Promremont34.ru

Авто мастеру
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое двигатель с анодным слоем

Двигатель на эффекте холла

Принцип действия двигателя X-3 основан на эффекте Холла, который возникает при воздействии магнитного поля на движущиеся заряженные частицы — к примеру, ионы газа. При этом ионы отклоняются от своей траектории, из-за чего возникает ток, перпендикулярный основному направлению. Это создает дополнительную тягу и позволяет достичь высокого расхода ксенона, который используется в качестве ионизированного газа.

Ионный двигатель диаметром один метр весит 227 килограммов и оснащён тремя каналами выхода плазмы, что позволяет уменьшить его габариты по сравнению с одноканальными двигателями. Работу Х-3 обеспечивает электрическая силовая установка XR-100, разработанная американской компанией Aerojet Rocketdyne. В процессе в вакуумной камере двигатель продемонстрировал мощность более 100 киловатт и тягу в 5,4 ньютона.

Для сравнения, другие образцы ионных двигателей на эффекте Холла развивали мощность не более пяти киловатт. Основным преимуществом таких двигателей является высокий удельный импульс — около 40 километров в секунду. Обычные ракеты на жидком топливе развивают лишь 5 километров в секунду. В результате тратится меньше топлива, но тяга невелика, поэтому ионные двигатели пока не могли преодолеть земное притяжение.

Специалисты NASA намерены продолжить испытания ионного двигателя Х-3 в будущем году. В ходе следующего этапа тестирования учёные собираются проверить выносливость двигателя, заставив его работать на полную мощность в течение 100 часов. Специально для данного эксперимента построят специальную магнитную экранирующую систему, которая защитит стенки ионного двигателя от раскалённой плазмы.

Ионный двигатель Холла

Ионныe двигатели Холла — это лишенные решетки ионные двигатели, которые производят тягу с помощью электростатического ускорения ионов из кольцевой камеры выпуска.

Важным преимуществом двигателей на эффекте Холла является отсутствие решетки, подвергающейся постоянной бомбардировке высокоэнергетичными ионами, вследствие чего происходит ее быстрая деградация. Что касается других характеристик ионных двигателей различной конструкции, то ситуация выглядит не столь очевидной. В общем, двигатели с решеткой позволяют получать больший удельный импульс и расходуют примерно в два раза меньше топлива (рабочего тела), чем двигатели Холла. Однако при этом двигатели Холла позволяют развить большую удельную тягу при одинаковом потреблении электроэнергии. Обе конструкции имеют свои достоинства и недостатки, и выбор предпочтительного варианта зависит в каждом случае от характера задач, стоящих перед аппаратом, и от его энергетических возможностей.

Существуют два типа двигателей на эффекте Холла — это статичный двигатель (Stationary Plasma Thruster (SPT)), разработанный Design Bureau Fakel (Калининград, Россия); и двигатель с анодным слоем (Thruster with Anode Layer (TAL)), разработанный Центральным Научно-Исследовательским Институтом Машиностроения (ЦНИИМАШ, Калининград).

Статичный двигатель (Stationary Plasma Thruster (SPT)).

Принципиальная схема статичного двигателя показана ниже. Радиальное магнитное поле с помощью электромагнитов установлено поперек главного кольцевого испускающего канала (сопла). Электромагнитное возбуждение создается отдельным блоком питания, либо с помощью тока разряда. Типичная разность потенциалов при разряде между катодом и анодом, проходящим через ксенон, впрыснутый и в полый катод, и в камеру разряда, составляет около 300 В. Радиальное магнитное поле предотвращает течение выпущенных с помощью термоэмиссии электронов непосредственно из полого катода к аноду. Это магнитное поле действует как сопротивление перетоку электронов к аноду, приводя к электрическому полю в плазме, которое перпендикулярно магнитному полю и выходит вовне из сопла двигателя. Изоляционные стенки предотвращают закорачивание электрического поля.

Ионы, созданные в камере выпуска электронной бомбардировкой, относительно незатронуты магнитным полем и ускорены электрическим полем . Дополнительные электроны, излучаемые катодом следуют за ускоренными ионами, предотвращая заряд корабля до большого отрицательного потенциала.

Электроны, движущиеся от катода к аноду в камере выпуска, делают это в области пересечения электрических и магнитных полей, что приводит к дрейфу (смещению) их в направлении. перпендикулярном обеим полям — электрическому и магнитному. Для цилиндрической геометрии двигателя это происходит в направлении центральной оси двигателя. Этот электронный дрейф называется также эффектом Холла, откуда и берет название двигатель. В западной литиратуре такие двигатели также иногда называют «closed-drift thrusters».

Двигатель с анодным слоем (Thruster with Anode Layer (TAL))

TAL отличается от статичного двигателя, в котором электрическое поле, произведенное сопротивлением магнитного поля устанавливается практически непосредственно перед анодом. Из-за этого в двигателе требуются изоляционные стенки. В TAL, чтобы преодолеть проблемы эрозии, анод установлен в конец сопел так, чтобы плазма, где создаются и ускоряются ионы, существовала по существу вне двигателя .Поэтому такой двигатель имеет превосходные характеристики эрозии, полученные при испытаниях в JPL. NASA.

Ионный двигатель SMART-1 в работе

Три ионных двигателя Холла разработаны и используются в России: SPT-100, D-55 TAL и T-100 NIITP’S. Номинальная мощность этих двигателей 1400 Вт, КПД — 50%, удельный импульс 1600 с и тяга около 83 мН. Обширное испытание на износ проведенное Fakel показало успешную работу в течении 7000 часов, исследования JPL показали 6 000 часов работы и 7 000 циклов вкл/выкл.

Читать еще:  Вечный двигатель маятник что это

В основном эти двигатели используются в качестве навигационных (двигатели SPT-60 использовались в 70-х годах на «Метеорах», SPT-70 на спутниках «Космос» и «Луч» в 80-х, SPT-100 в ряде спутников в 90-х). В начале 2004 года впервые двигатель Холла был использован в качестве основного на станции SMART-1 по исследованию Луны.

Ракета-носитель «Ариан 5» вывела SMART 1 на переходную геосинхронную орбиту с апогеем 35935 км (при расчетном значении 35873 км) и перигеем 649,5 км (при расчетном значении 648,7 км). Время работы ракеты-носителя составило 27 минут. Затем был включен ионный двигатель. На первом этапе полета он должен работать практически непрерывно в течение 80 дней, за исключением периодов, когда станция будет находиться в тени Земли. При этом перигей орбиты SMART 1 будет поднят до 20 тыс. км., а затем и апогей. Когда он достигнет 200 тыс. км., станция начнет испытывать ощутимое гравитационное воздействие Луны. Гравитационные маневры будут осуществляться в конце декабря 2004 года, а затем в январе и феврале 2005 г. В конечном итоге в марте 2005 SMART 1 выйдет на орбиту вокруг Луны, а с апреля 2005 аппарат приступит к выполнению своей научной программы.

ВВЕДЕНИЕ

Стационарные плазменные двигатели (СПД) нашли широкое применение в космической технике. Чаще всего двигательные установки на основе СПД используют в системах коррекции орбит КА [1]. Использовались они и для перемещения исследовательского КА с околоземной на окололунную орбиту по Европейской программе Smart 1, а также для довыведения КА на геостационарную орбиту (ГСО), обеспечивая увеличение массы КА на названной орбите до 1.5–2 раз [2]. В России такая задача была впервые решена при выведении на ГСО двух ГКА увеличенной массы Экспресс АМ5/АМ6 с использованием двигателей СПД-100 систем коррекции названных КА (Экспресс – АМ6. [Электронный ресурс] // Материалы с официального сайта АО “Информационные спутниковые системы” имени академика М.Ф. Решетнева. URL; http://www.iss-reshetnev.ru/projects дата обращения: 10.10.2018). Планируется и дальнейшее регулярное применение двигателей типа СПД-100 и СПД-140 разработки ОКБ “Факел” для решения этой задачи.

В США с 2010 г. СПД типа BPT 4000 используются для довыведения тяжелых КА на ГСО по программе AEHF [2]. С 2017 году начато решение задачи довыведения КА на ГСО и в Европе, когда КА Eutelsat 172B был штатно выведен на ГСО с помощью российских двигателей ОКБ “Факел” типа СПД-140 (ОКБ “Факел”. Новый рекорд довыведения КА Eutelsat двигателями SPT-140 // официальный сайт Государственной корпорации по космической деятельности “Роскосмос”. URL; https://www.roscosmos.ru/24291/, дата обращения: 10.10.2018).

Использование серийного двигателя СПД-100 с тягой в штатном режиме 83 мН ведет к длительному сроку довыведения, что нежелательно по целому ряду причин. В то же время использование СПД-140 (тяга – 280 мН) во многих случаях нецелесообразно из-за большой потребляемой мощности, составляющей 4.5 кВт на его номинальном режиме работы. А для работы с меньшими мощностями он будет переразмерен. Таким образом, представляется актуальной разработка двигателя с тягой в диапазоне (170–190) мН, потребляемой мощностью до 3 кВт, обладающим привлекательными массогабаритными характеристиками. С учетом изложенного были исследованы возможности создания такого двигателя, и полученные при этом результаты приведены в данной статье.

Плазменный двигатель от МИФИ испытают в космосе до конца года

В МИФИ делают сверхмалый плазменный двигатель для наноспутников. Сложность в том, чтобы заставить его работать от маленькой конденсаторной батареи, над чем ученые бились много лет. В конце года аппарат планируют испытать в космосе. Подробностями о разработке, испытаниях двигателя на орбите и будущем серийном производстве поделился один из создателей устройства, руководитель лаборатории плазменных ракетных двигателей Института лазерных и плазменных технологий МИФИ Игорь Егоров.

Тенденция к уменьшению

В последние годы в мире наблюдается настоящий бум наноспутников — ​аппаратов массой менее 10 кг. С начала 2021 года в космос запустили более 150 спутников формата CubeSat — ​одного из самых популярных типов малых спутников.

Многие из них применяются для дистанционного зондирования Земли. К примеру, американская компания Planet Labs запустила уже больше 100 космических аппаратов, оборудованных телескопом, камерой и ПО для съемки поверхности Земли с разрешением 3–5 м. Проблема таких аппаратов в том, что их запускают на орбиту, просто выбрасывая десятками из ракеты в одном месте. Для качественной съемки нужно распределить спутники по орбите равномерно, а значит, необходимо изменить их скорость вращения вокруг Земли. В Planet Labs для этого используют установленные на спутнике раскрывающиеся панели: поворачивают их либо перпендикулярно движению спутника, чтобы значительно замедлить его движение, либо параллельно, если нужно немного его замедлить. Метод хорош, но не идеален: из-за замедления спутники часто теряют высоту и, постепенно сходя с орбиты, сгорают в атмосфере. Тогда приходится снова запускать несколько десятков спутников на замену.

Читать еще:  Датчик температуры двигателя geely vision

CUBESAT

Это формат сверхмалых искусственных спутников, базовый модуль (1U) имеет габариты 10×10×11,3 см, из которых 10×10×10 см доступны для размещения полезной нагрузки. Масса у 1U не более 1,33 кг. Часто объединяют несколько стандартных кубов в составе одного спутника (обозначаются 2U, 3U и т. д.). Количество зависит от размера и массы оборудования, которое необходимо разместить на спутнике. Так, для съемки поверхности Земли с орбиты достаточно 3U, а отправившаяся на Марс миссия Mars Cube One состояла из двух спутников CubeSat 6U — ​слишком много оборудования потребовалось для такого дальнего полета.

Выходом стала бы установка миниатюрного двигателя, который позволит перемещать спутник без потери высоты и затем поддерживать стабильную орбиту. Однако почти все используемые на спутниках двигатели предназначены для больших аппаратов. И даже если удастся уместить какой-то из существующих двигателей в наноспутнике, он все равно будет потреблять слишком много энергии. Спутник маленький, и солнечные батареи у него маленькие, они не дадут достаточно энергии для питания двигателя. Еще одно ограничение связано с безопасностью: нельзя использовать взрывоопасные вещества, а значит, не получится поставить на спутник, к примеру, жидкостный ракетный двигатель на гидразине.

Углеродный скелет

В нашем плазменном двигателе рабочим телом служит пластик полиацеталь, который, постепенно выгорая, превращается в плазму, выбрасывается из двигателя и таким образом создает тягу, приводящую спутник в движение. Идея использовать пластик не нова. Первый в истории плазменный двигатель в космосе испытали в 1964 году на советской автоматической межпланетной станции «Зонд‑2», которая отправилась к Марсу. Несколько плазменных двигателей, в разработке которых принимал участие мой учитель Виктор Александрович Храбров, отвечали за ориентацию станции в пространстве. В основе разработки тоже лежало рабочее тело из пластика — ​но не из полиацеталя, а из фторопласта. Преимущество этого материала — ​высокая плотность, в небольшом объеме можно заключить больше материала. Но есть и недостаток: при использовании такого пластика нужен большой разрядный ток. Если ток недостаточен, поверхность фторопласта покрывается слоем углерода: пластик испаряется не полностью, углерод остается в виде тонкой пленки и из-за своей электропроводности вызывает короткое замыкание. Двигатель выходит из строя.

Храбров с такой сложностью не сталкивался просто потому, что его двигатели были большого размера: он мог использовать тяжелые громоздкие импульсные конденсаторы, которые генерировали большой разрядный ток.

Моя же задумка была в том, чтобы сделать плазменный двигатель гораздо меньшего размера (размер двигателя — 83×83×50 мм. — СР). Я стал изучать химические формулы пластиков и обратил внимание на полиацеталь, углеродный скелет которого состоял не из сплошной углеродной цепочки (-С-С-С-), как у фторопласта, а из перемежающихся атомов углерода и кислорода (-С-О-С-). Использование такого материала решило проблему углеродной пленки. На поверхности рабочего тела нашего двигателя все равно образуется слой некоего вещества вроде нефти или масла, но оно не проводит электричество и никак не влияет на работу аппарата.

Другая особенность нашего двигателя — ​внешняя магнитная система из медной катушки. С ее помощью удалось ограничить разрядный ток и при этом сохранить эффективность двигателя.

И, наконец, мы смогли установить на двигатель компактные и легкие конденсаторы. Создание маленького двигателя никогда не было проблемой, сложность была как раз в том, чтобы заставить его работать от маленькой конденсаторной батареи. Над этим ученые бились не один год.

Тысяча часов на орбите

Ближайшие несколько месяцев мы будем дорабатывать двигатель, совершенствовать технологию: попробуем изменить конфигурацию электродов, размер и форму рабочего тела, чтобы увеличить запас пластика и тем самым повысить эффективность двигателя. В конце года наши устройства пройдут испытания на орбите — ​отправятся в космос на двух спутниках на платформе «ОрбиКрафт-Про». У нас уже есть договоренность с их разработчиками — ​частной космической компанией «Спутникс». Параллельно с испытаниями на орбите проведем ресурсные испытания на Земле. Предполагается, что ресурс работы нашего устройства будет около 1 тыс. часов. По всей видимости, к лету 2022 года завершатся все испытания, и мы сможем уверенно говорить про ресурс работы, силу тяги двигателя, совместимость с оборудованием спутника и т. д. Если все пройдет гладко, то наладим серийный выпуск двигателей.

Читать еще:  Qr20de какая должна быть компрессия двигателя

«СПУТНИКС»

Российская частная космическая компания, резидент «Сколкова». Разрабатывает технологии производства спутниковых платформ, служебных систем микроспутников и наноспутников. В 2017 году компания создала спутниковую платформу «ОрбиКрафт-Про» — ​набор-конструктор, позволяющий собирать наноспутники различной конфигурации, на которые можно установить научную аппаратуру.

К нам уже обратились представители образовательного проекта по разработке и производству космических аппаратов. Они планируют покупать 10–15 двигателей в год. Проявила интерес и компания Orbital Express, которая в следующем году запускает на орбиту собственный спутник и хочет видеть на нем наш двигатель, а также другие, помимо «Спутникса», разработчики наноспутниковых платформ. Интерес к нашей разработке довольно большой, это приятно.

Почему двигатели находятся под крыльями?

За всю историю гражданской авиации конструкторы перепробовали великое множество вариантов того, как прикрепить к самолету двигатель. Их размещали в корне крыла, в хвостовой части фюзеляжа, под крыльями, встречались и более экзотические схемы — на американском широкофюзеляжном DC-10 два мотора находились под крыльями, а третий — в хвосте, а у германского Fokker 614 — над крыльями на двух стойках-пилонах.

Теперь на абсолютном большинстве новых лайнеров двигатели подвешены на пилонах под крыльями. Это может показаться странным, ведь два тяжелых авиационных мотора должны создавать большую нагрузку на крылья, которым и без того приходится поддерживать весь самолет. Не лучше ли, например, оставить их в задней части фюзеляжа, как это делали поколения авиаконструкторов?

Новый Boeing 737MAX — обратите внимание, что к двигателям можно просто подойти по земле, совершенно необязательно при этом бегать за стремянкой. При этом стойки шасси настолько короткие, что гондолы двигателей пришлось в нижней части немного подрезать

«Преимущество двигателей под крылом — это в первую очередь короткий путь к топливному баку, находящемуся, опять же, в крыле. Это означает более простую и более легкую систему подачи топлива. Проще регулировать центр тяжести самолета в полете, так как масса двигателей находится практически в центре», — объяснил Би-би-си германский эксперт в области авиации Александр Вайц.

Для того чтобы обеспечить центровку лайнеров, двигатели которых расположены в хвосте, действительно надо приложить определенные усилия — у таких самолетов центр тяжести смещен назад.

В корпорации Airbus Русской службе Би-би-си объяснили, что еще одним достоинством схемы современных самолетов является то, что двигатели под крыльями работают эффективнее, поскольку находятся в «невозмущенном потоке» — вне завихрений воздуха, которые образуются в полете возле фюзеляжа.

Еще одна причина, на которую указали в Airbus, — уменьшение нагрузки на крыло. Во время полета самолет «опирается» на воздух целиком, и крыльями, и фюзеляжем, и хвостовым оперением. И чем равномернее будет распределена нагрузка по всей площади, тем лучше для всех узлов и сочленений. При этом если тяжелые двигатели будут на фюзеляже, сила притяжения будет стараться как бы «сложить» самолет подобно книге. Сделать это, конечно, не получится, но и лишняя нагрузка планеру ни к чему.

Схема расположения двигателей в хвостовой части самолета, от которой сейчас отказываются производители больших авиалайнеров, долгое время была очень популярной. Вспомним советские Ту-154, Ту-134, Як-40, Як-42, Ил-62, американский Boeing 727 и многие другие. Она имеет определенные преимущества, поскольку позволяет сделать крыло более тонким, аэродинамически более совершенным.

Кроме того, если в полете откажет один двигатель, и самолет сможет продолжать полет на втором, то в случае, если тот будет расположен под крылом, самолет неизбежно будет немного разворачивать (попробуйте толкать детскую коляску одной рукой, взявшись за ручку с краю). Это немного дискомфортно для пилота, но не так уж опасно. Когда двигатели находятся в хвостовой части, экипаж не будет испытывать даже и этого дискомфорта.

Однако когда речь заходит о комфорте во время технического обслуживания, разница между двигателями под крылом и в хвосте становится колоссальной. Инженер по техническому обслуживанию самолетов Алексей Ребик рассказал Би-би-си об обслуживании самолета на примере самой простой операции — установки на двигатель заглушки (алюминиевый щит или кусок ткани, которым закрывают воздухозаборник). Эту операцию выполняют каждый раз, когда самолет отправляется на более-менее длительную стоянку.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector