Электрореактивные двигатели

[Andrey]

Для пилотируемых полетов на Марс будет нам нужно  около 230 тонн топлива.
Стоимость 1 литра ксеона ( Dichte 2,945 kg/l и 165,07 K (-108,08 °C) ) 50000 рублей.
Нужно будет нам на полет 78098 литров или 230 тонн ксенона

На один полет получаем стоимость топлива ксеона на :

А -  3 904 900 000 рублей или
Б -   100 223 294   Euro

Тут важнее не цена.
http://www.newchemistry.ru/printletter.php?n_id=7855

На данный момент объем мирового производства ксенона и криптона составляют:
- ксенон - 11 000 м

[Андрей Суворов]

— Проблема в том, что использование аргона дает не оптимальный баковый коэффициент, то есть баки получаются тяжелые. Иными словами, повышаются расходы на ионизацию и КПД двигательной установки становится хуже. Предложение, мягко говоря, неактуальное, — сказал сотрудник компании, попросивший не указывать его фамилию.

http://izvestia.ru/news/530927

"Иными словами" говорится совсем не о том.
Баки у аргона, конечно, нужно делать дьюаровскими, и снабжать криохолодильником, в то время, как ксенон просто хранят в околокритическом состоянии - с аргоном этот фокус даже близко не выйдет. А у ксенона критическая т-ра 16 градусов Цельсия.  Но, когда речь идёт о паре сотен тонн, холодильник и т.д., понадобятся и ксеноновому баку.

Что же до затрат на ионизацию и тяговом к.п.д., то они, ясен перец, у аргона хуже, но зато УИ выше!

[Mark]

— Проблема в том, что использование аргона дает не оптимальный баковый коэффициент, то есть баки получаются тяжелые. Иными словами, повышаются расходы на ионизацию и КПД двигательной установки становится хуже. Предложение, мягко говоря, неактуальное, — сказал сотрудник компании, попросивший не указывать его фамилию.

http://izvestia.ru/news/530927

"Иными словами" говорится совсем не о том.
Баки у аргона, конечно, нужно делать дьюаровскими, и снабжать криохолодильником, в то время, как ксенон просто хранят в околокритическом состоянии - с аргоном этот фокус даже близко не выйдет. А у ксенона критическая т-ра 16 градусов Цельсия.  Но, когда речь идёт о паре сотен тонн, холодильник и т.д., понадобятся и ксеноновому баку.

Что же до затрат на ионизацию и тяговом к.п.д., то они, ясен перец, у аргона хуже, но зато УИ выше!

Da, работы над топливом идут. Можно взять тоже и рабочее тело - гелий-ксеноновая смесь (1-3 % Хе) (Последняя концепция ).
А на первом TЭM-1 мВт будет только 5-8 тонн топлива.

[Alex_II]

Da, работы над топливом идут. Можно взять тоже и рабочее тело - гелий-ксеноновая смесь (1-3 % Хе) (Последняя концепция ).

Почему не водород, как для VASIMR? Или не азот?

[Mark]

Da, работы над топливом идут. Можно взять тоже и рабочее тело - гелий-ксеноновая смесь (1-3 % Хе) (Последняя концепция ).

Почему не водород, как для VASIMR? Или не азот?

ТЕМ работает на другой засаде, aкадемик Анатолий КОРОТЕЕВ :

Точно так же мы предложили схему, в которой космический реактор не нагревает струю, выбрасываемую из него, а вырабатывает электричество. Горячий газ от реактора крутит турбину, турбина крутит электрогенератор и компрессор, который обеспечивает циркуляцию рабочего тела по замкнутому контуру. Генератор же вырабатывает электричество для плазменного двигателя с удельной тягой в 20 раз выше, чем у химических двигателей

Во-вторых, выходящая из двигателя струя не будет радиоактивной, поскольку через реактор проходит совершенно другое рабочее тело, которое находится в замкнутом контуре. Кроме того, нам не надо при этой схеме нагревать водород, здесь в реакторе циркулирует инертное рабочее тело, которое нагревается до 1500 градусов. Мы серьезно упрощаем себе задачу. Наконец, в итоге мы поднимем удельную тягу не в два раза, а в 20 раз по сравнению с химическими двигателями.

MPD двигатель более перспективный как TЭM. Удельная мощность оценивается в 1 кг/кВт а у ТЭМ будет около 5 кг/кВт.

[Макар]

Da, работы над топливом идут. Можно взять тоже и рабочее тело - гелий-ксеноновая смесь (1-3 % Хе) (Последняя концепция ).

Почему не водород, как для VASIMR? Или не азот?

Думаю из-за массы ядра (иона). Эти движки не дают возможности разогнать рабочее тело до С и получить упор в рост инерционной массы, поэтому подбирают оптимальный вариант.

[Mark]

Da, работы над топливом идут. Можно взять тоже и рабочее тело - гелий-ксеноновая смесь (1-3 % Хе) (Последняя концепция ).

Почему не водород, как для VASIMR? Или не азот?

Думаю из-за массы ядра (иона). Эти движки не дают возможности разогнать рабочее тело до С и получить упор в рост инерционной массы, поэтому подбирают оптимальный вариант.

VASIMR-двигатель на МКС будет использоваться в пакетно-монопольном режиме, с периодическими включениями и наверно з рабочем телом аргон. Росходы топлива на МКС около 7.5 тонн горючего в год.
А плазменный электродвигатель от Ad Astra ограничился бы на только 800 килограммами аргона в год. Да, а для ТЭМ у водорода тоже за малютка масса.

[vlad7308]

Da, работы над топливом идут. Можно взять тоже и рабочее тело - гелий-ксеноновая смесь (1-3 % Хе) (Последняя концепция ).

Почему не водород, как для VASIMR? Или не азот?

водород на васимр использовать предполагается только в самых далеких мечтах

[Salo]

anik пишет:

http://zakupki.gov.ru/pgz/public/action/orders/info/order_document_list_info/show?notificationId=3885317

"Создание космического комплекса "Енисей-А1" для экспериментальной лётной отработки и квалификации новых технологий и средств спутниковой связи и ретрансляции, модуля служебных систем"

2.1 Цель выполнения ОКР – создание космического комплекса с экспериментальным КА на геостационарной орбите массой до 4000 кг, оснащённым апогейной электроракетной двигательной установкой на базе электрореактивных двигателей типа М 140, и экспериментальной системы персональной подвижной спутниковой связи для лётной отработки и квалификации новых технологий и средств спутниковой связи и ретрансляции, модуля служебных систем.
...
3.2.3.5.7 В состав МСС должна входить апогейная электроракетная двигательная установка на базе электрореактивных двигателей типа стационарного плазменного двигателя (СПД) М 140, обеспечивающая выведение ЭКА по апогейной схеме выведения.
...

Перечень работ в ходе НЭО, подлежащих выполнению в рамках по ОКР "Енисей-А1", предусмотренной ФКП-2015
...
3. Изготовление макетов и опытных изделий, подготовка и проведение наземной экспериментальной отработки составных частей модернизируемого модуля служебных систем экспериментального КА, корректировка рабочей документации по результатам НЭО, в том числе:
- АЭРДУ на основе стационарного плазменного двигателя типа М-140, с системой питания и управления (СПУ), блоком подачи ксенона, баком ксенона высокой емкости в составе силовой конструкции контейнера МСС;
- проведение математического моделирования траекторно - баллистических расчетов выведения на ГСО КА с помощью АЭРДУ;
- проведение экспериментальных исследований взаимодействия АЭРДУ с элементами КА;
- проведение экспериментальных исследований электромагнитной совместимости АЭРДУ с радиотехническими системами КА при выведении КА на ГСО.

М-140 это СПД-140.

[Mark]

Вестник "НПО им. Лавочкина. 2/2011[/size]


Концепция применения электроракетнои двигателной установки в научных космических проектах: Преимущества и особенности, примеры реализации.

http://hghltd.yandex.net/yandbtm?text=%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%20%D1%81%D0%BF%D0%B4-140&url=http%3A%2F%2Fsci-lib.net%2Findex.php%3Fs%3D494b07c9ce9bec0d7475f5d0618dc3aa%26act%3Dattach%26type%3Dpost%26id%3D22681&noconv=1&fmode=inject&mime=pdf&l10n=ru&sign=73789b36b9d40338a8dd5819d7541891&keyno=0

[Salo]

http://www.militarynews.ru/excl.asp?ex=128

Генеральный конструктор и генеральный директор ОАО "ИСС" Николай Тестоедов:

- На спутниках какого класса специализируются ИСС? Можно ли сказать, что западные производители уже не являются монополистами в производстве телекоммуникационных спутников с большим количеством транспондеров – 60-70 и более?

- Напомню, что на спутнике «Экспресс-АМ5» будет 84 транспондера, на «Экспресс-АМ5» – 72. Это мощные аппараты с энергетикой в 12,1 кВт на конец срока активного существования. То есть можно говорить, что и этот сегмент мы начинаем осваивать.

В принципе же, количество транспондеров на спутнике связи определяется возможностями нашей тяжелой ракеты-носителя «Протон-М», способной выводить на геостационар вместе с разгонным блоком "Бриз-М" аппараты массой 3250 кг.

Наши спутники Amos-5, «Ямал-300К», Telkom-3 имеют массу от 1400 до 1900 кг. Это средний класс аппаратов с энергетикой до 6 кВт. Конечно, есть потребность у операторов спутниковой связи "уйти вверх" по мощности аппаратов до 14-15 кВт, а также иметь спутники меньшей мощности – до 2-3 кВт. Для таких аппаратов, кстати, у нас есть платформа «Экспресс-1000К». Она разработана в свое время по заказу Роскосмоса. Речь идет об аппаратах с 12-16 транспондерами, массой 1300-1400 кг и с энергетикой по 3 кВт. Их достоинство в том, что они дополняют средние аппараты при запуске, обеспечивая полную загрузку «Протона».

Идти в сегмент более тяжелых аппаратов можно только, если на том же самом «Протоне» при отказе от прямой схемы выведения, уходить в апогейную схему. Сегодня и у нас, и за рубежом есть проработки, когда аппарат, выведенный разгонным блоком не на геостационарную орбиту, а на геопереходную, затем сам "дожимает" до геостационара электроплазменными двигателями за 45-90 дней. Это наиболее эффективный вариант, когда без доработки ракеты-носителя и без существенной модернизации спутника мы получаем этот эффект.

Другое дело – устраивает ли это оператора. Мы считаем, что монополия западного производителя по количеству транспондеров на спутнике потеряна. В конце концов, можно в одну и ту же точку запускать два спутника среднего класса и пусть они работают в колокации. Хотя понятно, что удельная эффективность одного большого аппарата больше, чем двух средних той же суммарной массой.

[Mark]

Dual-stage Gridded Ion Thruster -DS4G.[/size]


Плазменные двигатели для пилотируемых  полетов ещо мы не сделали, а есть много  концепции.
Уже 2006 году ЕKА испытали новый ионный двигатель Dual-Stage 4-Grid. На модели была достигнута разница потенциалов около 30000 вольт и получен поток частиц  перемещавшейся со скоростью 210000 м/с. А это более, чем в четыре раза больше чем у существующих ионных двигателей. ЕKА гаварит что и скорость 1000 км/с есть возможна. В последние время мало об этом пишу.
 
http://www.esa.int/gsp/ACT/pro/pp/DS4G/background.htm

[Mark]

ДАЛЁКИЙ КОСМОС СТАНОВИТСЯ БЛИЖЕ[/size]
Доктор технических наук, Профессор Ковальский Георгий Александрович

Интересна статья о проблемах к созданию плазменных двигатели к более высоким потенциалам ускорения ионов с целью получения тяги до 5 ньютон. Да, все работы явно тормозится. Первый старт ТЭМ-1 МВт будет около 2025 года, есть ещо много время (или будет) на создание двигатели!?.

Для моделирования процессов, имеющих место при захвате ионов в ускорительную
систему можно применять короткие прямоугольные ( например по двадцать миллисекунд ) импульсы потенциалов, что избавит от необходимости использовать мощные источники электрического питания на начальной стадии работы.

Приведу примеры  значений тяговых усилий, которые возможно получить, используя газовый разряд в криптоне для соответствующих мощностей.

Мощность двигателя  : 1000 кВт  
Параметры двигателя : 80кВ и12 А
Скорость струи         : 430 км/сек
Тяговое усилие         : 4.3 Н

Да, не плохо!

http://newcosmionthruster.narod2.ru/

[Assama]

[На модели была достигнута разница потенциалов около 30000 вольт и получен поток частиц  перемещавшейся со скоростью 210000 м/с

А вчем смысл этих рекордов? Уже при 20км/с масса энергоустановки, хоть солнечной хоть ядерной, в разы первосходит массу рабочего тела необходимого  на несколько лет работы двигателя, а тут в десять раз увеличивают цену тяги.

[Mark]

[На модели была достигнута разница потенциалов около 30000 вольт и получен поток частиц  перемещавшейся со скоростью 210000 м/с

А вчем смысл этих рекордов? Уже при 20км/с масса энергоустановки, хоть солнечной хоть ядерной, в разы первосходит массу рабочего тела необходимого  на несколько лет работы двигателя, а тут в десять раз увеличивают цену тяги.

Смысль рекордов чтобы сделать эффективные двигатели. На полет до марса будет нам нужно около 250 тонн топлива.
На ето нужно нам двигател на 90 км/с и 25 МВт. Масса двигателя 120 тонн. Сделаем двигатель на 1000 км/с и та сама тяга, нужно будет только 25 тонн топлива и 250 МВт. На ядерном двигателю и УИ  900с будет нам нужно около 750 tonn вoдoroдa, а на газофазным двигателю и 5000с УИ только 150 тонн топлива.

[Chilik]

А вчем смысл этих рекордов?

А смысл довольно простой. На низких напряжениях нелегко сделать высокопервеансные системы большой мощности. С увеличением полного напряжения до какого-то разумного уровня (который как раз и определяется имеющимися технологиями) можно, сохраняя среднюю напряжённость электрического поля в зазоре, слегка увеличить зазоры, снизить требования на точность изготовления и дать больше запас на температурные и прочие поводки. и т.п.

[Salo]

http://www.aviationweek.com/Article.aspx?id=/article-xml/asd_07_30_2012_p04-02-481200.xml

Ad Astra Reaches Plasma Propulsion Milestones
By Mark Carreau
Source: Aerospace Daily & Defense Report



July 30, 2012

HOUSTON — Ad Astra Rocket Co. is reporting advances in the performance of its 200-kw Vasimr plasma rocket engine prototype and its first demonstration of Constant Power Throttling (CPT), a unique feature of the experimental powerplant.

Representatives of the seven-year-old commercial space propulsion company plan presentations on the developments at the 48th annual American Institute of Aeronautics and Astronautics Joint Propulsion Conference in Atlanta on July 30. Ad Astra was founded by former NASA astronaut and plasma physicist Franklin Chang-Diaz with the goal of reducing interplanetary travel times.

June characterizations of the VX-200, Ad Astra's 200-kw prototype, revealed a 10% improvement in efficiency at intermediate values of specific impulse below the 5,000-sec. optimal point demonstrated at the company's suburban Houston lab in 2009 and 2010.

The efficiency improvements were achieved through design improvements in critical engine components, "fine-tuning" the radio-frequency power system settings and upgrades to the software that controls the engine during startup and firing, Ad Astra says.

CPT enables the VX-200 to vary the exhaust parameters for thrust and specific impulse while operating at a fixed power level. Achieved by changing the relative fraction of power reaching the engine's two stages, while simultaneously altering the propellant feed, CPT would permit an operational version of the company's Vasimr (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) concept to both increase payload mass and decrease trip times, according to Ad Astra.

At relative power ratios of two or more, the June testing indicated no significant loss of efficiency.

"The recent data represent one more step in the full characterization of the engine and validate the assumptions on which our business models are based," Chang-Diaz said in a statement.

In May, Ad Astra expanded its Space Act Agreement with NASA to initiate the safety, reliability and mission assurance phase of a prospective 2015 test flight of a Vasimr prototype, either to the International Space Station or on a free-flyer, for three years of in-space characterization.

Ad Astra envisions a role for solar-powered versions of Vasimr in the mitigation of orbital debris and the delivery of supplies to astronauts at lunar Lagrange points or exploring near-Earth asteroids. Theoretically, a nuclear-powered version could cut the 7-10-month transit to Mars using conventional propulsion to less than two months.

[Salo]

http://www.aviationweek.com/Article.aspx?id=/article-xml/AW_08_13_2012_p21-483700.xml&p=1

Solar-electric Advancing For Deep-space Propulsion
By Frank Morring
Source: Aviation Week & Space Technology



August 13, 2012

Working in the background, a relatively small group of U.S. spaceflight engineers has been figuring out just what it will take to get humans out of low Earth orbit to Mars, with stops along the way in cislunar space and perhaps on near-Earth asteroids. Spearheaded by William Gerstenmaier, associate NASA administrator for human exploration and operations, and managed in part by John Shannon, the last space shuttle program manager, the team is developing mission architectures that will guide the elected and appointed politicians who must fund and manage mankind's next steps into the Solar System. With budgets tight for the foreseeable future, a lot of attention is going into affordable technology.

One promising technology finding a big role in future exploration architectures is solar-electric propulsion (SEP). Work is underway at advancing the readiness levels of technologies that covert energy from the Sun into propulsion by using solar-generated electricity to force ions out of an engine at high speeds to produce thrust. It isn't a lot of thrust, but it can go a long way on relatively little fuel. A SEP system weighs a lot less than chemical propulsion. Given enough time it can move a lot of mass through space. That in-space advantage makes it particularly attractive for pre-positioning cargo—supplies, habitats and the like—to keep human explorers alive after they arrive on a faster vehicle to explore a distant location.

"Folks in the human exploration mission directorate have identified all of this need," says Amy Lo, lead system engineer on a SEP project Northrop Grumman has run for NASA's Glenn Research Center. "We would like to send humans to asteroids. In order to do that we need a big tug. Others have identified the fact that in order to, for example, send humans to Mars, we need a lot of cargo in space, so how do we send those things out with existing launch vehicles?"

Lo's project—one of several funded by Glenn—proposes using a "high-heritage" lightweight deployable concentrator to focus solar energy on a receiver containing a working fluid that, when heated, would drive a Brayton-cycle engine to generate electricity. The electricity would power a Hall thruster (photo) to move the spacecraft. Northrop Grumman and its partners—Sandia National Laboratory and the University of Michigan—believe the approach would support a 300-kw SEP system, and are refining a concept to demonstrate the technology by using it to move a spacecraft from low Earth orbit to geostationary orbit.

Potential applications include deep-space exploration beyond the range of solar-array technology, says Lo. If the mission goes deep enough, the Brayton-cycle generator could be driven with heat from a radioisotope thermoelectric generator instead of the Sun.

Among the trades Northrop Grumman is evaluating as it looks for a flight opportunity is finding the best working fluid. The concept for Glenn would use helium xenon, although some ground-based solar-power plants using concentrated sunlight have used supercritical carbon dioxide.

Aerojet is also working SEP concepts that draw on its experience with solar-array powered Hall thrusters on the U.S. Air Force Advanced Extremely High Frequency (AEHF) spacecraft.

"The Hall Thruster technology to us is the one, because it's here today and has some benefits you could realize today," says Julie Van Kleek, Aerojet's vice president for space and launch systems.

The company has technology in the 20-40-kw range "that's pretty mature," Van Kleek says. That is much higher than the station-keeping SEP technology used in part to rescue the AEHF SV-1 spacecraft stranded in the wrong orbit (AW&ST Sept. 6, 2010, p. 34).

Despite the technology's maturity and its advantages in a variety of spaceflight scenarios, Van Kleek says, spacecraft engineers have been slow to adopt SEP technology for applications other than stationkeeping in GEO.

"People don't fully understand the value, and some people get scared, because it's so low-thrust, of the time aspect," she says. "It certainly isn't something that's going to get you there in 30 minutes. [For] a lot of these cargo-type missions, it would take a year. A lot of missions can afford that, but you have to think differently, because everybody thinks chemical. The amount of weight savings you get is worthwhile. Weight is everything when you're talking about cost."

Other companies working SEP concepts with NASA/Glenn include Ball Aerospace, Boeing, Lockheed Martin and Analytical Mechanics of Hampton, Va. Overall, NASA is spending approximately $3 million on initial work like the $600,000 job Northrop Grumman did. In addition to that solar-dynamic approach, the agency's Office of Chief Technologist is working on solar-array configuration tradeoffs and other SEP issues that could one day enable the kinds of human-exploration missions the agency wants to keep doing (AW&ST May 28, p. 20).

[pkl]

[На модели была достигнута разница потенциалов около 30000 вольт и получен поток частиц  перемещавшейся со скоростью 210000 м/с

А вчем смысл этих рекордов? Уже при 20км/с масса энергоустановки, хоть солнечной хоть ядерной, в разы первосходит массу рабочего тела необходимого  на несколько лет работы двигателя, а тут в десять раз увеличивают цену тяги.

Ого! Впечатляет. Тогда возможна такая схема: энергоустановка отдельно, аппарат - отдельна. Энергия передаётся на его борт по лучу лазера или микроволнам.

[Mark]

[На модели была достигнута разница потенциалов около 30000 вольт и получен поток частиц  перемещавшейся со скоростью 210000 м/с

А вчем смысл этих рекордов? Уже при 20км/с масса энергоустановки, хоть солнечной хоть ядерной, в разы первосходит массу рабочего тела необходимого  на несколько лет работы двигателя, а тут в десять раз увеличивают цену тяги.

Ого! Впечатляет. Тогда возможна такая схема: энергоустановка отдельно, аппарат - отдельна. Энергия передаётся на его борт по лучу лазера или микроволнам.

Да, не плохое решение!!!