Что такое удельный импульс ионного двигателя

Магнитоплазменные двигательный посвященные переменный импульс или VASIMR (английский акроним электромагнитного ракетного ускорителя ) представляет собой тип пространственного пропеллент в плазму . Он использует переменные электромагнитные поля и излучение (без электродов ) для нагрева, ионизации и ускорения газа ( водорода , аргона или гелия ).

VASIMR представляет собой универсальное решение, альтернативное двум существующим специализированным системам, которые имеют высокую тягу двигателей и низкий удельный импульс (например, ракетные двигатели для химической тяги ) с одной стороны, и топливо с низкой тягой и высоким удельным импульсом (например, ионные двигатели ) на одной стороне. другой, потому что он может работать в обоих режимах, изменяя свои рабочие параметры в любое время.

Резюме

• 1 принцип
• 2 Текущие и будущие исследования
• 3 Примечания и ссылки
• 4 См. Также
  • 4.1 Связанные статьи
  • 4.2 Внешние ссылки

Принцип

Магнитоплазменная тяга с переменным удельным импульсом имеет особенность использования трех аспектов электрической тяги :

1. нагрев за счет электромагнитной индукции и расширения газа (электротермическая тяга);
2. ионизация и ускорение ионов плазмы в индуцированном электрическом поле (ионное движение);
3. внутреннее удержание плазмы, наведение и управление внешней струей магнитным полем (электромагнитная тяга).

Это сопло с «переменной магнитной геометрией» позволяет изменять удельный импульс и тягу при постоянной мощности , модулируя интенсивность магнитного поля и геометрию силовых линий. Аналогия заключается в сопоставлении этого магнитного сопла с коробкой передач транспортного средства, двигатель которого будет снабжаться топливом с постоянной скоростью.

Текущие и будущие исследования

Теоретическое понятие переменной конкретных импульсов магнито-плазменном двигателе был изобретен в конце 1970 — х годов астронавт и плазмофизика Франклин Чанг-Диас , который первым изучал его в Draper Laboratory Чарльза Старка , а затем в Plasma Fusion Center в MIT и , наконец, ASPL ( Advanced Space Propulsion Laboratory ), основанная для этой цели в г. Декабрь 1993 г. в АО НАСА, имеющем опытный образец.

Несколько университетов и организации вносят свой вклад в программу VASIMR, в дополнение к НАСА: MIT, Техасский университет в Остине, Лос — Аламосской национальной лаборатории , Маршалла Space Flight Center , Rice University , Университет Хьюстона , в Университете штата Мичиган, и Oak Ridge National Лаборатория . Чтобы ускорить разработку и коммерциализацию двигателей VASIMR, Чанг-Диас основал в 2006 году при поддержке НАСА и всех этих организаций компанию AD Astra Rocket , базирующуюся в Хьюстоне , США, и в Гуанакасте в Коста-Рике .

В 2006 году было объявлено, что в 2007 году в Коста-Рике будет построен новый прототип, а эксперименты на борту Международной космической станции запланированы на 2010 и 2011 годы.

Этот прототип, VX-200, был успешно испытан в сентябре 2009 года в вакуумной камере, но испытания на борту МКС должны проводиться только в 2013 году, и их окончательно отложили.

Первые промышленные достижения должны производить удельные импульсы от 1000 до 30 000 секунд (что соответствует скорости выброса от 10 до 300 км / с ) и толчки от 10 до 500 ньютонов . Хотя с помощью VASIMR потенциально могут быть достигнуты очень большие толчки, большой вес систем ионизации и удержания плазмы не позволит использовать его там, где требуется высокое соотношение мощности к массе, например, при взлете с поверхности планет., Высокая гравитация площадь . Тем не менее, прогресс в этой области идет быстрыми темпами: масса электромагнитов уменьшилась в 30 раз по сравнению с первыми экспериментами благодаря сверхпроводящим материалам при высокой критической температуре.

Радиоволны и магнитные поля обеспечиваются источником электроэнергии мощностью в несколько сотен киловатт для прототипов, в идеале — несколько мегаватт для межпланетного космического корабля. В 2008 году таким источником энергии будет деление ядер . С усовершенствованием этих компактных источников энергии предусматривается заменить легкое топливо, такое как водород или гелий, более плотной плазмой из аргона или ксенона (20-тонный сосуд, питающий топливо. VASIMR мощностью 200 МВт, поставил бы Марс всего 39 дней путешествия с Земли ). Расширяя эту идею, и хотя это нереально в краткосрочной перспективе, также теоретически возможно, что концепция VASIMR может однажды вращаться вокруг термоядерной плазмы, которая сама составляет топливо. Подвод тепла от плавления и, следовательно, тяга в этом случае были бы значительно выше по сравнению с электрическим или электромагнитным нагревом.

Удельный импульс

Уде́льный и́мпульс, удельный импульс тяги [1] — показатель эффективности реактивного двигателя или ракетного топлива (топливной пары, рабочего тела). Иногда для реактивных двигателей используется синоним «удельная тяга» (термин имеет и другие значения), при этом удельная тяга применяется обычно во внутренней баллистике, в то время как удельный импульс — во внешней баллистике. Размерность удельного импульса, если известна масса (в кг), есть размерность скорости, в системе единиц СИ это метр в секунду. Если же вместо массы известен вес (в ньютонах) то размерностью удельного импульса является секунда. Удельный импульс топлива, выраженный в секундах, имеет физический смысл максимального времени, в течение которого данное топливо в невесомости может придавать постоянное ускорение в 1 «g» постоянной массе, равной начальной массе топлива, в предположении идеального теоретически возможного двигателя.

Содержание

• 1 Определения
• 2 Сравнение эффективности разных типов двигателей
• 3 См. также
• 4 Примечания
• 5 Ссылки

Определения

Уде́льный и́мпульс — характеристика реактивного двигателя, равная отношению создаваемого им импульса (количества движения) к расходу топлива (обычно массовому, но может соотноситься и, например, с весом или объёмом топлива). Чем больше удельный импульс, тем меньше топлива надо потратить, чтобы получить определённое количество движения. Теоретически удельный импульс равен скорости истечения продуктов сгорания, фактически может от неё отличаться. Поэтому удельный импульс называют также эффективной (или эквивалентной) скоростью истечения продуктов сгорания.

Уде́льная тя́га — характеристика реактивного двигателя, равная отношению создаваемой им тяги к массовому расходу топлива. Измеряется в метрах в секунду (м/с = Н·с/кг = кгс·с/т.е.м.) и означает, в данной размерности, сколько секунд данный двигатель сможет создавать тягу в 1 Н, истратив при этом 1 кг топлива (или тягу в 1 кгс, истратив при этом 1 т.е.м. топлива). При другом толковании удельная тяга равна отношению тяги к весовому расходу топлива; в этом случае она измеряется в секундах (с = Н·с/Н = кгс·с/кгс) — это значение можно рассматривать как время, в течение которого двигатель может развивать тягу в 1 кгc, используя массу топлива в 1 кг (то есть весом 1 кгс). Для перевода весовой удельной тяги в массовую её надо умножить на ускорение свободного падения (принимаемое равным 9,80665 м/с² [2] ) [комм. 1] .

Формула приближённого расчёта удельного импульса (эффективной скорости истечения) для реактивных двигателей на химическом топливе выглядит так:

I y = 16 641 ⋅ T k u M ⋅ ( 1 − p a p k M ) , =>>>cdot left(1->>>>Mright)>>,>

где T_k — температура газа в камере сгорания (разложения); p_k — давление газа в камере сгорания; p_a — давление газа на выходе из сопла; М — молекулярная масса газа в камере сгорания (средняя молекулярная масса всех газообразных продуктов сгорания, с учётом концентрации каждого с размерностью гр/моль); u — коэффициент, характеризующий теплофизические свойства газа в камере (обычно u ≈ 15 ). Как видно из формулы в первом приближении, чем выше температура газа, чем меньше его молекулярная масса истекающих газов, чем выше давление в камере сгорания и чем ниже давление в окружающем пространстве, тем выше удельный импульс [3] . Текущую формулу можно брать за основу для расчёта импульса с фиксированной степенью расширения сопла при разных давлениях окружающей среды, то есть для атмосферных двигателей. В случае вакуумных двигателей применяется большая степень расширения сопла, которая позволяет получать увеличение эффективности на 10-20% при тех же внутренних параметрах и давлении на срезе сопла до 10-100 Па. Размерность в вышеприведённой формуле в скобках при отношении давлений не соответствует.

Удельный импульс двигателя имеет разные значения в вакууме и в среде (в частности, в воздухе). Он всегда меньше в среде, чем в пустоте. Удельный импульс равен [4] :

I sp = F thrust m ˙ ⋅ g 0 >=>><>cdot g_<0>>>>

• F — тяга двигателя (в килограмм-силы);
• g o >— ускорение свободного падения на уровне моря,
• m ˙ = d m / d t >=dm/dt>— массовый расход топлива,

Если сила выражена в килограмм-силы то формула принимает вид [2] :

I y ( p ) = F m ˙ = v eff = v a + ( p a − p ) S / m ˙ , (p)=>>=v_>=v_+(p_-p)S/>,>

• v eff >>— эффективная скорость истечения,
• v a — действительная скорость истечения на выходном сечении сопла,
• p a — давление на выходном сечении сопла,
• p — давление невозмущенной окружающей среды,
• S — площадь выходного сечения сопла [2] .

Иногда рассматривают также объёмный удельный импульс I y V = F / V ˙ , =F/>,> определяемый не по массовому, а по объёмному расходу топлива V ˙ = d V / d t . >=dV/dt.> Очевидно, что объёмный удельный импульс связан с массовым удельным импульсом следующим соотношением:

I y V = I y ρ , =I_rho ,>

где ρ — плотность топлива [2] .

Сравнение эффективности разных типов двигателей

Удельный импульс является важным параметром двигателя, характеризующим его эффективность. Эта величина не связана напрямую с энергетической эффективностью топлива и тягой двигателя, например, ионные двигатели имеют очень небольшую тягу, но благодаря высокому удельному импульсу находят применение в качестве маневровых двигателей в космической технике.

Для воздушно-реактивных двигателей (ВРД) величина удельного импульса на порядок выше, чем у химических ракетных двигателей за счёт того, что окислитель и рабочее тело поступают из окружающей среды и их расход не учитывается в формуле расчёта импульса, в которой фигурирует только массовый расход горючего. Однако использование окружающей среды при больших скоростях движения вызывает вырождение ВРД — их удельный импульс падает с ростом скорости. Приведённое в таблице значение соответствует дозвуковым скоростям.

Приведённое значение удельного импульса для жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) соответствует показателям эффективности современных кислородно-водородных ЖРД в вакууме. Наибольшее значение, когда-либо продемонстрированное на практике, было получено с использованием трёхкомпонентной схемы литий/водород/фтор и составляет 542 секунды (5320 м/с), но ей не было найдено практического применения по причине технологических трудностей [5] [6] .

См. также

• Формула Циолковского
• Значения удельного импульса при применении гидразина

Примечания

1. ↑ На языке формул это можно записать следующим образом. Тягу двигателя F можно выразить так: F = v eff ⋅ m ˙ , >cdot >,>, где v eff >>— эффективная скорость истечения реактивной струи (м/с), m ˙ = d m / d t >=dm/dt>— скорость расхода массы топлива (кг/с). Таким образом, удельная тяга, как отношение тяги двигателя к массовому расходу топлива определяется как I m = F m ˙ = v eff =>>=v_>>и измеряется в м/c. Если брать отношение тяги к весовому расходу топлива, то I g = F g m ˙ = v eff g =>>>=>>>>, где g — ускорение свободного падения. Величина g m ˙ >>измеряется в величинах 9,81 кг·м/(с·с²) = кгс/с. Таким образом, если тяга выражена в килограмм-силах, удельная тяга получается в секундах.

I y = 16 641 ⋅ T k u M ⋅ ( 1 − p a p k M ) , =>>>cdot left(1->>>>Mright)>>,>

где: M — средняя молекулярная масса продуктов сгорания выраженная в гр/моль, такая формула не может быть верной.

Оценка статьи:

Загрузка...