долгоиграющие движки

Теги:космос
 

hcube

старожил
★★
Тут было сказано, что проблемы космоса вообще, и орбитальных буксиров в частности упираются в отсутствие долговечных движков.
А каким движок должен быть?
Мне представляеся, что это
1. Высокий импульс на единицу массы топлива.
2. Длительный срок эксплуатации. Ну, не совсем эксплуатации, а, скажем так, большая величина изменения импульса. То есть привод от ЯРД на 10 G в течении 1 дня и привод от паруса с ускорением 10/365 G в течении года с этой точки зрения эквивалентны.
3. Большая тяга. Удельная, естественно. 0.01 G - хорошо. 0.1 - великолепно. 0.5 - лучше и не надо.
4. Экология. В принципе, не столь важно - излучений в космосе и так хватает, но, например, фотонный двигатель типа того, что у Стругацких даже для низкоорбитальных операций лучше не использовать - направленный ядерный взрыв, однако.

Я надеюсь, приоритеты для космических двигателей поставлены правильно.

Теперь, что есть

ЖРД. Третий пункт - великолепно. Первый и второй - ой.
ЯРД. Третий пункт - хорошо, первый и второй - ээ... лучше, чем у ЖРД.
ЭРД. Все наоборот. Второй - хорошо, остальное - ой.
МЭРД + ЯР. Все хорошо, но тяжелый.
ГФЯРД - Все хорошо, но нет
ТЯРД - аналогично ГФЯРД.
Убей в себе зомби!  
RU CaRRibeaN #21.12.2000 08:55
+
-
edit
 

CaRRibeaN

координатор

ЯРД. Третий пункт - хорошо, первый и второй - ээ... лучше, чем у ЖРД
Имхо ЯРД с его импульсом , ну даже в 3 раза больже чем у ЖРД(и то для водорода, который не понятно как хранить и выводить в таких колл-вах), но с большим сомном проблем, которые перевешивают пожалуй все его преимущества. Стоимость разработок и эксплутационных затрат настолько велики,
что думается в ближайшее время мы его не увидим, скорее пойдет связка ЯЭУ (энергетика) + ЭРД

>>ЭРД. Все наоборот. Второй - хорошо, остальное - ой.

Я б сказал, что они во всем замечательны, только вот в мощьности упирается. ЭРД нужны мегаватты, что б вытеснить ЖРД.

>>МЭРД + ЯР - ЯР - это ядерный реактор, понятно, а вот что такое МЭРД?( с французкого не переводить , плз :) )


>ГФЯРД - Все хорошо, но нет
>ТЯРД - аналогично ГФЯРД

Ты ж вообще говорил про действующие двигатели, а то сюда же можно и фотонные, и другие анигилляционные движки запихнуть.

Имхо еще одним перспективным направлением становятся солнечные паруса - уже в 2004 году грозятся запустить образец с площадью 400 кв. м., а уже в 2008-2012 возможно полетит зонд для исследования гелиопаузы и межзвездного пространства - со скоростью до 90 км/с, все упирается в исследования гелиопаузы Вояджерами.
Shadows of Invasion.  
+
-
edit
 

DmitriyM

новичок
quote:
Originally posted by CaRRibeaN:
>ГФЯРД - Все хорошо, но нет
>ТЯРД - аналогично ГФЯРД

Ты ж вообще говорил про действующие двигатели, а то сюда же можно и фотонные, и другие анигилляционные движки запихнуть.

 

В отличие от фотонных проект ГФЯРД неплохо проработан. Ведь почти дошли до полигонных испытаний.

Я однозначно проголосовал бы за твердофазные ЯРД, если бы не проблемы с водородом.

А так я с тобой солидарен насчет связки ЯЭУ + ЭРД
 
+
-
edit
 

varban

администратор
★★★★
По поводу ЯРД - причитайте славный топик [html_a href=http://airbase.ru/forum/Forum3/HTML/000028.html]Атомный ракетный двигательа>
и [html_a href=http://airbase.ru/forum/Forum3/HTML/000035.html]Атомный ракетный двигатель IIа>.
Еще был топик Космические энергоустановки.
Там кое-что и про реальности разработки есть.
Короче - ЭРД хорош, когда не требуешь от него большой тяги. Думаете, от хорошей жизни появились водородо-кислородные движки, которые даже не ЖРД, а неслыханные ГРД (газовые РД) - (с) мой .
Поясняю - говорю о проектах, в которых на борт берется вода, подвергается электролизу и сжигается в ракетном двигателе.
Просто там нужна была большая тяга, чем ЭРД может обеспечить.
Кстати, проект не проигрывал или совсем немного проигрывал ЭРД, но предпочтительнее, что не требовал прорывов в неизведанное, а представлял чисто инженерной задачи.

А вот для чего городили эту хрень, убей Перун, не помню - то ли межпланетные дела к Венере, то ли орбитальный буксир... дома еще пороюсь.
 

hcube

старожил
★★
МЭРД - матричный ЭРД. Если нету одного сильного движка, ставим 10e6 слабых
У меня тут вырисовалась примерно такая схемка - факел движка окружают хитрым магнитом, который ионы фокусирует в пучок, а электроны в кольцо (в сечении) вокруг него. Далее ионы ускоряются, и после ускорения 'подхватывают' электроны. То есть без реактора это LOX/LH движок. А с реактором - ионный.
Убей в себе зомби!  
+
-
edit
 

varban

администратор
★★★★
Но при температуре факела нет свободных электронов и ионов, да и в камере - кот наплакал. И вообще - плазмообразующие топлива для РД на химическом топливе - та еще песня...
 
+
-
edit
 

varban

администратор
★★★★
К вопросу о ионизации водорода, стибрил у самого себя с http://airbase.ru/forum/Forum3/HTML/000159.html:
[html_font size = +0]


Исходные данные -------------------------------              < Prfull >              VAR=hydrogen dissociation,               p=0.1, T=3100,              100% H2);
           Xapaктepиcтики paвновесия - СИ      P= 1OOOO-OO    T= 31OOO+O4    V= 14139+O3    S= 1O992+O3    I= 69998+O5      U= 55858+O5    M= 54858+O3  Cp= 187O5+O2    k= 13225+O1  Cp"= 87462+O2      k"= 12O4O+O1    A= 4O317+O4  Mu= 4O482-O4  Lt= 1O824+O1  Lt"= 43839+O1      MM= 18229+O1 Cp.г= 187O5+O2  k.г= 13225+O1 MM.г= 18229+O1  R.г= 45613+O4      Z= OOOOO-OO  Пл= OOOOO-OO  Bm= OOOOO-OO            Coдepжaниe кoмпoнeнтoв - мoль/кг              H  1O5OO+O3          H2  44358+O3        +1*H  54426-O8            -1*H  66639-O9      +1*H2  29562-O9      +1*H3  14173-O6          эл.газ  1468O-O6

[/html_font]

Коментарии:
Ионов/электронов сами видите - на 10 порядков меньше, считайте, их нет.
И это - при температуре 3100К, для чистого водорода... кислород только испортит дело, еще хуже будет.
[This message has been edited by varban (edited 21-12-2000).]
 

hcube

старожил
★★
Уговорил. А как их получают? Чистые ионы в природе редко встречаются... Металлы... Да! Наименьшая энергия ионизации должна быть у металла. Что же тогда ксенон используют?
Убей в себе зомби!  
RU CaRRibeaN #21.12.2000 19:25
+
-
edit
 

CaRRibeaN

координатор

>А как их получают? Чистые
>ионы в природе редко встречаются... >Металлы... Да! Наименьшая
>энергия ионизации должна
>быть у металла. Что же
>тогда ксенон используют?

Наименьшая энергия ионизации действительно у цезия - 380 кДж/моль , у ртути примерно 1000
кДж/моль, у ксенона 1107 кДж/кг, однако ксенон потяжелее моль имеет, да и эксплуатировать его гораздо легче - все же и ртуть и цезий сначала надо испарять, а затем только ионизировать. Так что в смысле энергетики ионизации, и полной энергетики ЭРД цезий лучше, но вот эксплуатировать такое РТ - врагу не пожелаешь
Shadows of Invasion.  
+
-
edit
 

DmitriyM

новичок
Кстати, как вам такая идея, применительно к длительным межпланетным перелетам с человеком на борту (понимаю, что песнь далекая :) )
Берется на борт вода, по пути электролизом разделяется на водород и кислород. Затем водород как рабочее тело в ЭРД или ЯРД, а кислород - дышать :)

Благодаря моим скромным познаниям в химии, мне кажется что количество водорода должно быть не меньше чем в LH того же объема, а условия хранения очень неплохие.

Кстати, на первых порах можно подключить и ГРД, придуманный varbanом

2varban
Речь не идет о температуре химического горения водорода.


Насколько я понял, водород сильно нравится конструкторам магнитоплазменных и ядерных двигателей.
[This message has been edited by DmitriyM (edited 22-12-2000).]
 

hcube

старожил
★★
Давай считать - самый хороший движок(ЭРД) имеет тягу 93 мН, и удельный импульс 2300, мощьность 2250 Вт.
Пусть у нас ЭРД покруче тяга скажем 120 мН с 2250 Вт, на мощности 14625 Вт (остальное оставим системам спутника+РБ) тяга составит
0.78 Н, ускорение для спутника массой 4600 кг (это я прикинул массу для H702) 1,66е-5
м*с-2 , т.е. за сутки нашспутник ускорится на 1.4 м/с Надо - минимум - 4,47 км/с или 8,74 года набора высоты.... мдааа.

Что же тяга такая маленькая? Вкачиваем два киловатта, а получаем всего 10 грамм тяги... Неужели никак КПД не поднять? Что его ограничивает?

Убей в себе зомби!  
+
-
edit
 

varban

администратор
★★★★
Кстати, на первых порах можно подключить и ГРД, придуманный varbanом

Дожили! Я только термин придумал, а сама ДУ есть, и даже в металле, и давно - правда не знаю, летала ли.

А по поводу кислорода от электролиза - давайте посчитаем на пальцах:

Импульс ЭРД берем 23000 m/s, или 2300 kgf.s/kg
T.e. разход рабочего тела 1 kg/s нам дает 2.3 tf тяги и 8 kg/s кислороду...
Человек сжигает порядка 0.1 g кислороду за 1 вдох... перебор, однако получается;) Куда кислород девать будем?

По поводу mol потяжелее - это сильно портит энергетику - см. ы-формулу. Просто ионизация огромных колличеств газов - задачка, мягко говоря, непростая... я маленько имел дела с масспектрометрами, так что знаю, что говорю.

И последнее - металлы типа цезия в ракетном топливе, или в рабочем теле - такое пока есть, как я уже говорил, в плазмообразующих твердых топлив... но от них требуется обратное - ток ДАВАТЬ;)
 
+
-
edit
 

TheFreak

старожил

Смотрю я на эту дискуссию... Мда, нет в мире ничего нового.
hcube: Две основные причины уменьшения КПД. 1) Очень много энергии тратится на ионизацию. 2) Часть ионов дрейфует к стенкам движка и выбывает из процесса ускорения.
Чтобы уменьшить "вес" первой причины, нужно увеличивать скорость истечения, чтобы при меньшем расходе вещества иметь ту же тягу. Для второй — усилить магнитное поле, которое держит плазму. И то и другое сделать совсем не просто.

Не так давно, я писал про статью о VASIMR в Scientific American. Если народ пожелает, могу отсканерить и выложить куда-нибудь. Статья хорошая.
 
+
-
edit
 

varban

администратор
★★★★
Давай-давай :) В библиотеку положим :)
 

hcube

старожил
★★
Две основные причины уменьшения КПД.
1) Очень много энергии тратится на ионизацию.
А чем сейчас ионизируют? В смысле - нам надо рабочее тело
a) ионизировать
б) разогнать.

Кстати, a) нужно только для б)

Никто не пробовал в качестве расходного материала использовать железную дробь, разгоняемую Е-М катапультой? Правда, тогда надо гарантированно разгонять до скоростей больше третьей космической, чтобы оно не болталось тут же на орбите.

Что у нас еще есть из хорошо разгоняемого... А! Никто не пробовал на орбите синхротрон в качестве движка? В центре ион - генератор, по бокам пара сверхпроводящих магнитов. Лучше два, с противоположным вращением, или вообще бублик из них, с выбросом ионного потока по центру. Ну там полу, лучше квадро части с бегущей волной. И локальное ослабление магнитного поля на 'дюзе'.

Убей в себе зомби!  
RU CaRRibeaN #22.12.2000 19:49
+
-
edit
 

CaRRibeaN

координатор

Varban>>Давай-давай В библиотеку положим

Увадайте труд своих коллег (с) плакаты. Загляните на http://www.martiantime.narod.ru
- там V.B. выложил переводы статей по VASMIR.
Вообще этого полезного товариша надо привлекать - раз ему так нравиться переводить :) ....

hcube>>Никто не пробовал в качестве расходного материала использовать железную дробь, разгоняемую Е-М катапультой?

Катапульта нужна длинная черезчур - максимальное ускорение при бесконтактном способе разгона 100 g, при контактном (рельсами) 1000 g, кажись был расчет - 250 метров для 1 км/с, 1 километр рельсов - для
15 км/с, 10 км - для 1100 км/с ( с учетом трения ) - тяжеловато на данный момент...
Блин вызодит что я только и занимаюсь разрушение воздушных замков hcube :)
Shadows of Invasion.  
+
-
edit
 

varban

администратор
★★★★
Самое главное преимущество газа vs дроби в качестве рабочего тела, что для ускорение газа требуется его только нагреть, а вот дробь...
 

hcube

старожил
★★
Лаборатория перспективных космических двигателей (Advanced Space Propulsion Laboratory) в Космическом центре NASA имени Джонсона в течение нескольких лет занимается разработкой магнитоплазменной ракеты с переменным удельным импульсом (variable specific impulse magneto-plasma rocket, VASIMR). Этот тип двигателя мог бы применяться в будущем в межпланетных космических аппаратах и мог бы сделать доступной всю Солнечную систему для исследования человеком. Одной из черт этой технологии является возможность изменения удельного импульса двигателя, так что он может работать как в режиме максимально эффективного использования топлива, так и в режиме максимальной тяги. Изменение удельного импульса и тяги повышает возможность оптимизации межпланетных траекторий и приводит к меньшим временам полета и меньшим затратам топлива, чем при фиксированном удельном импульсе.

Когда VASIMR будет применяться в межпланетных путешествиях, это будет двигатель мощностью несколько мегаватт. Значительно менее мощная система разрабатывается для летной демонстрации в 2004 году. Это будет 10-киловаттный двигатель на борту космического аппарата на солнечной энергии, находящегося на орбите Земли. Он будет работать в течение нескольких месяцев с удельным импульсом 10000 секунд, используя в качестве топлива водород или дейтерий.

Хотя значительная часть испытаний новой технологии пройдет на Земле в вакуумных камерах, космическая демонстрация позволит убедиться в работоспособности двигателя в условиях космоса в течение длительного времени. Это испытание также позволит измерить эффективность двигателя и провести наблюдения изменений внешней среды около аппарата, вызываемых двигателем.


Концептуальный дизайн КА RTD



Демонстрация предложена как часть миссии космического аппарата под названием "радиационный и технологический демонстратор" (Radiation and Technology Demonstrator, RTD). Этот КА будет запущен со "Спэйс шаттла" на высоте 400 км. Отсюда аппарат по спиральной траектории выйдет на близкую к геосинхронной высоту орбиты. Кроме двигателя VASIMR, на аппарате также будет находиться 10-киловаттный двигатель, использующий эффект Холла. Эти работающие на электрической энергии двигатели будут включаться только на освещаемых солнцем участках орбиты.

Двигатели будут испытываться раздельно, но при этом они вместе обеспечат выполнение научной миссии по измерению естественной радиационной обстановки на орбите Земли. Космический аппарат будет нести несколько микроспутников, которые будут последовательно отделяться, по мере набора аппаратом высоты, образуя созвездие микроспутников, способных выполнять одновременные радиационные измерения в различных точках.

Для упрощения задачи, во время первой космической демонстрации на VASIMR не будет реализована возможность изменения удельного импульса. Двигатель будет иметь фиксированный удельный импульс 10000 секунд, что значительно выше, чем у имеющихся сейчас электрических двигательных систем, типичный удельный импульс которых менее 2000 секунд. 10-киловаттный VASIMR будет создавать тягу около 0.1 Н и расходовать 1 мг топлива в секунду, что равняется 17 кг за 6 месяцев непрерывной работы.

В этом эксперименте двигатель VASIMR в качестве топлива будет использовать водород или дейтерий. Чтобы удовлетворить требованиям безопасности грузового отсека "Спэйс шаттла", топливо будет доставлено на орбиту во внешнем баке "челнока" и перекачано на аппарат после выхода на орбиту. Это также позволит уменьшить вес и стоимость топливного бака VASIMR. Перекачка криогенного водорода или дейтерия сама по себе будет являться летной демонстрацией технологии, имеющей большое значение для будущих межпланетных экспедиций.

Терморегулирование - наиболее важная инженерная проблема при конструировании этой первой полетной версии ракеты. Криогенное топливо нужно будет сохранить с очень малыми потерями на испарение в течение многих месяцев. Сверхпроводниковые электромагниты нужно будет держать при криогенных температурах для их нормальной работы. Эти сверхохлажденные элементы находятся рядом с плазмой, поэтому должна быть применена комбинация компактной термоизоляции с пассивным и активным отводом тепла.

При мощности в 10 кВт, это будет относительно маломощная демонстрация технологии VASIMR, но она будет "освещать дорогу" для значительно более мощных систем, которые приведут к полномасштабному использованию электрических двигателей для практических непилотируемых и пилотируемых полетов в пределах Солнечной системы.

Конфигурация двигателя


Ядро 10-киловаттного двигателя VASIMR


Конструкция двигателя состоит из внутренней керамической трубы, в которую подается нейтральное топливо и где оно ионизируется, и внешней облицованной металлом трубы большего диаметра, несущей радиочастотные антенны, которые ионизируют газ и разогревают плазму. Эти трубы окружены катушками электромагнитов, создающих магнитное поле, ограничивающее поток плазмы и формирующее магнитное сопло. Трубы, антенны и окружающие их магниты образуют ядро двигателя. Две трубы поглощают тепло, создаваемое плазмой и радиочастотными антеннами, и защищают низкотемпературные магниты. Конструкция будет включать способ переноса тепла от труб к поверхностям радиатора, которые образуют внешнюю оболочку конструкции ракеты.

Космический аппарат на орбите Земли будет поддерживать ориентацию, при которой вектор тяги двигателя будет направлен вдоль вектора скорости, а солнечные батареи ориентированы на Солнце. Карданный подвес солнечных батарей будет иметь одну ось, и аппарат будет вращаться вокруг этой оси, удерживая солнечные батареи перпендикулярно световому потоку в течение всего времени прохождения освещаемой части орбиты. Это означает, что две стороны аппарата и двигателя будут постоянно обращены в сторону глубокого космоса.


Изометрический вид VASIMR в разрезе


Цилиндрическое ядро двигателя будет расположено внутри прямоугольной оболочки (кожуха) ракеты. Эта оболочка сконструирована таким образом, чтобы минимизировать площадь поверхности, обращенную к Солнцу, и максимально увеличить площадь, обращенную в сторону глубокого космоса. Стороны оболочки, обращенные к глубокому космосу, будут служить тепловым радиатором, а другие стороны будут сделаны, насколько это возможно, максимально отражающими, чтобы минимизировать солнечный нагрев двигателя. Ядро двигателя и прямоугольная оболочка расположены за топливным баком. Радиочастотные усилители и другие электронные компоненты будут располагаться внутри прямоугольной оболочки на внутренней поверхности панелей радиатора.

Прямоугольная оболочка имеет размеры 60 см × 100 см × 200 см. Диаметр главной трубы немногим больше 20 см, а длина ее около 80 см. Диаметр контейнера, содержащего магниты, 40 см.

Топливная система

Описываемая здесь система для хранения топлива предназначена для водорода, но похожая система может использоваться и для дейтерия. Размер топливного бака подобран из расчета того, чтобы нести 50 кг сверхкритического водорода при давлении 1380 кПа и температуре 28 К. Сверхкритический водород существует как однофазная жидкость. При планируемом расходе в 1 мг в секунду, ракета использует только около 17 кг топлива в течение 6 месяцев непрерывной работы, так что бак в сегодняшнем варианте содержал бы существенный избыток топлива. Алюминиевый бак имеет сферическую форму диаметром 1.2 метра и среднюю толщину стенок приблизительно 2 мм. Бак будет покрыт многослойной теплоизоляцией толщиной от 2 до 3 см.


Топливный бак VASIMR и платформа EDO


Для обеспечения безопасности при выводе КА на "Спэйс шаттле" будет использоваться уже существующая платформа для длительного орбитального полета "челнока" (Extended Duration Orbiter, EDO). Платформа EDO была разработана, чтобы нести дополнительный запас водорода и кислорода. Во время нормальных миссий "шаттла" платформа EDO не является необходимой, поэтому можно использовать ее водородные баки, чтобы доставить топливо для VASIMR. Это позволит избежать больших расходов на разработку и сертификацию нового топливного бака VASIMR для его запуска в заправленном состоянии на "шаттле". Платформа EDO обычно несет 4 бака с водородом, каждый из которых содержит 42 кг топлива. Для заполнения бака VASIMR будет достаточно трех баков EDO с учетом потерь на перекачку. Четвертый бак - запасной.

Предполагается, что достаточное количество водорода может сохраняться в космосе в течение демонстрационной миссии только с применением пассивной термоизоляции. Перед подачей в двигатель водород будет проходить через сеть трубок для охлаждения сверхпроводниковых электромагнитов.

Радиочастотная система

Радиочастотная система использует электрическую энергию для ионизации и разогрева топлива, преобразуя холодный нейтральный газ в горячую плазму. Геликоновая антенна окружает трубу подачи топлива, где происходит ионизация. Затем плазма течет вдоль осевых линий магнитного поля, проходя через антенну ионного циклотронного резонансного нагрева (ion-cyclotron-resonance-heating, ICRH), передающую дополнительную энергию плазме. Чрезвычайно горячая плазма течет по расходящимся линиям магнитного поля сопла. Частицы плазмы постепенно отрываются от магнитных силовых линий и покидают ракету с преимущественно осевой скоростью, создавая тягу.

Как геликоновая, так и ICRF-антенна, состоят из двух колец, позволяющих создавать электрические поля со сдвигом фазы. Эти электрические поля, работая вместе с окружающим магнитным полем, ионизируют газ и разогревают плазму. Ряд осцилляторов с усилителями подают радиочастотные сигналы на антенны по плоскополосным линиям передач. Каждая антенна заземлена на проводящую стенку главной трубы.


Радиочастотная система



Каждый усилитель содержит два твердотельных усилительных компонента и предназначен для работы при входной мощности до 1 кВт с эффективностью около 80%. Каждая антенна питается через три усилителя, соединенных в цепь. Антенна будет в состоянии функционировать, даже если один из трех усилителей выйдет из строя. С тремя усилителями для каждой антенны система могла бы работать на уровне мощности 12 кВт, но предполагается, что будет обеспечено только 10 кВт.

Электромагнитная система

Для удержания плазмы требуется соответствующее магнитное поле. Локальная напряженность магнитного поля также является фактором правильного взаимодействия между создаваемыми антеннами полями и плазмой. Максимальные осевая и радиальная напряженности магнитного поля составляют соответственно 0.8 и 0.6 Тесла. Принятая к настоящему моменту конструкция электромагнитов и соответствующие силовые линии показаны на рисунке.


Катушки электромагнитов и силовые линии магнитного поля



Терморегулирование

VASIMR требует решения ряда интересных проблем теплового контроля. Необходимо хранить криогенное топливо и поддерживать сверхпроводниковые магниты при криогенных температурах. В то же время, имеются электронные усилители, генерирующие тепло из-за потерь, антенны и линии передач, нагревающиеся электрическим током, и плазма с очень высокой температурой в ядре ракеты. Космический аппарат будет подвержен постоянно изменяющимся внешним тепловым условиям при движении по орбите с растущей высотой. Системы, поддерживающие приемлемые тепловые условия, должны быть компактными, легкими, недорогими и способными надежно работать в течение многих месяцев. Поэтому, насколько это возможно, будут использоваться пассивные системы.

Топливный бак. Водород или дейтерий будут храниться в простом одностеночном баке, покрытом многослойной изоляцией. Бак будет иметь только три точки соединения с конструкцией. Материалы с низкой теплопроводностью будут использоваться в этих точках и, насколько возможно, в линиях подачи топлива, соединяющих бак с двигателем. Плоские круглые тепловые щиты будут установлены выше и ниже бака для перехвата тепла, излучаемого двигателем и КА. Некоторая утечка тепла будет иметь место, но избыток топлива должен будет компенсировать потери.

Радиочастотные системы. Усилители и другая электроника будут смонтированы на холодных платформах, охлаждаемых либо прямым отводом тепла к поверхности радиатора, либо системой тепловых трубок или циркуляцией жидкости. Линии передач и антенны будут представлять собой тепловые трубки или внутри них будет циркулировать жидкость, если только не будет найден материал, имеющий достаточную теплопроводность для полностью пассивного теплоотвода.

Сверхпроводниковые электромагниты. Катушка, на которую будет намотан сверхпроводящий материал, будет охлаждаться до температуры около 35 К трубками, несущими криогенное топливо от бака ко входу двигателя. Магнит и катушка будут окружены теплозащитной оболочкой, которая будет поддерживаться при температуре около 80 К. Есть надежда, что это может быть сделано с помощью пассивной изоляции, но, если будет необходимо, будет применен криогенный охладитель. Температура 80 К является самым высоким пределом, при котором магнит и катушка могут поддерживать свой температурный лимит, используя для охлаждения нормальный расход топлива со скоростью 1 мг в секунду.

Теплозащитная оболочка магнита поглощает тепло, идущее изнутри от ядра двигателя и снаружи от окружающих элементов конструкции и внешней среды. Вся поверхность оболочки будет покрыта многослойной теплоизоляцией. Все пустоты между катушкой магнита, оболочкой и двигателем будут соединены с вакуумом, так что теплопередача будет ограничена излучением, за исключением необходимых структурных соединений из материалов с минимальной теплопроводностью.

Ядро двигателя. Главная труба и меньшая труба внутри геликоновой антенны будут поглощать основную часть тепла, излучаемого плазмой. Эти трубы будут отводить тепло к поверхностям радиатора, обращенным к глубокому космосу. Могут быть применены тепловые трубки или циркулирующая жидкость.

Радиаторы. Важным элементом 10-киловаттного двигателя VASIMR является прямоугольная оболочка, образующая тепловой щит и радиаторные поверхности. Эти радиаторы будут использоваться для отвода тепла от ядра двигателя, антенн и усилителей. Так как ядро двигателя могло бы поддерживаться при более высокой температуре, чем электронные компоненты, радиаторные панели можно разделить на области высокой температуры и низкой температуры. На каждой радиаторной панели будет "окно", для того чтобы оболочка магнитов могла излучать прямо в космос, а не на внутреннюю поверхность панелей. Также, возможно, будет реализован отвод части тепла к радиаторным панелям КА RTD.

Для помощи в конструировании двигателя было проведено тепловое моделирование и анализ. В качестве самого плохого варианта анализировалась ситуация, при которой тепловые потери составляли 6000 Вт (60 , хотя характеристики системы должны быть намного лучше. Эта работа позволила оценить различные стратегии терморегулирования, включая материалы с высокой теплопроводностью, тепловые трубки и циркулирующую жидкость. Окончательный вариант конструкции будет настолько широко, насколько окажется возможным, включать пассивные системы.

Диагностика и управление

Для наблюдения характеристик плазмы внутри ракеты будут использоваться ряд фотодиодов, интерферометр и, возможно, видеокамера. Общее состояние системы и параметры ее работы будут мониториться с помощью датчиков напряжения, тока и напряженности магнитного поля, а также многочисленных термодатчиков. В системе подачи топлива будут находиться датчики температуры, давления и потока. На всех клапанах систем подачи топлива и терморегулирования будут иметься датчики положения.

Будет обеспечена возможность командного управления для радиочастотных систем, включения магнитов, подачи топлива и, возможно, работы некоторых диагностических устройств. Команды и телеметрия будут маршрутизироваться через системы связи на КА RTD.

* * *

Сейчас масса 10-киловаттного двигателя VASIMR оценивается в 150 кг для двигателя и его оболочки и 68 кг для топливного бака, плюс 50 кг топлива. Эта масса оценена с запасом и включает многие осторожные предположения, сделанные при разработке. Имеется потенциал для уменьшения этой массы при дальнейшем уточнении конструкции.

Предстоит сделать много работы по доработке конструкции, исследованию возможностей материалов и, особенно, по анализу и разработке систем терморегулирования. Предстоящие измерения тепловых нагрузок в лабораторных испытаниях могут пролить больше света на тепловые условия внутри двигателя и обеспечить возможность значительных конструкционных улучшений.

Пока продолжается работа по подготовке первой полетной демонстрации магнитоплазменного двигателя, предпринимаются исследования по будущим высокомощным системам и, в конечном итоге, по применению этой технологии для высокоскоростных исследовательских экспедиций автоматических аппаратов и пилотируемых кораблей к Марсу и более далеким планетам. Эта технология могла бы также стать первым шагом к двигательным системам, которые позволят нам достичь звезд.

Перевод: V.B.

Убей в себе зомби!  

hcube

старожил
★★
Хорошая штука... но тяга все равно маленькая. Те же 10 грамм с 10 Квт. По сравнению с ионниками - явное преимущество в расходных материалах - 1 мг в секунду.
Убей в себе зомби!  

hcube

старожил
★★
А больше тяги с того же двигателя получить нельзя - ограничение в напряженности магнитного поля, необходимого для удержания плазмы. Увеличить-то расход можно. И мощность - тоже можно. Но эта разогретая плазма будет давить на магнитные 'стенки'. Чтобы ее удержать нужно увеличить напряженность. Чтобы ее увеличить нужны сверхпроводящие сплавы с большим критическим магнитным полем. Их пока нет ;-(.

И вообще VASIMR - это двигатель, основаный на тепловом разгоне плазмы. А надо разгонять электрически.
Убей в себе зомби!  
RU CaRRibeaN #24.12.2000 17:17
+
-
edit
 

CaRRibeaN

координатор

>Хорошая штука... но тяга
>все равно маленькая. Те же
>10 грамм с 10 Квт.

Это только прототип. Установка для марсианской экспедиции будет мощьностью 100 МВт.

>По сравнению с ионниками -
>явное преимущество в расходных
>материалах - 1 мг в секунду.

ты на название посмотри - двигатель основан на принципе модуляции тяги удельным импульсом - чем больше тяга, тем меньше импульс. Поэтому и тяга, и удельный импульс могуд быть круче, чем у соответствующих ионников. Но не оба разом.


>И вообще VASIMR - это двигатель,
>основаный на тепловом
>разгоне плазмы. А надо
>разгонять электрически.

Это почему интересно? Имхо тепловой разгон выгодней, но сложней технически и технологически.


Shadows of Invasion.  
RU CaRRibeaN #25.12.2000 16:20
+
-
edit
 

CaRRibeaN

координатор

>Потому что для теплового
>разгона напряженность
>магнитного поля для
>удержания плазмы нужна больше.

Фигушки. Напряженность магнитного поля - чисто технические сложности (ну нет еще сверхпроводников с токами выше 44 А/м).
Тепловой разгон имеет выше к.п.д., (энергия --> скорость ) обычно.

>Ионы не упорядочены, летят в разные
>стороны.
Простите - а в электрическом они летять строго по указке? В электрическом поле, вообщем, да, а вот сразу после ионизации - нет. Просто там настолько низкие плотности, что задачами удержания никто не почти занимается (и то магниты стоят). Вырастут плотности - вырастут и напряженности магнитных полей. Не все так просто, как кажется.

>А в циклотроне сначала
>плазма генерится, а затем -
>ускоряется. Ну, такая плоская
>'бутылка' из двух плоских
>магнитов, на одном из краев
>- локальное ослабление поля
>и фокусирующая система -
>'сопло' 'камеры горения'.
>И результатом работы будет
>поток ионов, разогнанный не
>до 10 км/с, а до 0.1 C.

И какая тяга будет у такого устройства? наноньютоны? Помнится светимость (поток частиц ) у самых навороченных ускорителей составляет 1020' электронов или 1018 протонов или 1015 ионов в импульсе (вроде... не очень уверен, но порядок частиц/секунда точно меньше 20).
И это на гигаваттах. Мож для таких мощностей
что и получше можно придумать.

>Кстати, я не понял, а почему,
собственно, водород, а не
>ксеон? Потому, что у него скорость >теплового движения выше, что ли?

Да, имхо. Им важнее тепловая скорость, чем затраты на ионизацию.

Shadows of Invasion.  

hcube

старожил
★★
Это почему интересно? Имхо тепловой разгон выгодней, но сложней технически и технологически.

Потому что для теплового разгона напряженность магнитного поля для удержания плазмы нужна больше. Ионы не упорядочены, летят в разные стороны. А для электрического, ну, электромагнитного на той же напряженности поля, скажем, в циклотронном ускорителе можно достичь на порядок большей скорости. То есть на порядок меньшего расхода при той же тяге, или на порядок большего расхода (или скорости истечения) при той же напряженности.

VASIMR сначала 'разогревает' газ в плазму, а потом... просто излучает (выбрасывает у меня как-то с протонным потоком не ассоциируется ее наружу со скоростью теплового движения. Ну, может еще слегка подогрев. А в циклотроне сначала плазма генерится, а затем - ускоряется. Ну, такая плоская 'бутылка' из двух плоских магнитов, на одном из краев - локальное ослабление поля и фокусирующая система - 'сопло' 'камеры горения'. И результатом работы будет поток ионов, разогнанный не до 10 км/с, а до 0.1 C. Вот это - двигатель. Почти не требует расходников. Почти гравитационный .

Кстати, я не понял, а почему, собственно, водород, а не ксеон? Потому, что у него скорость теплового движения выше, что ли?
Убей в себе зомби!  

hcube

старожил
★★
у самых навороченных ускорителей составляет 1020' электронов или 1018 протонов

Ну так там они и ускоряются совершенно безбашенно, до энергии в ГЭВы. А мы скромные, нам столько не надо, нам и пары КЭВов хватит. Вот, кстати, задачка. Есть магнитное поле, напряженностью... сколько там у VASIMR? Ага, 0.8 Тесла. Ну, 1 для простоты. Берем циклотрон, диаметром... Ну, тоже близко к - 2 метра. Бишь метр радиуса. Вопрос - до какой скорости в нем можно разогнать поток ионов, и какую максимальную плотность в сумме этот поток будет иметь, ну, скажем при проседании поля вдвое (за счет создания потоком противополя).

Решаем.

Скорость протона при заданой кривизне будет (где там справочник... ага!)
V=mp*c/q*B*R = 1.6e-27*3e8/(1.6e-19*1e-5(перевод из Гауссов в Теслы)*1)=3e5 м/c

Энергия протона при этом -

U = m*V*V/q = 1.6e-27*9e10/1.6e-19 = 9e2 ~ 1КЭв.

Далее, предположительно будет не менее 50 циклов ускорения. Это даст при площади циклотрона (грубо) 3 м*м индукцию магнитного поля B=EI/S = EQ*50/St = E M * q * 50/ mSt, то есть
M * 1.6e-19 *50 / 3 * 1.6e-27 * t = 5e-6 Тесла.

Отсюда M/t = 5e-6 * 3 * 1.6 e-27 / 1.6e-19 * 50 = 3e-9 г/с. Упс. Вот оно. Гнать-то можно сколько хочешь, но при разгоне надо добавлять напряженность магнитного поля чтобы скомпенсировать противополе от крутящихся в ускорителе частиц. При расходе на это 50% напряженности в 1 Гаусс будет допустимый расход в 3e-9 г/c. Ну, или в 5e18 протонов в секунду.

Так что тут надо линейный ускоритель использовать, с бегущим полем. Для 50 'пластин' длина будет ~80 м. Зато магнитное поле нужно только для фокусировки, расход неограничен.

А! Да, еще. Ток протонного пучка будет 5e18 * 1.6 e-19 - 0.7 А.

То есть в идеале понадобится для разгона при 100% КПД приложить мощность в 0.9e3 * 0.7 = 0.65 КВт. Для VASIMR'овогй тяги - 10 г = 0.1 Н, нужно будет иметь расход в M=FT/V = 0.1*1/3e5 = 3.3e-7 г/с. То есть мощность нужна 0.65*100 ~ 65 КВт.

Хмм... Интересно, как они такую тягу с 10 КВт получают? Ну-ка...

F=MV/T. mV*V = U*q, MV*V=U*I*T

M=FT/V

U*I*T = M*V*V = V*V*F*T/V

U*I = V*F

То есть при постоянной тяге прикладываемая мощность пропорциональна скорости истечения. Ну, плюс еще постоянные расходы на разогрев и ионизацию. При 300 км/с (1 КЭВ) нужно будет 65 КВт. При 30 - 6,5. При 3 - 0,65. Плюс затраты на ионизацию .

В общем, получается два графика. Один - гипербола - падение при конкретной тяге затрат на ионизацию при увеличении скорости истечения. Второй - линейный - рост затрат на ускорение частиц при уменьшении истекающей массы и сохранении тяги. Где-то есть экстремум, от которого надо плясать .

[This message has been edited by hcube (edited 26-12-2000).]
[This message has been edited by hcube (edited 26-12-2000).]
Убей в себе зомби!  
RU CaRRibeaN #26.12.2000 07:48
+
-
edit
 

CaRRibeaN

координатор

Мда, гнать то можно сколько хочешь (кстати интересно, почему на современных ЭРД не применяют несколько ускоряющих промежутков?), но затраты по энергии... А двигателей должно быть несколько... Имхо то что мы видим чейчас - лучший компромис между тягой, удельным импульсом и энергопотреблением. Кстати ребята, которые делают VASMIR забывают, что на 100 Мвт можно сделать ЭРД и покруче - опять же с несколькими ускоряющими промежутками (значит будет выше удельный импульс)
Shadows of Invasion.  

в начало страницы | новое
 
Поиск
Поддержка
Поддержи форум!
ЯндексЯндекс. ДеньгиХочу такую же кнопку
Настройки
Твиттер сайта
Статистика
Рейтинг@Mail.ru