Электроракетные двигатели – составная часть космических

ВОЗМОЖНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ КА С ЯЭДУ
 ОЧИСТКА ОКОЛОЗЕМНОГО
ПРСТРАНСТВА ОТ
КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА
Защита Земли от
астероидов и комет
 ДОСТАВКА ТЯЖЕЛЫХ КА НА
ГЕОСТАЦИОНАРНУЮ ОРБИТУ
Полеты к дальним
планетам: Юпитер, Сатурн,
Уран, Нептун
 ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЛУНЫ
Обеспечение
грузового
трафика для
перспективных
космических
задач
 ПИЛОТИРУЕМАЯ ЭКСПЕДИЦИЯ
НА МАРС
Венера
Меркурий
RSO
 ПОЛЕТЫ К :
 ПЛАНЕТАМ СОЛНЕЧНОЙ
СИСТЕМЫ И ИХ СПУТНИКАМ
 ТОЧКАМ ЛАГРАНЖА
 АСТЕРОИДАМ И КОМЕТАМ
Земля
Луна
ГЕО
Точка
Лагранжа
системы
«Земля-Луна”
Пояс астероидов
Марс
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МОЩНЫЕ ЭДК
Транспортно-энергетический модуль на базе ЯЭДУ
Электрическая мощность ………………………………
Тяга ЭРДУ ………………………………………………….
Удельный импульс тяги ЭРДУ ………………………….
Ресурс ………………………………………………………
Источник
энергии
Электроэнергия
до 1 МВт;
̴17.5 Н;
до 70000 м/с;
до 50000 часов.
ЭРДУ
СОЗДАНИЕ ТЯГИ В КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Впервые в мире идея ЭРД была публично
высказана
К.Э.Циолковским
«…с
помощью
электричества можно будет… придавать
громадную
скорость
выбрасываемым
из
реактивного прибора частицам…» в статье
«Исследование
мировых
пространств
реактивными
приборами»,
Вестник
воздухоплавания, № 9, 1912 г.
(Статья была принята к опубликованию много ранее в журнале
«Научное обозрение», № 3, 1903 г., но не была опубликована)
 ФОРМУЛА ЦИОЛКОВСКОГО
M 
V
M
V ХАР = υ ⋅ ln 1  ⇒ Т ~ ХАР
υ
М2
 M2 
V ХАР ≡ ∆V = V2 − V1 - ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКАЯ СКОРОСТЬ
V1 - НАЧАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ
V2 - КОНЕЧНАЯ СКОРОСТЬ КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ
М 1 - НАЧАЛЬНАЯ МАССА КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ
М 2 - КОНЕЧНАЯ МАССА КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ
М Т = М 1 − М 2 - МАССА РАБОЧЕГО ТЕЛА
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КОСМИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ
 УДЕЛЬНЫЙ ИМПУЛЬС (ТЯГИ)
 ТЯГА
 кг   м 
   ⋅υ  
R[H ] = m
 с  с
Σ
m
 СУММАРНЫЙ ИМПУЛЬС
 м
I Σ [H ⋅ c ] = R[H ]⋅ τ [c ] = M [кг ]⋅ V ХАР  
с
Т
m
R[H ]
 м
IУД   =
 кг 
с m
Σ  
с
IУД [с ] =
Тип двигателя
ЖРД (кислород-водород)
Т
m
= ηТ
Σ
m
R[H ]
 м
=

 кг 
с m
T  
с
υ
R[H ]
 кг   м 
 Σ   ⋅ g 2 
m
 с  с 
Характерная
Характерный удельный
Характерное время
тяга, Н
импульс, м/с
работы, часов
106
4500
0,1
Холловский двигатель
1
20000-30000
10000
Ионный двигатель
1
30000-70000
50000
МПД
10
45000
500
ХОЛЛОВСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ
Схема двигателя холловского типа
МОРОЗОВ Алексей Иванович
1 – анод-газораспределитель,
2 – магнитная катушка,
3 – магнитопровод,
4 – разрядная камера,
5 – катод-компенсатор.
ЖАРИНОВ Аскольд Владимирович
ПРИМЕНЕНИЕ ХОЛЛОВСКИХ ЭРД В РОССИИ
Двигатель СПД-100
Двигатель КМ-60
КМ-5 на борту КА «Экспресс-А» №4
КМ-5
КМ-60
СПД-70
СПД-100
80/110/140
42
40
83
Удельный импульс тяги, с
1600/1900/2100
2000
1450
1600
Потребляемая мощность, Вт
1350/2000/2500
900
650
1350
47/52/58
46
44
48
Тяга, мН
КПД, %
ПРИМЕНЕНИЕ ХОЛЛОВСКИХ ЭРД В МИРЕ
КА “SMART-1”
AEHF
Параметры двигателя PPS-1350
Тяга, мН ………………………………..... 84
Мощность, кВт ………………………… 1,5
Удельный импульс, с ………………... 1668
КПД, % ……………………………..…….. 46%
Ресурс, ч ………………………………… 7000 ч
Параметры двигателя BPT-4000
Напряжение, В ………………………… 300/400
Тяга, мН ……………………………….... 291/253
Мощность, кВт………………………… 4,5
Удельный импульс, с ………………... 1790/2020
КПД ……………………………………….. 57/56
Ресурс, ч ………………………………… 7000 ч
ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Схема ионного двигателя
Гарольд Кауфман
ПРИМЕНЕНИЕ ИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В МИРЕ
Двигатель
XIPS-13
XIPS-25
NSTAR
µ-10
RIT-10
T-5
HS-601HP
HS-702
DS-1, DAWN
Hayabusa
EURECA,
Artemis
Artemis,
GOCE
Назначение КА
Связь
Связь
Межпланетный
Межпланетный
Эксперим. КА,
связь
Связь, ДЗЗ
Страна
США
США
США
Япония
Европа
Европа
с 1997
с 2000
1998, 2007
2003
1992, 2001
2001, 2008
Количество КА
Более 15
Более 10
2
1
2
2
Назначение ИД
Коррекция
орбиты
Довыведение
и коррекция
орбиты
Работа в
составе
маршевой ДУ
Работа в
составе
маршевой ДУ
Довыведение
и коррекция
орбиты
Компенсация
аэродинамич.
сопротивл.
18
165
92
8
15
1…20
2350
3500
3100
3200
3400
500…3300
91000 (на 60
двигателей)
33000 (на 40
двигателей)
Более 16000
40000 (на 3
двигателя)
Более 6500
22000
(прогноз)
КА
Год запуска
Тяга, мН
Уд. импульс, с
Время работы в
космосе, час
ИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ В РОССИИ
ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ИД-500
Удельный импульс, с
7000
Тяга, мН
725
Мощность, кВт
35
КОНЦЕПЦИЯ ДВИГАТЕЛЯ VASIMR®
(Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket)
(электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом)
ПРЕИМУЩЕСТВА:
- высокая мощность
- высокая плотность тяги
- отсутствие электродов
НЕДОСТАТКИ:
- присутствие сверхпроводящих
магнитов
- отсутствие стендовой базы
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И СООТНОШЕНИЯ
 Основные соотношения для параметров ЭРД
N ЭЛ [Вт ] =
R[Н ]⋅ IУД [м с ]
2 ⋅η
=
R[Н ]⋅ IУД [с ]
[
2 ⋅η ⋅ g м с 2
N ЭЛ − электрическая мощность
R − тяга
IУД − удельный импульс тяги
η − полный КПД
 Оптимальный удельный импульс тяги


 М ЭРДУ = М Т + М СЭП

R

М
m
τ
τ
=
⋅
=
 Т
IУД


R ⋅ IУД
 М СЭП = γ ⋅ N ЭЛ = γ

2η
2 ⋅τ ⋅η
IУД опт =
γ
]
 Энергетическая цена тяги
 Вт  N ЭЛ IУД
CT 
 = R = 2η
Н


М
М ЭРДУмин
М ЭРДУ
МТ
М СЭП
IУД опт
IУД
Спасибо за внимание