К какому двигателю относится это Isp=1600? Подходит ли он для кубсатов?

Конкретной записью в таблице, по-видимому, является водородный дуговой реактивный двигатель HIPARC-R , разработанный Институтом космических путешествий Штутгартского университета.

Концепция Arcjets заключается в использовании топлива в качестве проводника между двумя электродами, создавая интенсивную электрическую дугу и превращая топливо в перегретую плазму. Это позволяет наполнить его большим количеством энергии, чем может дать химическая реакция, превращая электричество в тепло.

Поскольку нет внутреннего ограничения на то, сколько электричества можно пропустить через плазму, нет теоретического ограничения на энергию газа и, как следствие, на скорость истечения и удельный импульс. Практический предел, конечно, инженерного характера - электричество не нагреет только плазму, а перегретая плазма очень агрессивна по отношению к любым структурам, через которые она проходит. Это одновременно требует охлаждения всего двигателя и ограничивает применимую энергию до уровней, при которых двигатель не получит критических повреждений при работе.

Несмотря на это, используемая энергия огромна - HIPARC-R работает около 100 киловатт, поэтому, даже не принимая во внимание масштаб самого двигателя по сравнению с кубсатами (около 3U) или запрещенное для кубсатов топливо, невозможно поддерживать его питание с помощью кубсата.

Институт космических путешествий разработал и другие, меньшие по размеру дуговые реактивные двигатели . Например, ATOS , работающий на мощности 750 Вт, с удельным импульсом 480 с, собственным весом 480 грамм, массовым расходом 24 мг/с, тягой 115 мН и работающий на аммиаке, может быть применим на кубсатах 6U с выдвижными солнечными панелями.

Этот ответ является дополнительной информацией, которую я собрал за последние несколько дней. Я принял другой ответ, потому что он превосходен и определяет фактический источник загадочного значения «1600».

примечание: разработки, совместимые с Cubesat, обсуждаются в конце.

Принцип

Идея состоит в том, чтобы нагреть топливо с помощью электрического тока вместо химической реакции, производящей еще более высокие температуры и, следовательно, более высокий удельный импульс.

При фиксированной температуре более высокая скорость тяги достигается за счет частиц с меньшей массой, поэтому желательно использовать топливо, богатое водородом. Гидразин популярен как из-за содержания в нем водорода, так и из-за хорошего космического опыта, а также из-за того, что он часто уже был доступен на космических кораблях. Аммиак – еще один вариант.

Случайная кинетическая энергия горячих частиц преобразуется в холодную направленную кинетическую энергию при расширении. При данной температуре меньшая масса приводит к большей скорости.

Топливо со скоростью порядка 100 мг/сек проходит через сужение диаметром порядка 1 миллиметра, где через плотный, почти полностью ионизированный газ проходит электрический ток порядка 10—100 ампер. Омический нагрев плазмы за счет электрон-ионных (и электрон-атомных) столкновений передает примерно треть мощности на прямой нагрев ионов до температур от 10 000 до 20 000 К. Затем горячая плазма расширяется, охлаждается и проходит через сопло как направленная тяга.

Из-за сложного взаимодействия плазмы, тока и теплового потока «зона наилучшего восприятия» возникает в диапазоне от 1 кВт до 30 кВт, и именно здесь была проделана большая часть работы. Двигатель требует значительного (и тяжелого) кондиционирования мощности и тепловой изоляции от космического корабля, поскольку более половины электроэнергии приходится на нагрев компонентов двигателя.

изображение вверху и текст внизу: из «Статус и перспективы неравновесного моделирования высокоскоростного потока плазмы в электродуговом реактивном двигателе» , Хай-Син Ван, Су-Ронг Сунь, Вей-Пин Сунь, Plasma Chem Plasma Process (2015) 35: 543–564 DOI 10.1007/s11090-015-9610-4

«Ключевая физика суженного дугового разряда в электродуговом двигателе изображена на рис. 1. Дуга застревает между центральным катодом с коническим наконечником и коаксиальным анодом в форме сопла. Рабочий газ, впрыскиваемый с высокой скоростью закрутки вблизи кончика катода. , проходит через область констриктора и омически нагревается дугой. Считается, что энергия, передаваемая газу, является результатом преимущественно электрон-ионных или электрон-нейтральных столкновений, поскольку электроны являются доминирующими носителями тока. Чрезвычайно малый размер констриктора, чрезвычайно высокая скорость газа на выходе из сопла и работа при относительно низком токе дуги - вот лишь некоторые из основных особенностей таких двигателей.

Типичные электродуговые струи малой мощности имеют коническое сужающееся-расширяющееся сопло с диаметром констриктора порядка 0,5 мм, углом раскрытия наполовину 20° и диаметром на выходе 3,5 мм [8-10]. Физические характеристики поля течения электродуговой струи варьируются от почти полностью ионизированной плазмы с температурой выше 20 000 К у кончика катода до относительно холодной плазмы (1 000–2 000 К) у стенки анода. Более того, скорости варьируются примерно от 10 км/с по центральной линии до нуля у стены.*" отсюда (платный доступ)

Есть много примеров дуговых реактивных двигателей мощностью от 500 до 2000 Вт, поэтому сначала я расскажу о них.

выше: Из расчета производительности маломощного водородного дугового реактивного двигателя Казухиса Фуджита и Йошихиро Аракава, Дж. Пропульшн. и Power v15, номер 1, январь-февраль 1999 г. (платный доступ)

НАСА запустило программу исследований и технологий Arcjet Thruster (ATRT) в 1984 году. Например :

вверху: иллюстрация принципа дуговой струи отсюда .

вверху: Иллюстрация процесса запуска дугового реактивного двигателя, включая топливо со спиральной подачей. Рисунок 3-6 здесь .

В статье Википедии « Список космических кораблей с электрическим двигателем» в настоящее время перечислены несколько космических кораблей с дуговыми реактивными двигателями. Telstar 401 - первый коммерческий запуск, запущенный в 1993 году. Четыре дуговых реактивных двигателя использовались для удержания станций Север-Юг и Восток-Запад на геостационарной орбите.

Telstar 401,                MR-508, Hydrazine, Comms (AS-7000)
Telstar 402R (Telstar 4),   MR-508, Hydrazine, Comms (AS-7000)
A2100,                      MR-510, Hydrazine, Comms
ARGOS (P91-1),              ESEX,   Ammonia,   Experimental Military 
AMSAT-Phase 3-D (OSCAR-40), ATOS,   Ammonia,   OSCAR Sat cold gas mode

Согласно результатам эксплуатационных и предварительных испытаний на срок службы маломощной гидразиновой инженерной модели дугового реактивного двигателя (Танг и др., 2015 г., Аэрокосмическая наука и технологии, т. 15, № 7, октябрь – ноябрь 2011 г., стр. 577–588)

В 1993 году был успешно запущен спутник Telstar 401 (геостационарный спутник связи корпорации Lockheed Martin), оснащенный гидразиновой дуговой реактивной двигательной установкой MR-508 компании PRIMEX Aerospace (первоначально Rocket Research Company, RRC), что является первым применением тепловых дуговых реактивных двигателей. (11). С тех пор гидразиновые реактивные двигательные установки успешно работали на более чем 29 космических аппаратах , демонстрируя высокую производительность и надежность (12). (мой акцент)

MR-508, -509, -510 серия Гидразиновые дуговые струйные двигатели

MR-508, -509, -510 серий дуговых реактивных двигателей Hydrazine можно увидеть на Aerojet Rocketdyne - вот набор из четырех MR-510 и блока стабилизации мощности (PCU). Они обеспечили Isp выше 500 секунд при использовании гидразина и, следовательно, обеспечили более эффективное использование гидразиновой массы.

Однако в этом диапазоне мощностей блок питания и управляющая электроника могут быть намного тяжелее самого двигателя!

Летная квалификация системы MR-510 Hydrazine Arcjet мощностью 2,2 кВт

ARC-1, ARC-2, ARC-3 (используйте шину Lockheed Martin A2100)

ESEX Аммиак Arcjet

АРГОС

ESEX Arcjet (АРГОС)

Отчет ESEX Arcjet (АРГОС)

AIAA 99-2706, Обзор результатов полета на орбите ESEX Flight Experiment

выше: ESEX Arcjet отсюда

вверху: Система подачи топлива для ESEX (Космический эксперимент с электрическим двигателем) отсюда, на ARGOS .

Cubesat-дружественные разработки

Разрядные характеристики очень маломощного электродвигателя , Хидеюки Хорисава, Хотака Ашия и Ицуро Кимура, представляют результаты эксперимента, направленного на понимание проблем масштабирования арджетного двигателя до диапазона от 1 до 10 Вт и около 4 сантиметров в длину. Кварцевое окно было включено, чтобы можно было наблюдать плазму в области ограничения при изменении экспериментальных параметров. В этих ранних исследованиях «типичная тяга составляла 1,5 ~ 2,0 мН, Isp: ~ 100 с при входной мощности 1 ~ 5 Вт и массовом расходе топлива (N2) 0,6 ~ 2 мг/с», и на основе этих результатов можно изучить возможность более высокого Isp в этом диапазоне мощностей.

Прямой привод

При испытании дугового реактивного двигателя с возможностью работы с прямым приводом (АК Мартин и др., Центр космических полетов НАСА-Маршалл, Американский институт аэронавтики и астронавтики) проектный двигатель, способный приводиться в действие непосредственно от солнечной батареи (без дополнительной энергии кондиционирование) было продемонстрировано.

Испытания показали, что существует рабочая точка в пределах характеристик IV, которая совместима с работой солнечной батареи с прямым приводом; при скорости потока 20 мг/с (аргон) дуга могла поддерживаться при напряжении около 20 В и токе 25 А (500 Вт).

Кубсаты имеют несколько ограничений на химическое топливо и хранение химической энергии. Один из шагов к решению этой проблемы обсуждался в документе «Эксплуатационные характеристики маломощных дуговых реактивных двигателей с использованием малотоксичного топлива, разлагающегося газа HAN» Matsumoto et al. IEPC-2013-095, (33-я Международная конференция по электродвижению, Университет Джорджа Вашингтона, США, 6 – 10 октября 2013 г.).

HAN или нитрат гидроксиламмония является потенциальным новым топливом. Однако первые результаты показали значительную коррозию обычных материалов.

Были проведены некоторые работы по производству водородосодержащих паров из твердого тефлона.

Вот дополнительный ответ, касающийся последней части вопроса ОП о возможности миниатюризации и использования конкретно в кубсатах.

Кубсаты имеют несколько ограничений на химическое топливо и хранение химической энергии. Один из шагов на пути к решению этой проблемы обсуждался в работе «Эксплуатационные характеристики маломощных дуговых реактивных двигателей, использующих малотоксичный пропеллент HAN, разлагающийся газ », Matsumoto et al. IEPC-2013-095, (33-я Международная конференция по электродвижению, Университет Джорджа Вашингтона, США, 6 – 10 октября 2013 г.).

Абстрактный:

Хотя гидразин (N2H4) используется в качестве топлива для двигателей космических аппаратов, он является высокотоксичной жидкостью. Исследователям космических кораблей необходимо топливо с низкой токсичностью. Нитрат гидроксила аммония (HAN: NH3OHNO3) предлагается в качестве топлива с низкой токсичностью. В этом исследовании изучается возможность использования ГАН в качестве топлива для дуговых реактивных двигателей постоянного тока. Используя HAN-моделированный разложившийся газ смеси H2O, CO2 и N2, гидразин-имитированный разложившийся газ смеси N2 и H2 и сам N2, приводился в действие дуговой реактивный двигатель, и основные характеристики были получены и сравнены. Тяга и КПД по разлагающемуся газу ГАН составили 182,6 мН и 10,3 % соответственно при удельном импульсе 156,4 с и подводимой мощности 1,36 кВт, хотя наблюдалась сильная эрозия электродов,

Анци прав, это дуговой двигатель. Как и у ионных двигателей, удельный импульс действительно хорош, но тяга крайне мала. В этой статье рассматриваются некоторые из современных достижений по состоянию на 2013 год (спойлер: 100 мН при 800 Вт).

Оглядевшись, я вижу ссылки на водородные дуговые двигатели, достигающие удельного импульса от 1200 до 2000 с.

У Aerojet есть несколько небольших дуговых реактивных двигателей , которые поместятся в кубсат (в связанном техническом описании есть пара дуговых двигателей в дополнение к эффекту Холла и другим устройствам), но их блоки регулирования мощности (рассчитанные на работу ~ 2 кВт) не подходят. Это агрегаты с более низкой эффективностью, использующие гидразин с удельным импульсом ~ 600 с.

Эрозия анода/сопла, по-видимому, является самым большим недостатком, при этом время работы ограничено порядка 1000 часов — это кажется долгим временем, но оно необходимо при таких уровнях тяги, а ионные двигатели могут работать как минимум в 10 раз дольше. длинная.