WikiDer > Солнечная тепловая ракета

Solar thermal rocket

А солнечная тепловая ракета теоретический двигательная установка космического корабля система, которая будет использовать солнечную энергию для прямого нагрева реакционная масса, и, следовательно, не потребует электрического генератора, как это требуется для большинства других силовых установок на солнечной энергии. Ракета должна будет нести только средства улавливания солнечной энергии, такие как концентраторы и зеркала. Нагретое топливо будет подаваться через обычный сопло ракеты производить тягу. Тяга его двигателя будет напрямую связана с площадью поверхности солнечного коллектора и с локальной интенсивностью солнечного излучения.

В краткосрочной перспективе солнечные тепловые двигатели были предложены для более длительного, недорогого и более эффективного использования солнце и более гибкая криогенная верхняя ступень ракет-носителей и на орбите топливные склады. Солнечная тепловая силовая установка также является хорошим кандидатом для использования в многоразовых межорбитальных буксирах, поскольку это высокоэффективная система малой тяги, которая может быть относительно легко заправлена ​​топливом.

Концепции солнечно-теплового дизайна

Существуют две концепции солнечной тепловой силовой установки, различающиеся в первую очередь методом использования солнечной энергии для нагрева топлива:[нужна цитата]

  • Непрямое солнечное отопление включает закачку пороха через каналы в теплообменник который нагревается солнечным излучением. Концепция полости теплообменника без окон - это конструкция, основанная на таком подходе к поглощению излучения.
  • Прямое солнечное отопление включает прямое воздействие на топливо солнечного излучения. Концепция вращающейся кровати - одна из предпочтительных концепций прямого поглощения солнечного излучения; он предлагает выше удельный импульс по сравнению с другими конструкциями прямого нагрева за счет использования удерживаемых семян (карбид тантала или же карбид гафния) подход. Пропеллент течет через пористые стенки вращающегося цилиндра, забирая тепло от семян, которые удерживаются на стенках при вращении. В карбиды стабильны при высоких температурах и обладают отличными теплопередающими свойствами.

Из-за ограничений по температуре, которую могут выдерживать материалы теплообменника (примерно 2800 K), конструкции с непрямым поглощением не могут достигать удельных импульсов более 900 секунд (9 кН · с / кг = 9 км / с) (или до 1000 секунд, см. ниже). Конструкции с прямым поглощением допускают более высокие температуры топлива и, следовательно, более высокие удельные импульсы, приближающиеся к 1200 секундам. Даже более низкий удельный импульс представляет собой значительное увеличение по сравнению с обычным химические ракетыоднако увеличение, которое может обеспечить существенный прирост полезной нагрузки (45 процентов для ЛЕО-к-GEO миссии) за счет увеличения времени в пути (14 дней против 10 часов).[нужна цитата]

Мелкомасштабное оборудование было разработано и изготовлено для Лаборатория ракетных двигателей ВВС (AFRPL) для оценки наземных испытаний.[1] Системы с тягой от 10 до 100 Н были исследованы SART.[2]

Были предложены многоразовые орбитальные транспортные средства (OTV), иногда называемые (межорбитальными) космическими буксирами, приводимые в движение солнечными тепловыми ракетами. Концентраторы на гелиотермических буксирах менее восприимчивы к излучению в поясах Ван Аллена, чем солнечные батареи солнечных электрических ОТВ.[3]

Первоначальное подтверждение концепции было продемонстрировано в 2020 году с использованием гелия на солнечном симуляторе Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса.[4]

Пропелленты

Наиболее предлагаемые конструкции для использования солнечных тепловых ракет водород в качестве топлива из-за его низкого молекулярный вес что дает отличный удельный импульс до 1000 секунд (10 кН · с / кг) с использованием теплообменников из рения.[5]

Традиционно считалось, что водород - хотя он дает отличный удельный импульс - не хранится в космосе. В ходе проектных работ в начале 2010-х годов был разработан подход к значительному уменьшению испарения водорода и к экономичному использованию небольшого оставшегося продукта испарения для необходимых задач в космосе, по существу достигая нулевого испарения (ZBO) с практической точки зрения.[6]:п. 3,4,7

Также можно использовать другие вещества. Вода дает довольно низкую производительность 190 секунд (1,9 кН · с / кг), но требует только простого оборудования для очистки и обработки, и ее можно хранить в космосе, и это очень серьезно было предложено для межпланетного использования.[кем?] использование ресурсов на месте.[нужна цитата]

Аммиак был предложен в качестве топлива.[7] Он предлагает более высокий удельный импульс, чем вода, но его легко хранить, с температурой замерзания -77 градусов Цельсия и температурой кипения -33,34 ° C. Выхлопные газы диссоциируют на водород и азот, что приводит к более низкой средней молекулярной массе и, следовательно, более высокому Isp (65% водорода).[нужна цитата]

Архитектура солнечно-тепловой силовой установки превосходит архитектуры, включающие электролиз и сжижение водорода из воды, более чем на порядок, поскольку для электролиза требуются мощные генераторы энергии, тогда как для дистилляции требуется только простой и компактный источник тепла (ядерный или солнечный); таким образом, скорость производства топлива, соответственно, намного выше для любой заданной начальной массы оборудования. Однако его использование зависит от наличия четких представлений о местонахождении водяного льда в Солнечной системе, особенно на лунных и астероидных телах, и такая информация неизвестна, за исключением того, что тела с пояс астероидов а дальше от Солнца ожидается большой водяной лед.[8][9]

Солнечно-тепловая для наземного запуска

Были предложены солнечные тепловые ракеты [10][требуется полная цитата] как система вывода на орбиту небольшого личного космического корабля. Дизайн основан на высотном дирижабле, который использует оболочку для фокусировки солнечного света на трубе. Затем пропеллент, который, вероятно, будет аммиаком, пропускается для создания тяги. Возможные конструктивные недостатки включают в себя то, сможет ли двигатель создать достаточную тягу для преодоления сопротивления, и не откажет ли обшивка дирижабля на гиперзвуковых скоростях. Он имеет много общего с орбитальным дирижаблем, предложенным JP Aerospace.

Предлагаемые солнечно-тепловые космические системы

По состоянию на 2010 г.было сделано два предложения по использованию солнечно-тепловых двигателей в космических системах после запуска космических аппаратов.

Концепция предоставления низкая околоземная орбита (ЛЕО) топливные склады которые можно было бы использовать в качестве промежуточных станций для других космических кораблей для остановки и дозаправки на пути к миссиям за пределами НОО. водород- неизбежный побочный продукт длительного жидкий водород хранение в лучистое тепло среда Космос- можно было бы использовать как одноразовое топливо в гелиотермической двигательной установке. Отработанный водород будет продуктивно использоваться как для орбитальная станция и контроль отношения, а также обеспечение ограниченного количества топлива и тяги для использования в орбитальные маневры к лучшему рандеву с другими космическими кораблями, которые будут лететь для получения топлива со склада.[6]

Солнечно-тепловые моновинтовые водородные двигатели также являются неотъемлемой частью конструкции криогенных двигателей следующего поколения. верхняя ступень ракета предложено НАС. Компания United Launch Alliance (ULA). В Продвинутая общая стадия развития (ACES) был задуман как более дешевый, более мощный и более гибкий верхний этап, который дополнит и, возможно, заменит существующий ULA Кентавр и ULA Дельта криогенная вторая ступень (DCSS) разгонные блоки. ACES Интегрированные автомобильные жидкости вариант исключает все гидразин монотопливо и все гелий давление из космического корабля - обычно используется для ориентации и поддержания станции - и вместо этого зависит от солнечно-тепловых моновинтовых двигателей, использующих отработанный водород.[6]:п. 5[нуждается в обновлении]

Жизнеспособность различных поездок с использованием солнечной тепловой тяги была исследована Гордоном Вудкоком и Дэйвом Байерсом в 2003 году.[требуется разъяснение][11]

Следующим предложением в 2010-х годах был космический корабль Solar Moth, который будет использовать легкие зеркала для фокусировки солнечного излучения на солнечном тепловом двигателе.[12][13]

Рекомендации

  1. ^ Солнечная тепловая двигательная установка для малых космических аппаратов - Разработка и оценка инженерных систем PSI-SR-1228, издатель AIAA, июль 2005 г.
  2. ^ Веб-страница DLR Solar Thermal Propulsion of Institut für Raumfahrtantriebe Abteilung Systemanalyse Raumtransport (SART) дата = ноябрь 2006 г. В архиве 2007-07-06 на Wayback Machine
  3. ^ Джон Х. Шиллинг, Франк С. Гульчинский III. «Сравнение концепций орбитальных транспортных средств, использующих среднесрочные варианты мощности и тяги» (PDF). Получено 23 мая, 2018.
  4. ^ Оберхаус, Даниэль (20 ноября 2020 г.). "Ракета на солнечной энергии может стать нашим билетом в межзвездное пространство". Проводной (журнал).
  5. ^ Ультрамет. «Передовые концепции движения - солнечное тепловое движение». Ультрамет. Получено 20 июня, 2012.
  6. ^ а б c Зеглер, Франк; Бернард Куттер (02.09.2010). «Переход к архитектуре космического транспорта на базе депо» (PDF). Конференция и выставка AIAA SPACE 2010. AIAA. п. 3. Получено 31 марта, 2017. отработанный водород, который испарился, оказывается наиболее известным ракетным топливом (как монотопливо в базовой солнечно-тепловой силовой установке) для этой задачи. Практическое депо должно выделять водород с минимальной скоростью, которая соответствует потребностям содержания станции.
  7. ^ PSI. "Солнечная тепловая двигательная установка для малых космических аппаратов. Разработка и оценка инженерных систем" (PDF). PSI. Получено 12 августа, 2017.
  8. ^ Зупперо, Энтони (2005). "Движение спутников Юпитера с использованием тепла и воды без электролиза или криогеники" (PDF). Исследование космоса 2005. Серия конференций SESI. 001. Получено 20 июня, 2012.
  9. ^ Зупперо, Энтони. «новое топливо: топливо для объектов, сближающихся с Землей (новое топливо, использующее изобилие внеземных ресурсов для межпланетного транспорта)». Получено 20 июня, 2012.
  10. ^ NewMars, солнечные тепловые технологии для наземного запуска? В архиве 2012-02-20 в Wayback Machine
  11. ^ Байерс, Вудкок (2003). «Результаты оценки солнечного теплового движения, AIAA 2003-5029». AIAA. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  12. ^ Ник Стивенс Графика, 18 января 2018 г., по состоянию на 20 января 2019 г.
  13. ^ Характеристики ракетных двигателей в зависимости от скорости истечения и массовой доли для различных космических аппаратов, Project Rho, по состоянию на 20 января 2019 г.

Смотрите также

внешняя ссылка