каждые три-пять лет — «очень быстрый темп обновления технологий», — сказал Филипе. «Мы собираемся замедлить это. Но нам все еще нужно делать обновления, чтобы соответствовать текущим требованиям к выбросам.
По словам Бутелла из Toyota, независимо от того, связаны ли обновления технологии ДВС с соблюдением нормативных требований, с производительностью или с затратами, скорее всего, появятся возможности для коммерциализации и упрощения вещей. «Хотя на электрификацию будет направлено много денег и много рабочей силы, мы все равно должны обращать внимание на двигатели, которые у нас есть на рынке и будут на рынке еще много лет», — сказал он.
Клеменс из Denso сказал, что, хотя поставщики следуют примеру своих OEM-клиентов, «мы должны выбирать и фокусироваться на том, что, по нашему мнению, может принести наибольшую пользу нашим клиентам», — сказал он. Denso «очень сосредоточена» на технологиях электрификации, но «мы не собираемся оставлять наших клиентов без выбора в области ДВС, поэтому мы продолжим поддерживать это», — заявила Клеманс.
Воздействие на рабочую силу
Предоставление технологий для транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания и электрифицированных транспортных средств побудило Denso подготовить свой персонал и распределить ресурсы по различным группам продуктов. «Чтобы мы не застряли в бункерах, мы даем сотрудникам возможность ротации, повышения квалификации, переквалификации, чтобы мы могли перепрофилировать их в этих новых областях, которые будут важны для нашего успеха в будущем.