Рушійна установка космічного апарата

Рушійна установка космічного апарата — система космічного апарата, що забезпечує його прискорення. Перетворює різні види енергії у механічну, при цьому можуть відрізнятися як джерела енергії, так і способи перетворення; кожен спосіб має переваги і недоліки, їх дослідження та пошук нових варіантів тривають донині.

Маршовий двигун транспортної системи «Спейс Шаттл» під час вогневих випробувань у «Космічному центрі імені Джона Стенниса»

Найпоширеніший тип рухової установки космічного апарата — хімічний ракетний двигун, у якому газ з високою швидкістю витікає із сопла Лаваля. Крім цього, поширення набули реактивні установки без спалювання палива, зокрема електроракетні двигуни та інші. Перспективними двигунами є установки на основі сонячного вітрила.

Призначення

Після виведення космічного апарата в космос його положення в просторі потребує коригування. На початковому етапі це може бути пов'язано з необхідністю переведення апарата на задану орбіту або траєкторію, а також з забезпеченням найбільшої освітленості сонячних батарей, спрямованості антен і систем спостереження. Надалі можуть проводитися орбітальні маневри[1], пов'язані як з використанням апарата за призначенням, так і викликані технічною необхідністю, наприклад, у разі ухилення від інших об'єктів[2]. Низькоорбітальні системи, крім того, схильні до гальмування атмосферою, тому підтримання їх орбіти протягом довгого часу вимагає наявності в апарата рухової установки[3]. Після вичерпання можливостей маневру період активного життя апарату вважається завершеним.

Завданням рушійної установки міжпланетних апаратів може бути розгін до другої космічної швидкості (іноді для цього використовується останній ступінь ракети-носія). Коригують траєкторію зазвичай серією коротких запусків двигуна, між якими апарат перебуває у вільному польоті. Найефективнішим способом переміщення космічного апарата з однієї колової орбіти на іншу є еліптична перехідна орбіта, дотична до обох колових. Для її формування на початковій ділянці використовується серія прискорень, а на кінцевій — серія гальмувань, решту часу апарат рухається за інерцією[4]. Іноді для гальмування використовують особливі методи — наприклад, за рахунок аеродинамічного опору атмосфери планети.

Малюнок сонячного вітрила

Деякі типи рушійних установок, наприклад, електроракетні двигуни або сонячне вітрило[5], забезпечують малий приріст швидкості за тривалої дії. В цьому випадку траєкторія міжпланетного апарата буде іншою: стале прискорення в першій частині шляху і стале гальмування в другій. Сонячне вітрило як рушій успішно випробувано на японському апараті «IKAROS»[6].

Для міжзоряних перельотів також потрібні свої рухові установки. Нині таких пристроїв не існує, але ведеться обговорення можливих варіантів. Відстань до найближчих до Сонця зірок надзвичайно велика, і досягнення мети за прийнятний час вимагає високої швидкості польоту. Розгін і гальмування міжзоряного корабля є непростим завданням для конструкторів.[7]

Ефективність

Основне завдання рушійної установки — змінювати швидкість космічного апарату. Оскільки необхідна для цього енергія залежить від маси апарату, конструктори використовують поняття імпульсу, що дорівнює добутку маси на швидкість[8]. Таким чином, рухова установка змінює імпульс космічного апарата.

Для апаратів, рушійна установка яких працює на ділянці виведення (як, наприклад, у транспортної системи «Спейс шаттл»), вибраний спосіб прискорення має забезпечити подолання земного тяжіння — надати апарату першої космічної швидкості[9], яка для Землі становить близько 7,9 км/с. Під час руху навколо планети вплив рухової установки призводить до змінення орбіти апарату.

Досягнення заданої швидкості можна забезпечити короткими періодами увімкнення рухової установки за великих прискорень або тривалими періодами увімкнення з малими прискореннями. При цьому другий метод малопридатний для виведення апарата в космос, оскільки потребує непомірних витрат енергії на подолання планетарної гравітації. Однак тіло, виведене в космос, на початковому етапі траєкторії може, подібно до літака, використовувати підіймальну силу крила, поки не досягне менш щільних шарів атмосфери.

Для людини звичний вплив гравітації, яка характеризується прискоренням вільного падіння близько 9,8 м/с2, або 1 g. Для пілотованого апарата ідеальною рушійною установкою була б система, що забезпечує стале прискорення, яке дорівнює цій величині, що усунуло б неприємні явища в екіпажу: нудоту, ослаблення м'язів, вимивання кальцію з кісткової тканини, втрату почуття смаку. Однак забезпечити таке прискорення важко: під час виведення це призвело б до неефективної витрати пального, а в космосі не відповідало б основним завданням апарату або призводило б до дуже тривалого часу польоту.

Закон збереження імпульсу встановлює, що під час зміни імпульсу космічного апарата має змінюватися імпульс чогось ще, щоб загальний імпульс системи залишався сталим. Для рухових установок, які використовують енергію магнітних полів або тиску світла, цієї проблеми не існує, але більшість космічних апаратів змушені мати на борту запас робочого тіла, за рахунок відкидання якого можна змінювати імпульс самого апарата. Рушійні установки, що працюють на цьому принципі, називаються реактивними.

Для прискорення робочого тіла потрібна енергія, яку можна отримати з різних джерел. У твердопаливних, рідинних і гібридних ракетних двигунах енергія виділяється під час хімічної реакції компонентів, а робочим тілом є утворений у результаті газ, що під високим тиском витікає із сопла. В іонному двигуні для розгону частинок робочого тіла використовується електрична енергія, отримана від сонячних батарей, ядерної силової установки або з інших джерел.[9]

Для оцінення ефективності реактивних рухових установок використовують поняття питомого імпульсу, рівного відношенню створюваного імпульсу до витрати робочого тіла. В системі SI питомий імпульс має розмірність «метр на секунду», але на практиці частіше використовується розмірність системи МКГСС — «секунда».

Більший питомий імпульс відповідає більшій швидкості витікання робочого тіла, однак енергія, необхідна для прискорення робочого тіла, пропорційна квадрату швидкості, тому зі збільшенням питомого імпульсу падає енергетична ефективність рухової установки. Це є недоліком двигунів великої потужності, внаслідок чого більшість двигунів з високим питомим імпульсом мають малу тягу, як, наприклад електроракетні двигуни.

Типи рушійних установок

Рушійні установки поділяються на кілька типів, залежно від фізичних принципів, що лежать в їх основі.

Реактивні двигуни

Реактивна рушійна установка змінює швидкість космічного апарата завдяки відкиданню робочого тіла. При цьому рух апарата підпорядковується закону збереження імпульсу і наслідкам з нього.

Прикладами реактивних двигунів є ракетні двигуни, зокрема електричні, двигуни з використанням стисненого газу, а також екзотичні варіанти на основі електромагнітних прискорювачів. На ділянці виведення космічні апарати можуть використовувати реактивні двигуни, що працюють на атмосферному кисні.

Хімічний ракетний двигун
Випробування двигуна «Кестрел» компанії «SpaceX»

Більшість ракетних двигунів є двигунами внутрішнього згоряння. Робочим тілом у них є гарячий газ, який утворюється під час реакції пального з окислювачем в камері згоряння. В деяких випадках як паливо використовують один або більше двох компонентів. Продукти хімічної реакції з камери згоряння потрапляють у сопло Лаваля, що забезпечує максимальне перетворення теплової енергії на кінетичну. Швидкість газу на виході зазвичай в 10 разів перевищує швидкість звуку на рівні моря.

Хімічні ракетні двигуни є найпотужнішими серед усіх видів двигунів космічних апаратів. Їх використовують зокрема для виведення апаратів у космос.

Проєкт іонного ракетного двигуна передбачає розігрівання плазми або йонізованого газу всередині «магнітної пляшки» та випускання його через «магнітне сопло». При цьому плазма не контактує з частинами апарату. Створення подібного двигуна являє собою надзвичайно складну задачу, але його принципи вже використовуються в ядерній фізиці або проходять апробацію в лабораторних умовах.

Електричний ракетний двигун
Випробування йонного двигуна

Крім прискорення робочого тіла за рахунок газодинамічних сил, можна використати прямий вплив на його частинки. Для цього використовують електромагнітні сили, а як робоче тіло вибирають, як правило, газ. За рахунок електричної енергії газ спочатку йонізується, а потім прискорюється електричним полем і з високою швидкістю викидається з двигуна.

Можливість створення такого двигуна в 1906 році вперше згадав Роберт Ґоддард у своїй записній книжці[10]. В 1911 році подібну ідею опублікував Костянтин Ціолковський.

Для електричних ракетних двигунів енергетична ефективність обернено пропорційна швидкості витікання робочого тіла і створюваної тяги. Тому за сучасного розвитку енергетики рушійні установки такого типу є малопотужними, але при цьому витрачають дуже мало робочого тіла.

Під час польотів на відносно близьких відстанях від Сонця енергію для електричних ракетних двигунів можна одержувати за допомогою сонячних батарей. Для польотів у далекий космос слід використовувати інші джерела енергії — наприклад, ядерний реактор.

Можливості енергетичної установки є основним стримувальним чинником під час використання електричних ракетних двигунів, оскільки разом із кількістю виробленої енергії зростає й маса самої установки, що підвищує масу космічного апарату і необхідну тягу для його прискорення.

Сучасні ядерні силові установки приблизно в два рази легші від сонячних батарей тієї ж потужності під час роботи в околицях земної орбіти. Хімічні генератори не використовуються через короткий час роботи. Одним з перспективних варіантів електроживлення космічного апарата є передавання енергії у вигляді променя, але втрати на розсіювання роблять такий спосіб непридатним для далеких перельотів.

До електричних ракетних двигунів належать:

В електротермічних і електромагнітних двигунах іони і електрони прискорюються одночасно, що усуває необхідність нейтралізації потоку.

Двигуни без робочого тіла
За даними НАСА, космічне вітрило повинне мати розмір близько півкілометра

Закон збереження імпульсу встановлює, що без відкидання робочого тіла змінити положення центра мас космічного апарата неможливо. Однак у космосі діють гравітаційні сили, магнітні поля і сонячна радіація. Кілька рушійних установок ґрунтуються на їх використанні, але через розподіленість цих сил у просторі установки мають значний розмір.

Існує кілька двигунів, які не потребують робочого тіла або потребують вкрай малої його кількості. До них належать тросові системи[11], сонячні вітрила, які використовують тиск світла, і магнітні вітрила, які відбивають сонячний вітер за допомогою магнітного поля.

Космічний апарат підкоряється закону збереження моменту імпульсу, тому замість обертання навколо центра мас у як рушійну установку можна використати частину цього апарата, що повертається в протилежний бік. При цьому не потрібно витрачати робочого тіла, однак на апарат впливають зовнішні сили, наприклад, гравітаційні або аеродинамічні[12], тому періодично потрібне «розвантаження» основної рушійної установки іншим способом, наприклад, за рахунок реактивних двигунів. Цей принцип реалізовано в силових гіроскопах (гіродини).[13]

Ще одним способом використання гравітаційного поля планети є інерційний двигун. Він заснований на зміні моменту інерції апарата на різних ділянках орбіти, однак для отримання відчутного ефекту розміри системи повинні бути досить великими.

Також для зміни траєкторії космічного апарата використовується гравітаційний маневр. У цьому випадку для розгону або гальмування використовується гравітація небесних тіл.[14] За використання ракетного двигуна ефективність гравітаційного маневру можна підвищити.

Гіпотетичні двигуни
Політ через кротовину в поданні художника

Існує кілька гіпотетичних варіантів рухових установок космічних апаратів, заснованих на нових фізичних принципах і, можливо, не придатних для реалізації. Донині особливий інтерес викликають такі:

Порівняння рушійних установок

Нижче наведено порівняльну таблицю різних типів рушійних установок, що включає як перевірені, так і гіпотетичні варіанти.

В першій колонці вказано питомий імпульс (чисельно рівний швидкості витікання робочого тіла), або еквівалентна йому величина для нереактивних двигунів, у другій колонці — тяга двигуна, в третій — час роботи двигуна, в четвертій — максимальне збільшення швидкості (для одноступінчастої системи), при цьому:

  • якщо приріст швидкості набагато більший від питомого імпульсу, потрібна величезна кількість палива;
  • якщо приріст швидкості набагато менший від питомого імпульсу, потрібно пропорційно більшу кількість енергії, а за її відсутності — часу.

В п'ятій колонці зазначено рівень готовності технології:

  • 1 — відомі основні фізичні принципи;
  • 2 — сформульовано теорію;
  • 3 — теорію підтверджено експериментально;
  • 4 — компоненти випробувано в лабораторії;
  • 5 — компоненти випробувано у вакуумі;
  • 6 — проведено наземні випробування / компоненти випробувано в космосі;
  • 7 — проведено випробування в космосі;
  • 8 — допущено до льотних випробувань;
  • 9 — проведено льотні випробування.
Рушійні установки
Тип Еквівалентний
питомий
імпульс (км/с)		 Тяга
(Н)		 Час
роботи		 Макс.
приріст
швидкості
(км/с)		 Рівень
готовності
Твердопаливний ракетний двигун   1—4 103 — 107 хвилини ~ 7 9
Гібридний ракетний двигун   1,5—4,2 <0,1 — 107 хвилини > 3 9
Однокомпонентний ракетний двигун   1—3 0,1 — 100 мілісекунди/хвилини ~ 3 9
Рідинний ракетний двигун   1,0—4,7 0,1 — 107 хвилини ~ 9 9
Іонний двигун   15 — 210 10−3 — 10 місяці/роки > 100 9
Двигун на ефекті Холла   8—50 10−3 — 10 місяці/роки > 100 9
Резисторний ракетний двигун   2—6 10−2 — 10 хвилини ? 8
Електротермічний ракетний двигун   4—16 10−2 — 10 хвилини ? 8

2[джерело?]
Електростатичний ракетний двигун   100 — 130 10−6 — 10−3 місяці/роки ? 8
Пульсаційний плазмовий двигун   ~ 20 ~ 0.1 ~2 000-10 000 год ? 7
Дворежимний ракетний двигун   1—4,7 0.1 — 107 мілісекунди/хвилини ~ 3 — 9 7
Сонячне вітрило   300 000 (тиск світла)

145—750 (сонячний вітер)		 9 на 1 а. о.

230 на 0,2 а. о.

10−10 на 4 св. роках

(для вітрила площею 1 км²)		 необмежений > 40 9,

6,

5
Трикомпонентний ракетний двигун   2,5—5,3 0,1 — 107 хвилини ~ 9 6
Магнітоплазмодинамічний двигун   20—100 100 тижні ? 6
Ядерний ракетний двигун   9 107 хвилини > ~ 20 6
Електромагнітний прискорювач   0 — ~30 104 — 108 місяці ? 6
Тросова система   1—1012 хвилини ~ 7 7
Прямоточний повітряно-реактивний двигун   5—6 0.1 — 107 секунди/хвилини > 7? 6
Двигун зі зрідженням атмосферного повітря   4,5   103 — 107 секунди/хвилини   ? 6
Пульсаційний індуктивний двигун   10—80 20 місяці ? 5
Електромагнітний ракетний прискорювач   10—300 40 — 1,200 дні/місяці > 100 5
Плазмовий двигун 10—130   0,1—1 дні/місяці > 100 5
Сонячний ракетний двигун   7—12 1 — 100 тижні > ~ 20 4
Радіоізотопний ракетний двигун   7—8 1.3 — 1.5 місяці   ? 4
Ядерний електричний ракетний двигун змінний змінна змінний   ? 4
Проєкт «Оріон» (ядерний «вибухоліт»)   20—100 109 — 1012 декілька днів ~ 30—60 3[15][16]
Космічний ліфт     — |необмежений   > 12 3
Ракетний двигун SABRE   30/4,5 0.1 — 107 хвилини 9,4 3
Магнітне вітрило   145—750 70/40 тонн[17] необмежений   ? 3
Міні-магнітосферний плазмовий двигун   200   ~1 Н/кВт місяці   ? 3
Променевий (лазерний) двигун   змінний змінна змінний   ? 3
Пускова петля/космічний міст   ~104 хвилини ≫ 11 — 30 2
Проєкт «Дедал»   20—1000 109 — 1012 роки ~ 15 000 2
Газофазовий ядерний реактивний двигун   10—20 103 — 106   ?   ? 2
Ядерний ракетний двигун на гомогенному розчині солей ядерного палива   100   103 — 107 пів години   ? 2
Вітрило на частинках ядерного розпаду   ?   ?   ?   ? 2
Ракетний двигун на частинках ядерного розпада   15 000   ?   ?   ? 2
Фотонний двигун   300 000   10−5 — 1 роки/десятиліття   ? 2
Термоядерний ракетний двигун   100—1000   ?   ?   ? 2
Каталітичний ядерний імпульсний ракетний двигун на антиматерії   200—4000   ? дні/тижні ? 2
Міжзоряний прямотічний двигун Бассарда   2,2—20 000   ? необмежений ~30 000 2
Двигун Алькуб'єрре   > 300 000   ?   ? необмежений 2
Варп-двигун   > 300 000   ?   ? необмежений 1
Тип Еквівалентний
питомий
імпульс (км/с)		 Тяга
(Н)		 Час
роботи		 Макс.
приріст
швидкості
(км/с)		 Рівень
готовності

Примітки
  1. Olsen, Carrie (21 вересня 1995). Hohmann Transfer & Plane Changes. NASA. Архів оригіналу за 15 липня 2007. Процитовано 30 липня 2007.
  2. Hess, M.; Martin, K. K.; Rachul, L. J. (7 лютого 2002). Thrusters Precisely Guide EO-1 Satellite in Space First. NASA. Архів оригіналу за 6 грудня 2007. Процитовано 30 липня 2007.
  3. Phillips, Tony (30 травня 2000). Solar S'Mores. NASA. Архів оригіналу за 4 липня 2012. Процитовано 30 липня 2007.
  4. Doody, Dave (7 лютого 2002). Chapter 4. Interplanetary Trajectories. Basics of Space Flight (NASA JPL). Архів оригіналу за 17 липня 2007. Процитовано 30 липня 2007.
  5. Anonymous (2007). Basic Facts on Cosmos 1 and Solar Sailing. The Planetary Society. Архів оригіналу за 8 лютого 2006. Процитовано 26 липня 2007.
  6. JAXA website press release (прес-реліз). Japan Aerospace Exploration Agency. 9 липня 2010 http://www.jaxa.jp/press/2010/07/20100709_ikaros_j.html Пропущений або порожній |title= (довідка). Процитовано 10 липня 2010.
  7. Rahls, Chuck (7 грудня 2005). Interstellar Spaceflight: Is It Possible?. Physorg.com. Архів оригіналу за 4 липня 2012. Процитовано 31 липня 2007.
  8. Zobel, Edward A. (2006). Summary of Introductory Momentum Equations. Zona Land. Архів оригіналу за 4 липня 2012. Процитовано 2 серпня 2007.
  9. Benson, Tom. Guided Tours: Beginner's Guide to Rockets. NASA. Архів оригіналу за 4 липня 2012. Процитовано 2 серпня 2007.
  10. Choueiri, Edgar Y. A Critical History of Electric Propulsion: The First 50 Years (1906–1956) // Journal of Propulsion and Power : journal. — 2004. — Vol. 20, no. 2 (23 February). — P. 193—203. — DOI:10.2514/1.9245.
  11. Drachlis, Dave (24 жовтня 2002). NASA calls on industry, academia for in-space propulsion innovations. NASA. Архів оригіналу за 6 грудня 2007. Процитовано 26 липня 2007.
  12. King-Hele, Desmond. Satellite orbits in an atmosphere: Theory and application. — Springer, 1987. — ISBN 978-0-216-92252-5.
  13. Tsiotras, P.; Shen, H.; Hall, C. D. Satellite attitude control and power tracking with energy/momentum wheels // Journal of Guidance, Control, and Dynamics : journal. — 2001. — Vol. 43, no. 1 (23 February). — P. 23—34. — ISSN 0731-5090. — DOI:10.2514/2.4705.
  14. John J. Dykla1, Robert Cacioppo2 и Asim Gangopadhyaya1. Gravitational slingshot // American Journal of Physics. — 2004. — Vol. 72, iss. 5 (23 February). — P. 619. — DOI:10.1119/1.1621032.
  15. Operation Plumbbob. July 2003. Архів оригіналу за 4 липня 2012. Процитовано 31 липня 2006.
  16. Brownlee, Robert R. (June 2002). Learning to Contain Underground Nuclear Explosions. Архів оригіналу за 4 липня 2012. Процитовано 31 липня 2006.
  17. アーカイブされたコピー. Архів оригіналу за 27 лютого 2009. Процитовано 27 лютого 2009.

Посилання
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.