Электрореактивные двигатели

[Chilik]

Василий Котов пишет:

vlad7308 пишет:

А давайте я всё-таки ещё раз повторю: на частоте ионного циклотронного резонанса.

Разве я утверждал, что нагрев на какой попало частоте?
Конечно на частоте максимального поглощения ЭМ-излучения, то есть резонанса.
У электронов и ионов это частота различна. Для электронов это СВЧ диапазон.

Василий, блестяще!

Теперь только осталось понять, как именно это Ваше знание можно применить к обсуждаемому объекту.
Начать можно с первоисточника: http://www.adastrarocket.com/aarc/VASIMR
И там Вы убедитесь ровно в том, о чём тут пытались сказать несколько человек, включая меня.
В этом устройстве нет электромагнитных волн СВЧ диапазона. И нет нагрева на электронной циклотронной частоте. Он авторам не нужен. Им нужно накачать импульс в ионы, а делать это посредством электронов - мучительно долго (в этом месте опять порекомендую вводный курс в физику плазмы, конкретно раздел про частоты столкновений и время релаксации энергии в плазме).
Да, кстати, в общем виде заявление о том, что циклотронные резонансы оптимальны для нагрева - неверно. Особенно электронные, там достаточно легко вместо нагрева плазмы получить перегрев высокоэнергетичных хвостов функции распределения, с которыми потом непонятно что делать. Нужно очень аккуратно смотреть каждую конкретную реализацию системы и задачи, для которых нужно вкладывать энергию.

[ZOOR]

http://www.poisknews.ru/special/kpd/13895/

Только в прошлом году Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) подал на конкурсы ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы" 19 заявок. Выиграли 5 из них. На 119 млн рублей. По мероприятию 1.3, где поддерживается проведение прикладных исследований, направленных на создание опережающего научно-технологического задела для развития отраслей экономики, победителем был назван проект "Разработка лабораторного образца электрического ракетного двигателя (ЭРД), использующего в качестве рабочего тела атмосферную среду, для низкоорбитальных космических аппаратов", где ответственным исполнителем является НИИ прикладной механики и электродинамики МАИ. Сегодня об этой работе читателям "Поиска" рассказывает директор института академик Гарри ПОПОВ.

Спойлер

- У этого конкретного проекта есть начало - исследования в рамках Постановлений №№218 и 220 Правительства РФ и будет продолжение - решение чрезвычайно интересных и важных задач поддержания и изменения орбит низкоорбитальных космических аппаратов (КА) с повышенными сроками активного существования и разработкой для этих целей ЭРД, использующих атмосферные газы в качестве рабочего тела (РТ), - говорит Гарри Алексеевич. - Получается как бы прямоточный воздушно-атмосферный ЭРД. Именно последнее позволит существенно увеличить срок активного существования указанных выше КА.

Вообще МАИ - один из вузов, который еще во времена СССР был выбран в качестве научно-технической организации, соединившей в части теоретических, экспериментальных исследований, инженерных разработок лабораторных моделей ЭРД, в частности стационарных и импульсных плазменных двигателей, стационарных плазменных двигателей с анодным слоем и ионных двигателей, физиков Курчатовского института, которые разработали теоретические основы, создали и испытали первые образцы стационарных и импульсных плазменных двигателей, ионных двигателей, c промышленностью (ОКБ "Факел", Калининград). В МАИ была создана кафедра, а в дальнейшем и указанный выше НИИ, которые и в настоящее время специализируются по тематике ЭРД, именно маевцы оказались тем необходимым звеном, которое помогло и помогает в нашей стране создавать ЭРД, разрабатывать двигатели нового поколения.

Скорость истекающего РТ в эксплуатируемых в настоящее время ЭРД в пять и более раз выше, чем в жидкостных ракетных двигателях, которые могут быть использованы для решения аналогичных задач.

Великий К.Э.Циолковский еще в самом начале прошлого века отметил, что будущее космонавтики за электрическими "ракетами". Константин Эдуардович показал, что чем выше скорость истечения РТ из двигателя, тем меньше требуется массы рабочего тела (топлива) на борту ракет или КА для выполнения поставленных задач. Вот почему сегодня ЭРД используются на абсолютном большинстве геостационарных КА, функционируют на более чем 20% летающих в космосе КА различного назначения. Меньшая масса рабочего тела означает увеличение срока активного существования (САС) КА, снижение массы двигательной установки и/или увеличение массы полезной нагрузки (ПН). С ЭРД можно выводить на рабочую орбиту КА одной и той же массы более легкой ракетой-носителем, то есть решать задачу более дешево, а в случае одинаковых ракет-носителей можно взять на борт ПН большей массы или увеличить САС КА. Для миссий дальнего космоса также появляется возможность решать задачи на качественно новом уровне.
В стационарно работающих ЭРД РТ, как правило, является нейтральный газ ксенон, который за счет электрической мощности, подводимой к ЭРД, ионизуется и ускоряется под воздействием электростатических, электромагнитных сил или перепада давления. Для некоторых научных и народно-хозяйственных задач (дистанционное зондирование Земли и другие) требуются низколетные КА (орбиты от ~180-260 км и несколько выше). Для парирования аэродинамического сопротивления на указанных высотах подобные аппараты должны иметь на борту двигатели. Одним из перспективных вариантов таких двигателей будет являться ЭРД, использующий атмосферные газы в качестве рабочего тела. В этом случае не требуется иметь на борту баки, заправленные на земле РТ (например, Хе), масса которого ограничивает САС низколетящих КА. Идея использования атмосферных газов позволяет значительно увеличивать САС низколетов. Недавно европейский космический аппарат GOCE, изучавший гравитационное поле Земли, работал на высотах 235-260 км более 4 лет. Для обеспечения четырехлетнего САС на борту КА был установлен ионный двигатель мощностью около 600 Вт. В течение всего срока полета было израсходовано около 40 кг Хе. Если бы использовался рассматриваемый нами прямоточный ЭРД, то срок полета был бы значительно больше.

Учеными МАИ (Обухов В.А., Петухов В.Г., Попов Г.А., Хартов С.А.) был предложен и обоснован ЭРД для современных низколетов, использующий в качестве РТ газы атмосферной разреженной среды. Сама идея просматривалась в ЦАГИ и МАИ ранее - более 40 лет назад. В настоящее время нами был предложен либо чисто прямоточный вариант ЭРД нового поколения, либо вариант с накоплением газа в промежуточной системе складирования. В основе таких установок могут быть ЭРД разных типов и мощностей. В России наиболее развита технология стационарных плазменных двигателей. Перспективно также применение ионных двигателей. В целом специалисты МАИ оценивают, что комплекс предложенных ими решений позволит продлить САС нового КА типа европейского GOCE вдвое - до 8 лет. САС такого КА будет лимитирован только ресурсом целевой аппаратуры.

- Ну а кому подобные двигатели потребуются?

- Науке, народному хозяйству. Например, использование таких ЭРД на борту КА позволит обеспечить более полное изучение гравитационного поля Земли, в отдельных случаях более качественное дистанционное зондирование. Потому мы уверены, что такие двигатели найдут себе применение. За 2015 и 2016 годы мы с партнерами из ЦАГИ им. профессора Н.Е.Жуковского и МГТУ им. Н.Э.Баумана планируем сделать лабораторный образец такого двигателя. Аппарат будет лететь на высотах, где воздух еще есть, хотя и разряженный на порядки по сравнению с атмосферой на уровне "поверхности" Земли. Для решения указанной задачи мы работаем совместно со специалистами по молекулярной аэродинамике из ЦАГИ. На специальной аэродинамической трубе ЦАГИ будет экспериментально исследован воздухозаборник атмосферных газов ЭРД. В МГТУ тоже занимаются электрическим ракетным двигателем, имеют опыт по изучению воздействия активных газов на материалы. В первую очередь будут изучены воздействия атомарного кислорода на металлические электроды двигателя. Сами мы для экспериментальных исследований планируем задействовать уникальное оборудование - комплекс вакуумных стендов, оснащенных современными "безмасляными" средствами достижения и поддержания достаточно низкого динамического вакуума в вакуумных камерах объемом от 0,7 до 20 кубометров. Последняя камера оснащена насосами, обеспечивающими скорость откачки до 200 000 литров Хе в секунду (на сегодняшний день - максимальная в России). Стенды оснащены современными системами прямого измерения тяги двигателя, расхода рабочего тела и параметров ионной струи, а также современными средствами автоматизированного сбора и обработки информации.
Задача должна быть решена оперативно, тем более что к подобным двигателям проявили интерес зарубежные университеты, промышленные предприятия нашей страны, имеющие отношение к разработке и созданию малых космических аппаратов.

- Им и отдадите выполнить лабораторный образец?

- Нет, его будут делать в Воронеже, в КБХА. Радует, что ряд промышленных и научных организаций готовы оказать нам помощь - софинансировать модернизацию наших стендов. Молодежь, которую мы специально привлекаем к проекту, будет работать на современном оборудовании.

- Специально - чтобы соблюсти требования контракта?

- Нет, достичь требуемые показатели не так уж и сложно. У нас есть достаточное количество молодых специалистов, аспирантов, студентов. Главное, что они наберут опыт исследований и работы, связанный с созданием ЭРД нового поколения, смогут генерировать новые идеи. Проект интересный, ориентированный на прикладной результат, получение новых научных данных, подготовку талантливых инженеров и ученых.

Спецвыпуск подготовили
Елизавета Понарина,
Елена Зайцева

[свернуть]

[Алексей Любопытный]

В дополнение к вот этому сообщению хочу приложить документ, который объясняет, что же всё таки открыл Морозов.





Морозов вытянул Катод и создал магнитное поле, которое постепенно закручивает плазму. В результате вращения плазма образует спиральный вихрь, который "схлопывается" за катодом. Образуется ударная волна, которая значительно нагревает плазму.

По результатам численного моделирования в институте прикладной математики им. Келдыша квазистационарные сильноточные плазменные двигатели (КСПД) позволяют получить скорости реактивной струи 400 км/с и тягу сопоставимую с химическими реактивными двигателями. КСПД могут работать на атмосферном воздухе.

А теперь моё личное мнение. Морозов как и Кубарев, также участвовал в проектах Метеор-1, -2, -3. На этих ракетах испытывались ускорители частиц. По результатам тестов победил Морозов и его двигатель на основе эффекта Холла, СПД, стал основным для отечественной космонавтики.

В чём тогда на мой взгляд недооценили Кубарева? А в том, что установка Кубарева позволяла решить важный вопрос накопления заряда на двигателе. Он открыл закон магнитного ускорения плазмы, который позволял отправлять в реактивной струе и положительно заряженные ионы и электроны, которые не возвращались к космическому аппарату.

Установка Морозова позволяет создать многоступенчатый плазменный двигатель. Вытянутый катод формирующий вращающуюся плазму и ударную волну может использоваться в качестве второй ступени ЭРД. В качестве первой ступени можно использовать различные варианты предварительного подогрева плазмы. Это может быть предварительно нагретая и ионизированная в атомном реакторе смесь ксенона с гелием, которую дополнительно ионизируют электрическим полем и/или электромагнитным резонансным излучением.

В качестве первой ступени КСПД, на "подогреве", может использоваться и уже давно отработанный СПД.

[Алексей Любопытный]

По приведённой таблице можно посчитать удельную тягу КСПД Морозова.

Водород - 269 835 м/с - 27 515 с.
Ксенон - 23 177 м/с - 2 363 с.

Тяга серьёзная, а удельная тяга на ксеноне слабенькая по сравнению с ионными двигателями заявленными Центром Келдыша. Но на водороде характеристики потрясающие!

Нужно работать над первой ступенью.

[vlad7308]

Зверюга, а Вы понимаете, как связаны тяга и удельный импульс? в РД вообще и в ЭРД, в частности?

[Алексей Любопытный]

vlad7308 пишет:
Зверюга, а Вы понимаете, как связаны тяга и удельный импульс? в РД вообще и в ЭРД, в частности?

Может вы хотели сказать удельная тяга?

[Алексей Любопытный]

КСПД Морозова имеет высокую тягу на водороде - 6530 Н. Это 653 кгс. Правда неизвестна потребляемая мощность. Удельная весовая тяга на водороде также прекрасна - 27 515 с.

Я сделал вывод о малой удельной тяги из-за того, что не верно прочитал параметры созданного в Центре Келдыша ионника. Мне показалось 70 000 с, а там написано 70 000 м/с.

Отсюда можно сделать вывод, что КСПДУ Морозова показывает замечательные характеристики на водороде.

[vlad7308]

Zveruga пишет:

vlad7308 пишет:
Зверюга, а Вы понимаете, как связаны тяга и удельный импульс? в РД вообще и в ЭРД, в частности?

Может вы хотели сказать удельная тяга?

я хотел сказать именно то, что сказал  
каким соотношением связаны мощность, тяга и УИ в РД?
а еще - как зависит УИ от молярной массы рабочего тела?

[mihalchuk]

Zveruga пишет:
КСПД Морозова имеет высокую тягу на водороде - 6530 Н. Это 653 кгс. Правда неизвестна потребляемая мощность. Удельная весовая тяга на водороде также прекрасна - 27 515 с.

Я сделал вывод о малой удельной тяги из-за того, что не верно прочитал параметры созданного в Центре Келдыша ионника. Мне показалось 70 000 с, а там написано 70 000 м/с.

Отсюда можно сделать вывод, что КСПДУ Морозова показывает замечательные характеристики на водороде.

КПД двигателя на водороде будет очень низок - килограмм водородной плазмы имеет гораздо большее энергосодержание, чем килограмм ксеноновой плазмы. Двигатель хорош при избытке энергии, например, при полётах к внутренним планетам с использованием СБ. Только летать нужно не на водороде, а на продуктах распада аммиака. УИ будет около 6000 с. Не ксенон, конечно, но ксенона на всех не напасёшсмя, а аммиак возят пароходами.

[Алексей Любопытный]

mihalchuk пишет:

Zveruga пишет:
КСПД Морозова имеет высокую тягу на водороде - 6530 Н. Это 653 кгс. Правда неизвестна потребляемая мощность. Удельная весовая тяга на водороде также прекрасна - 27 515 с.

Я сделал вывод о малой удельной тяги из-за того, что не верно прочитал параметры созданного в Центре Келдыша ионника. Мне показалось 70 000 с, а там написано 70 000 м/с.

Отсюда можно сделать вывод, что КСПДУ Морозова показывает замечательные характеристики на водороде.

КПД двигателя на водороде будет очень низок - килограмм водородной плазмы имеет гораздо большее энергосодержание, чем килограмм ксеноновой плазмы. Двигатель хорош при избытке энергии, например, при полётах к внутренним планетам с использованием СБ. Только летать нужно не на водороде, а на продуктах распада аммиака. УИ будет около 6000 с. Не ксенон, конечно, но ксенона на всех не напасёшсмя, а аммиак возят пароходами.

В том то и дело, что ударная волна лучше "работает" в более "легкой" плазме. По этому эффект воздействия вихря на водород лучше чем на Ксенон.

[Алексей Любопытный]

vlad7308 пишет:

Zveruga пишет:

vlad7308 пишет:
Зверюга, а Вы понимаете, как связаны тяга и удельный импульс? в РД вообще и в ЭРД, в частности?

Может вы хотели сказать удельная тяга?

я хотел сказать именно то, что сказал
каким соотношением связаны мощность, тяга и УИ в РД?
а еще - как зависит УИ от молярной массы рабочего тела?

Всё это вы можете узнать в Википедии.

[vlad7308]

Zveruga пишет:

vlad7308 пишет:

Zveruga пишет:

vlad7308 пишет:
Зверюга, а Вы понимаете, как связаны тяга и удельный импульс? в РД вообще и в ЭРД, в частности?

Может вы хотели сказать удельная тяга?

я хотел сказать именно то, что сказал
каким соотношением связаны мощность, тяга и УИ в РД?
а еще - как зависит УИ от молярной массы рабочего тела?

Всё это вы можете узнать в Википедии.

да я-то знаю  
причем без всякой википедии.

[Алексей Любопытный]

vlad7308 пишет:
да я-то знаю
причем без всякой википедии.

Дело в том, что там (в моих цитатах) нет удельного импульса. Там есть просто тяга, удельная массовая тяга и удельная весовая тяга.

[vlad7308]

Однако Вы почти все время пишете "удельная тяга" - а это устаревший синоним "удельного импульса".
Кроме того, значения Вашей "удельной тяги" почему-то приведены в м\с или с - а в м\с или с-1 измеряется именно удельный импульс. А "удельная весовая тяга", если понимать ее как отношение тяги в весу, размерности не имеет.
Ну и как все это понимать?

[Алексей Любопытный]

Водород, тяга - 6530 Н, удельная массовая тяга - 269 835 м/с, удельная весовая тяга - 27 515 с.

[vlad7308]

еще раз
В м\с или с-1 измеряется удельный импульс.
А "удельная весовая тяга", если понимать ее как отношение тяги к весу, размерности не имеет.

[Александр Ч.]

vlad7308 пишет:
еще раз
В м\с или с-1 измеряется удельный импульс.
А "удельная весовая тяга", если понимать ее как отношение тяги к весу, размерности не имеет.

причем к весу сухого, не залитого, двигателя.

[Алексей Любопытный]

Википедия.

Уде́льная тя́га — характеристика реактивного двигателя, равная отношению создаваемой им тяги к массовому расходу топлива. Измеряется в метрах в секунду (м/с = Н·с/кг = кгс·с/т. е. м.) и означает, в данной размерности, сколько секунд данный двигатель сможет создавать тягу в 1 Н, истратив при этом 1 кг топлива (или тягу в 1 кгс, истратив при этом 1 т. е. м. топлива). При другом толковании удельная тяга равна отношению тяги к весовому расходу топлива; в этом случае она измеряется в секундах (с = Н·с/Н = кгс·с/кгс) — это значение можно рассматривать как время, в течение которого двигатель может развивать тягу в 1 кг, используя такую же массу топлива. Для перевода весовой удельной тяги в массовую её надо умножить на ускорение свободного падения (принимаемое равным 9,80665 м/с² [1])[

[vlad7308]

окей, с этим разобрались
таким образом, ваш термин "удельная тяга" есть все таки устаревший синоним термина "удельный импульс".
как уже было отмечено мной выше.

запомнив это, вернемся к первому вопросу
каким соотношением связаны мощность, тяга и удельный импульс в РД?
как зависит удельный импульс от молярной массы рабочего тела?

[Александр Бойков]

vlad7308 пишет:
запомнив это, вернемся к первому вопросу
каким соотношением связаны мощность, тяга и удельный импульс в РД?
как зависит удельный импульс от молярной массы рабочего тела?

Это же не нужно для зверюги. Для него важнее ссылки на "его первоисточники", и не задумываться над поставленными вопросами .И почему они поставлены?