Атмосферный дайвер

А если так - молекула стукается о наш сборщик, ионизируется (для этого держим на раструбе соответствующее напряжение) и далее или ускоряется для поддержания скорости, или опять же электромагнитно тормозится и попадает в бак.
Т.е. несколько секций ускоряющих и несколько тормозящих расположенные параллельно.

Ученые ЦАГИ испытали двигатель перспективного космического аппарата

© tsagi.ru
Специалисты Центрального аэрогидродинамического института имени профессора Н.Е. Жуковского (входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского») провели серию наземных испытаний по проекту создания прямоточных воздушных электрореактивных двигателей (ПВЭРД) для долговременного поддержания космических аппаратов (КА) на сверхнизких орбитах (до 250 км). Исследования проводятся в рамках программы ЦАГИ—РАН, партнером ЦАГИ в них выступает МАИ.

Преимуществом перспективного аппарата с ПВЭРД станут его экономичность и длительность пребывания на орбите, ограниченная лишь физическим ресурсом двигателя, а не запасом топлива. Предполагается, что роль топлива будет играть разреженный воздух из атмосферы, который ионизируется и разгоняется в электромагнитном поле. Получившаяся плазма устремляется из двигателя наружу, сообщая КА ускорение в противоположном направлении. Полет на сверхнизких орбитах позволит КА выполнить те же целевые задачи, что и на популярных сегодня низких орбитах высотой порядка 1000 км, но значительно уменьшить массу КА и соответственно затраты на его запуск (примерно в 300 раз). Также на порядки можно снизить требуемые мощности передатчиков и приемников спутниковой связи.

На данном этапе ученые ЦАГИ имитировали работу двигателя при различной плотности воздуха в специальной ионосферной аэродинамической трубе. Зажечь плазму можно только начиная с определенной плотности атмосферного газа — это значит, что есть высота, выше которой использование ПВЭРД невозможно из-за слишком разреженного воздуха. Специалисты получили это пороговое значение плотности и по нему вычислили диапазон высот, где атмосфера уже достаточно разрежена для уменьшения аэродинамического сопротивления, но еще позволяет запустить двигатель, тяга которого компенсирует сопротивление внешней среды.

По словам специалистов, испытания прошли успешно, результаты подтвердили реализуемость процесса ионизации в ранее предсказанном диапазоне высот150-190 км.

«Мы убедились в том, что выбранная схема двигателя позволяет зажечь плазму на ожидаемой высоте. Следующий шаг — определение ресурса двигателя. Ученые ЦАГИ с коллегами из других организаций представят технические решения, направленные на повышение ресурса, затем последует его расчетное определение, а финальным этапом станет проверка теоретических результатов экспериментами. После завершения всего комплекса наземных испытаний планируется провести летный эксперимент на сверхнизких орбитах в космосе», — сообщил руководитель программы аэрокосмических исследований ФГУП «ЦАГИ» Александр Филатьев.

Программа ЦАГИ—РАН действует с 2000 года. Ее цель — применение результатов фундаментальных исследований Российской академии наук для решения практических задач авиационно-космической отрасли. ЦАГИ в качестве головного института выполняет связующую роль между РАН и предприятиями промышленности, организуя прикладные исследования по наиболее актуальным проблемам авиастроения. Совместные исследования ученых ЦАГИ и МАИ в области разработки перспективных двигателей стартовали в 2014 году.

Во блин, оказывается, уже три года всё забываю.
Один индус на эту тему даже диссер слепил, сделал много разных оценок.
К сожалению, таки мыслимые цифры, как и следовало ожидать, очень скромны. И основное ограничения - это доступная энерговооружённость, а она, в свою очередь, определяется сопротивлением, а оно - свободномолекулярным характером течения. Ну, и еще вытекающей из него же низкой эффективность сжатия.

The propellant collection equations enable the study of where propellant collection is technically feasible as a function of orbit and vehicle performance parameters. Two case studies conducted for a very-low Earth orbit science mission and a propellant depot-type mission serve to demonstrate the application of the propellant collection equations derived in this work. The results of this work show where propellant collection is technically feasible for a wide range of orbit and vehicle performance parameters.

However, propellant collection is not presently suitable for propellant depot applications due to limitations in power.

--

Drag Coefficients and Collector Efficiency
The drag coefficients and both contribute to the overall aerodynamic
drag on a propellant collecting vehicle. This work makes use of the analytical drag
coefficient derivations from Sentman to estimate the drag coefficient as a function of the
orbit, the collector efficiency, and the usage ratio [47]. Sentman's analysis makes the
assumption of free-molecular flow and diffuse reflection of particles. ...



Compressor Efficiency
In order to compress the oncoming flow for storage, the compressor system must
operate over several orders of magnitude of pressure. Systems capable of achieving the
high compression ratios necessary to perform this function exist in the form of vacuum
pumps. The most likely analog to a notional compression system for a propellant-
collecting vehicle is the turbomolecular pump. Turbomolecular pumps are
turbomachinery devices which utilize a rotating blade assembly over several stages to
mechanically compress ingested gas. Thermodynamically, turbomolecular pumps are
inefficient because they ingest a small mass flow rate and must combat comparatively
large friction and backflow losses [73]. Hablanian estimates turbomolecular pump
thermodynamic efficiency to be "only a few percent." Thus compressor efficiency in this
work is taken to vary between one and ten percent.



Collector Efficiency 0.4
Drag Coefficient Sentman’s Result



Diameter 1.27 m
Length 6.3 m
Volume 8 m3
Usage Ratio 0.61
Total Generated Power 583 kWe
Total Reactor Mass 81,000 kg
Vehicle Dry Mass 135,000 kg
Vehicle Density 16,875 kg/m3
Radiator Area (Deployed) 39 m2
Orbit 140 km, 28.5° Inclination, Circular
Annual Mass Surplus 340 kg/year

At first glance these specifications appear reasonable.


Table 17. Specifications for a collector design which meets the dimension and reactor mass
constraints in addition to the feasibility condition.
Diameter 3.89 m
Length 19.4 m
Volume 230.6 m3
Usage Ratio 0.43
Total Generated Power 583 kWe
Total Reactor Mass 81,000 kg
Vehicle Dry Mass 135,000 kg
Vehicle Density 585 kg/m3
Radiator Area (Deployed) 39 m2
Orbit 170 km, 28.5° Inclination, Circular
Annual Mass Surplus 79.3 kg/year


Table 18. Specifications for a collector design in the ideal case which meets the design constraints.
Diameter 3.96 m
Length 19.8 m
Volume 244 m3
Usage Ratio 0.26
Total Generated Power 3,240 kWe
Total Reactor Mass 81,000 kg
Vehicle Dry Mass 135,000 kg
Vehicle Density 553 kg/m3
Radiator Area (Deployed) 23.4 m2
Orbit 130 km, 28.5° Inclination, Circular
Annual Mass Surplus 4,367 kg/year

 

Согласно другим работам, "собираемость" ВЗ не превышает 50%, причём чем больше размеры - тем она хуже. Хотя разброс у разных авторов ощутимый, т.к. применяются разные модели, притом что, строго говоря, ни одна из них не является полностью корректной для условий орб. полёта на 100-120 км. Но порядок результатов один. Разница скорее в оптимальных конструкциях заборников.

Прочитал тему. Ключевой вопрос целесообразности разработки дайвера - а зОчем (???! ) он вообще такой нужен на Земле? Я понимаю черпать гелий-3 из атмосферы какого-нибудь Урана. Но собирать кислород, на Земле, и ради этого городить такую сложную, хрупкую и непроизводительную систему?

С точки зрения эксплуатации, не особо выгодно собирать таким аппаратом кислород. Кислород так-то нужен только в нижних ступенях РН, верхние выгоднее делать на гидразине и других самовоспламеняющихся составах, или же нехимические (ядерные, ионные, на парусах). Зачем его добывать дополнительно, да ещё и таким неестественным способом - непонятно. Отговорки про то чтобы использовать его в качестве рабочего тела - не канают (слишком уж он химически активный, когда чистый).