Импульсный плазменный двигатель

A импульсный плазменный двигатель (PPT ), также известный как плазменный реактивный двигатель, форма электродвигателя космического корабля. PPT, как правило, считаются простейшей формой электрической тяги космического корабля и были первой формой электрической тяги, которая использовалась для полетов в космос, после полета на двух советских зондах (Zond 2 и Zond 3 ) начиная с 1964 года. PPT обычно летают на космических кораблях с избытком электричества из доступной солнечной энергии.

• 1 Операция
• 2 Сравнение с химическим двигателем
• 3 Преимущества и недостатки
• 4 Использование
• 5 См. Также
• 6 Ссылки
• 7 Внешние ссылки

В большинстве PPT используется твердый материал (обычно PTFE, более известный как тефлон) для топлива, хотя очень немногие используют жидкость или газообразное топливо. Первая стадия работы PPT включает в себя электрическую дугу, проходящую через топливо, вызывающую абляцию и сублимацию топлива. Тепло, генерируемое этой дугой, заставляет образовавшийся газ превращаться в плазму, тем самым создавая облако заряженного газа. Из-за силы абляции плазма перемещается с низкой скоростью между двумя заряженными пластинами (анод и катод ). Поскольку плазма заряжена, топливо эффективно замыкает цепь между двумя пластинами, позволяя току течь через плазму. Этот поток электронов генерирует сильное электромагнитное поле, которое затем воздействует на плазму силой Лоренца, ускоряя плазму из выхлопа PPT с высокой скоростью. Его режим работы аналогичен рельсотрону . Пульсация возникает из-за времени, необходимого для перезарядки пластин после каждого выброса топлива, и времени между каждой дугой. Частота пульсации обычно очень высока, поэтому она создает почти непрерывный и плавный толчок. Хотя тяга очень мала, PPT может работать непрерывно в течение продолжительных периодов времени, обеспечивая большую конечную скорость.

Энергия, используемая в каждом импульсе, хранится в конденсаторе. Изменяя время между каждым разрядом конденсатора, можно изменять тягу и потребляемую мощность PPT, что позволяет гибко использовать систему.

Уравнение для изменения скорости космического корабля задается уравнением ракеты следующим образом:

$\Delta \; v\; =\; ve\; ln\; \; m\; 0\; m\; 1\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; v\; =\; v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{e\}\}\; \backslash \; ln\; \{\backslash \; frac\; \{m\_\; \{0\}\}\; \{m\_\; \{1\}\}\}\}$

где:

$\Delta \; v\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; v\; \backslash \}$- delta-v - максимальное изменение скорости автомобиль (без воздействия внешних сил),

$ve\; \{\backslash \; displaystyle\; v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{e\}\}\}$- это эффективная скорость выхлопа ($ve\; =\; I\; sp\; \cdot \; g\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{e\}\}\; =\; I\; \_\; \{\backslash \; text\; \{sp\}\}\; \backslash \; cdot\; g\_\; \{0\}\}$где $I\; sp\; \{\backslash \; displaystyle\; I\; \_\; \{\backslash \; text\; \{sp\}\}\}$- это удельный импульс, выраженный как период времени, а $g\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; g\_\; \{0\}\}$равно стандартная гравитация ),

$ln\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; ln\}$относится к функции натурального логарифма,

$m\; 0\; \{\backslash \; displaystyl\; e\; m\_\; \{0\}\}$- начальная общая масса, включая топливо,

$m\; 1\; \{\backslash \; displaystyle\; m\_\; \{1\}\}$- конечная общая масса.

PPTs имеют гораздо более высокие скорости выхлопа, чем химические двигатели, но имеют гораздо меньший расход топлива. Из приведенного выше уравнения Циолковского это приводит к пропорционально более высокой конечной скорости движущегося аппарата. Скорость истечения PPT составляет порядка десятков км / с, в то время как обычная химическая двигательная установка создает тепловые скорости в диапазоне 2–4,5 км / с. Из-за этой более низкой тепловой скорости химические двигательные установки становятся экспоненциально менее эффективными при более высоких скоростях транспортного средства, что требует использования электрических двигателей космических кораблей, таких как PPT. Следовательно, выгодно использовать электрическую двигательную установку, такую ​​как PPT, для создания высоких межпланетных скоростей в диапазоне 20–70 км / с.

Исследовательский PPT НАСА (совершенный в 2000 г.) достиг скорости истечения 13 700 м / с, создал тягу 860 мкН и потреблял 70 Вт электроэнергии.

PPT очень надежны из-за своей изначально простой конструкции (по сравнению с другими методами движения электрических космических аппаратов). Как электрическая двигательная установка, PPT выигрывают от меньшего расхода топлива по сравнению с традиционными химическими ракетами, уменьшения стартовой массы и, следовательно, затрат на запуск, а также за счет высокого удельного импульса, улучшающего характеристики.

Однако из-за потерь энергии, вызванных поздно абляции и быстрой кондуктивной теплопередачи от топлива к остальной части космического корабля, тяговая эффективность (кинетическая энергия выхлопа / общая используемая энергия) очень низка по сравнению с другими формами электрического движения, всего около 10 %.

PPT хорошо подходят для использования на относительно небольших космических аппаратах с массой менее 100 кг (особенно CubeSats ) для таких ролей, как отношение управление, удержание станции, маневры ухода с орбиты и исследование дальнего космоса. Использование PPT может удвоить срок службы этих небольших спутников без значительного увеличения сложности или стоимости из-за присущей им простоты и относительно низкой стоимости PPT.

Первое использование PPT было на советских Зонд 2 космический зонд 30 ноября 1964 года.

В ноябре 2000 года НАСА запустило PPT в качестве летного эксперимента на Космический аппарат "Наблюдение Земли-1 ". Двигатели успешно продемонстрировали способность управлять креном космического корабля и продемонстрировали, что электромагнитные помехи от импульсной плазмы не влияют на другие системы космического корабля. Импульсные плазменные двигатели также являются направлением исследований, используемым университетами для начала экспериментов с электрическими двигателями из-за относительной простоты и более низкой стоимости, связанных с PPT, в отличие от других форм электрических двигателей, таких как ионные двигатели на эффекте Холла.

• Вакуумный дуговый двигатель

• «Конструкция высокоэнергетического двухступенчатого импульсного плазменного двигателя малой тяги». Принстонский университет. Проверено 27 июня 2020 г.
• «Импульсный плазменный двигатель EO1» (PDF). Центр космических полетов Годдарда. Архивировано из оригинального (PDF) 16.07.2011. Проверено 27 июня 2020 г.
• Ефрем Чен. "Импульсные плазменные двигатели с газовым питанием: от искр до лазерного инициирования" (PDF). Университет Принстон. Проверено 27 июня 2020 г.
• Майкл Бретти. «Одноканальный сетевой импульсный плазменный двигатель AIS-gPPT3-1C». Прикладные ионные системы. Проверено 27 июня 2020 г.