Импульсный плазменный двигатель - Pulsed plasma thruster - Wikipedia

А импульсный плазменный двигатель (PPT), также известный как плазменный реактивный двигатель, представляет собой форму электрическая силовая установка космического корабля.^[1] PPT обычно считаются простейшей формой электрической тяги космического корабля и были первой формой электрической тяги, которая была запущена в космос, пролетев на двух советских зондах (Зонд 2 и Зонд 3 ) с 1964 г.^[2] PPT обычно летают на космический корабль с избытком электричества из доступной солнечной энергии.

Операция

Принципиальная схема импульсного плазменного двигателя

В большинстве PPT используется твердый материал (обычно PTFE, более известный как тефлон) для пропеллент, хотя очень немногие используют жидкое или газообразное топливо. Первый этап операции PPT включает в себя электрическая дуга проходя через топливо, вызывая абляция и сублимация топлива. Тепло, выделяемое этой дугой, заставляет образующийся газ превращаться в плазма, тем самым создавая заряженное газовое облако. 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 создает сильное электромагнитное поле, которое затем вызывает Сила Лоренца на плазме, ускоряя плазму из выхлопа ППТ с большой скоростью.^[1] Его режим работы похож на рельсотрон. 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 непрерывную и плавную тягу. Хотя тяга очень мала, PPT может работать непрерывно в течение длительных периодов времени, обеспечивая большую конечную скорость.

Энергия, используемая в каждом импульсе, хранится в конденсаторе.^[3] Изменяя время между разрядкой конденсатора, можно изменять тягу и потребляемую мощность PPT, что позволяет гибко использовать систему.^[2]

Сравнение с химическим двигателем

Уравнение изменения скорости космического корабля дается формулой уравнение ракеты следующее:

${\displaystyle \Delta v=v_{\text{e}}\ln {\frac {m_{0}}{m_{1}}}}$

куда:

${\displaystyle \Delta v\ }$ является дельта-v - максимальное изменение скорости транспортного средства (без воздействия внешних сил),

${\displaystyle v_{\text{e}}}$ это эффективная скорость истечения (${\displaystyle v_{\text{e}}=I_{\text{sp}}\cdot g_{0}}$ куда ${\displaystyle I_{\text{sp}}}$ это удельный импульс выражается как период времени и ${\displaystyle g_{0}}$ является стандартная сила тяжести ),

${\displaystyle \ln }$ относится к натуральный логарифм функция

${\displaystyle m_{0}}$ - начальная полная масса, включая топливо,

${\displaystyle m_{1}}$ окончательная общая масса.

PPT 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 тяга генерирует 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. Поэтому выгодно использовать электрическую двигательную установку, такую ​​как PPT, для создания высоких межпланетных скоростей в диапазоне 20–70 км / с.

НАСА Исследовательский PPT (летал в 2000 году) достиг скорости истечения 13 700 м / с, генерировал толкать 860 мкН, и потребляется 70 Вт электрической мощности.^[1]

Преимущества и недостатки

PPT очень надежны из-за своей простой конструкции (по сравнению с другими электрическими двигателями космических аппаратов). Как электрическая двигательная установка, PPT выигрывают от меньшего расхода топлива по сравнению с традиционными химическими ракетами, снижения стартовой массы и, следовательно, затрат на запуск, а также высокого удельного импульса, улучшающего характеристики.^[1]

Однако из-за потерь энергии из-за поздней абляции и быстрой кондуктивный теплообмен от топлива до остальной части космического корабля эффективность тяги (кинетическая энергия выхлопа / общая используемая энергия) очень низка по сравнению с другими формами электрического движения, всего около 10%.

Использует

PPT хорошо подходят для использования на относительно небольших космических аппаратах массой менее 100 кг (особенно CubeSats ) для таких ролей, как контроль отношения, станция содержания, маневры по спуску с орбиты и исследование дальнего космоса. Использование PPT может удвоить срок службы этих небольших спутников без значительного увеличения сложности или стоимости из-за присущей PPT простоте и относительно низкой стоимости.^[3]

Первое использование PPT было на Советский Зонд 2 Космический зонд 30 ноября 1964 г.

PPT был запущен НАСА в ноябре 2000 года в качестве летного эксперимента на Наблюдение Земли-1 космический корабль. Двигатели успешно продемонстрировали способность управлять креном космического корабля и продемонстрировали, что электромагнитная интерференция импульсная плазма не повлияла на другие системы космических аппаратов.^[1] Импульсные плазменные двигатели также являются направлением исследований, используемым университетами для начала экспериментов с электрическим двигателем из-за относительной простоты и более низких затрат, связанных с PPT, в отличие от других форм электрических двигателей, таких как Ионные двигатели на эффекте Холла.^[2]

Смотрите также

• Вакуумный дуговой двигатель

Рекомендации

1. "NASA Glenn Research Center PPT". Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). Получено 5 июля 2013.
2. П. Шоу (30 сентября 2011 г.). «Импульсные плазменные двигатели для малых спутников». Докторская диссертация - Университет Суррея. Получено 2020-06-27.
3. «Плазменные двигатели могут удвоить срок службы мини-спутников». Инженер (британский журнал). Получено 2020-06-27.

внешняя ссылка

• "Проект высокоэнергетического двухступенчатого импульсного плазменного двигателя". Университет Принстона. Получено 2020-06-27.
• «Импульсный плазменный двигатель EO1» (PDF). Центр космических полетов Годдарда. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-07-16. Получено 2020-06-27.
• Ефрем Чен. "Газовые импульсные плазменные двигатели: от искр до лазерного инициирования" (PDF). Университет Принстона. Получено 2020-06-27.
• Майкл Бретти. «Одноканальный сетевой импульсный плазменный двигатель AIS-gPPT3-1C». Прикладные ионные системы. Получено 2020-06-27.