Авиация Двигательная установка космического аппарата - Типы двигательных установок

23 января 2011


Оглавление:
1. Двигательная установка космического аппарата
2. Назначение
3. Эффективность
4. Типы двигательных установок
5. Сравнение двигательных установок

Двигательные установки подразделяются на несколько типов в зависимости от физических принципов, лежащих в их основе.

Реактивные двигатели

Реактивная двигательная установка изменяет скорость космического аппарата за счет отбрасывания рабочего тела. При этом движение аппарата подчиняется закону сохранения импульса и следствиям из него.

Примерами реактивных двигателей могут служить ракетные двигатели, в том числе электрические, двигатели с использованием сжатого газа, а также экзотические варианты на основе электромагнитных ускорителей. На участке выведения космические аппараты могут использовать реактивные двигатели, работающие на атмосферном кислороде.

Химический ракетный двигатель

Большинство ракетных двигателей является двигателями внутреннего сгорания. Рабочим телом в них является горячий газ, который образуется при реакции горючего с окислителем в камере сгорания. В некоторых случаях в качестве топлива используются один или более двух компонентов. Продукты химической реакции из камеры сгорания попадают в сопло Лаваля, обеспечивающее максимальное преобразование тепловой энергии в кинетическую. Скорость газа на выходе обычно десятикратно превышает скорость звука на уровне моря.

Химические ракетные двигатели являются самыми мощными среди всех видов двигателей космических аппаратов. Они используются в том числе при выводе аппаратов в космос.

Проект ионного ракетного двигателя предполагает разогрев плазмы или ионизированного газа внутри «магнитной бутылки» и выпуск его через «магнитное сопло». При этом плазма не контактирует с частями аппарата. Создание подобного двигателя представляет собой чрезвычайно сложную задачу, но его принципы уже используются в ядерной физике или проходят апробацию в лабораторных условиях.

Электрический ракетный двигатель

Помимо ускорения рабочего тела за счет газодинамических и гиродинамических сил, возможно использование прямого воздействия на его частицы. Для этого используются электромагнитные силы, а в качестве рабочего тела выбирается, как правило, газ. За счет электрической энергии газ сначала ионизируется, а затем ускоряется электрическим полем и с высокой скоростью выбрасывается из двигателя.

Возможность создания такого двигателя в 1906 году впервые упомянул Роберт Годдард в своей записной книжке. В 1911 году подобную идею опубликовал Константин Циолковский.

Для электрических ракетных двигателей энергетическая эффективность обратно пропорциональна скорости истечения рабочего тела и создаваемой тяги. Из-за этого при современном развитии энергетики двигательные установки такого типа являются маломощными, но при этом практически не расходуют рабочее тело.

При полётах на относительно близких расстояниях от Солнца энергию для электрических ракетных двигателей можно получать с помощью солнечных батарей. При полетах в дальний космос требуется использовать другой источник энергии, например, ядерную установку.

Возможности энергетической установки являются основным сдерживающим фактором при использовании электрических ракетных двигателей, так как вместе с количеством вырабатываемой энергии растет и масса самой установки, что повышает массу космического аппарата и требуемую тягу для его ускорения.

Существующие ядерные силовые установки примерно в два раза легче солнечных батарей той же мощности при работе в окрестностях земной орбиты. Химические генераторы не используются из-за более короткого времени работы. Одним из перспективных вариантов электропитания космического аппарата является передача энергии в виде луча, но потери на рассеивание в этом случае делают такой способ неподходящим для дальних перелетов.

К электрическим ракетным двигателям относятся:

• Ионный двигатель
  • Электростатический ионный двигатель
  • Электростатический ракетный двигатель
  • Двигатель на эффекте Холла
  • Коллоидный двигатель
• Электротермический двигатель
  • Электротермический двигатель на постоянном токе
  • Микроволновой электротермический двигатель
  • Пульсирующий плазменный двигатель
  • Геликоидальный двигатель с двойным слоем плазмы
• Электромагнитный двигатель
  • Магнетоплазмодиамический двигатель
  • Безэлектродный плазменный двигатель
  • Пульсирующий индуктивный двигатель
  • Электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом
• Электромагнитный ускоритель

В электротермических и электромагнитных двигателях ионы и электроны ускоряются одновременно, что устраняет необходимость нейтрализации потока.

Двигатели без рабочего тела

Закон сохранения импульса устанавливает, что без отбрасывания рабочего тела изменить положение центра масс космического аппарата невозможно. Однако в космосе действуют гравитационные силы, магнитные поля и солнечная радиация. Несколько двигательных установок основаны на их использовании, но из-за распределения этих сил в пространстве, установки имеют большой размер.

Существует несколько двигателей, не требующих или требующих крайне малое количество рабочего тела. К ним относятся тросовые системы,, солнечные паруса, использующие давление света, и магнитные паруса, отражающие солнечный ветер с помощью магнитного поля.

Космический аппарат подчиняется закону сохранения момента импульса, поэтому вместо вращения вокруг центра масс в качестве двигательной установки может быть использована часть этого аппарата, поворачиваемая в противоположную сторону. При этом не требуется расхода рабочего тела, однако на аппарат влияют внешние силы, например, гравитационные или аэродинамические, из-за чего периодически требуется «разгрузка» основной двигательной установки другим способом, например, за счет реактивных двигателей. Реализацией данного принципа являются силовые гироскопы.

Ещё одним способом использования гравитационного поля планеты является инерционный двигатель. Он основан на изменении момента инерции аппарата на различных участках орбиты, однако для получения ощутимого эффекта размеры системы должны быть достаточно большими.

Также для изменения траектории космического аппарата используется гравитационный манёвр. В этом случае для разгона или торможения используется гравитация небесных тел. При использовании ракетного двигателя эффективность гравитационного манёвра можно повысить.

Гипотетические двигатели

Существует несколько гипотетических вариантов двигательных установок космических аппаратов, основанных на новых физических принципах и, возможно, не реализуемые на практике. К настоящему моменту особый интерес вызывают следующие:

• Гравитационный двигатель
• Гиперпространственный двигатель
• Червоточина
• Дифференциальный парус
• Инерцоид — противоречит Закону сохранения импульса

Просмотров: 6522

<<< Гео-ИК-2

Дракон (космический корабль) >>>