Я хотел знать, можем ли мы запустить ракету с земли, используя электроэнергию? Если да, то как и кто-нибудь пытался это сделать?
тлдр; Нет , наши современные технологии слишком слабы.
Термин «электроэнергия», когда речь идет о двигателях, может означать несколько вещей, но самое близкое к чистому «электрическому двигателю», которое мы в настоящее время имеем в космических полетах, — это электростатические двигатели . По сути, они используют электричество для питания электромагнитов, которые разгоняют заряженные частицы назад с огромной скоростью для создания тяги (некоторые достигают скорости истечения ~ 30 км/с).
Причина, по которой мы не можем запускать с Земли, заключается в том, что они производят тягу, измеряемую в миллиньютонах . Типичные ракетные двигатели производят тягу в диапазоне сотен килоньютонов — в 100 миллионов раз больше тяги.
Вы не сможете поднять скрепку с земли с помощью электростатического двигателя, не говоря уже о ракете.
Однако у них есть свое применение:
Тип электростатического двигателя, известный как ионный двигатель , довольно популярен для использования на зондах дальнего космоса. Сочетание относительно легких транспортных средств и способности непрерывно запускать двигатель в течение недель или месяцев означает, что ионные двигатели могут быть невероятно эффективными. См. Hayabusa и Dawn для примеров космических кораблей с ионным двигателем.
Еще одна вещь, на которую стоит обратить внимание, это то, что наша нынешняя электрическая двигательная техника почти полностью неэффективна в атмосфере — достижимая тяга и эффективность значительно хуже, чем в вакууме.
Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом находится в стадии разработки и испытаний. Он относится к категории, известной как плазменные двигательные установки , и может изменять свою эффективность в зависимости от тяги (малая тяга, высокий удельный импульс или относительно высокая тяга, низкий удельный импульс).
Данные показывают , что он способен создавать тягу порядка ньютонов с такой же высокой эффективностью, как ионные двигатели. Если эта технология станет реальностью, у нее будет огромный потенциал для орбитальных и межпланетных космических полетов.
Есть много других типов электрических двигателей, но все они страдают от той же проблемы, что и электростатические двигатели; слишком маленькая тяга для надводных запусков.
Единственная вещь, которая предположительно могла бы соответствовать вашему вопросу и иметь положительный ответ, — это электромагнитная катапульта . Это была бы вакуумная труба, обычно длиной в сотни километров, в которой магнитные поля использовались для ускорения полезной нагрузки (которая могла быть ракетой) до космической скорости (или немного выше, чтобы учесть энергию, теряемую на сопротивление воздуха после выхода из зоны). туннель). Конец туннеля обычно находится на вершине горы, чтобы туннель мог изгибаться вверх на последних милях и уменьшать сопротивление воздуха. Ничего подобного никогда не строилось, но проектные исследования существуют. Один, о котором я слышал (извините, без ссылки), потребует около 15 ГВт мощности в течение примерно 90 секунд для запуска полезной нагрузки в 1 метрическую тонну при 10g.
Краткий ответ: Нет. У нас нет емкости для хранения энергии ни в электрической, ни в химической форме, которая позволила бы преобразовать химическую энергию обратно в электрическую, если это необходимо, и позволить нам запустить ракету в космос.
Текущие достижения и работа на будущее: Но что означает использование электроэнергии для приведения в движение ракеты? Общепринятыми примерами являются электростатические двигатели и двигатели Холла, используемые в ионно-плазменных двигателях.
Но поскольку у нас нет возможности выводить космические корабли на орбиту с помощью таких маломощных устройств, я познакомлю вас с уникальным случаем ракеты-носителя «Электрон».
Ракета-носитель Electron действительно очаровательна, поскольку они используют только электроэнергию от батарей для питания своего топливного питательного насоса для своих нескольких двигателей Резерфорда в две ступени с дополнительной третьей ступенью с двигателем Кюри. Ракета-носитель способна развивать удельный импульс 303 секунды, используя комбинацию РП-1/ЛОКС. Что удивительно. Это лучший пример использования электрической силовой установки для ракет-носителей в настоящее время.
Космические путешествия сложны, коротких путей нет, есть только компромисс.
Нет. Электроэнергия имеет очень низкую тягу. Для подъема потребовалось бы огромное количество энергии, намного превышающее даже самый мощный современный двигатель.
Ближайшей из них является Electron Rocket, в которой для питания турбонасосов используются батареи, а не выхлопные газы ракеты, которые сегодня используются в большинстве систем. Но это все еще не совсем электрическая, только одна часть ракеты электрическая.
Движение с лучевым приводом - запуск лазера в задней части транспортного средства для нагрева некоторой реакционной массы - это предлагаемый метод как для запуска в космос, так и для запуска в космос. Он будет работать от электричества. Варианты силовой установки с лучевым приводом включают дополнительный толчок солнечным парусам и электрическим двигателям с использованием энергии, передаваемой на космический корабль (на фотоэлектрические панели), а не на борту, но для запуска в космос потребуются типы тепловых ракет.
Ответ Джека объясняет, почему двигатели дальнего космоса не подходят для запуска, и это действительно то, о чем мы думаем, когда говорим об электрических двигателях. Однако это может не дать полной картины.
По сути, есть две проблемы с запуском электрической ракеты:
Ионным двигателям и VASIMR не хватает тяги, необходимой для запуска ракеты. VASIMR может быть достаточно для запуска с астероидов, нынешних ионных двигателей и того нет. Однако есть и другие электрические двигатели: резистореактивные и электродуговые . Хотя они не изучались для запуска ракеты, теоретически они могут иметь необходимую для ракеты тягу. По сути, они работают как ядерно-тепловые двигатели: нагревают инертное топливо за счет внешней энергии, а не за счет химической реакции. Теоретически он может достигать более высокой скорости истечения, чем ядерно-тепловой, фактически давая ему лучший Isp - однако это часто означает меньшую тягу, а ракету с ядерно-тепловым пуском уже было бы трудно сделать.
С другой стороны, как и ядерно-тепловые, которые можно использовать в качестве дыхательных аппаратов , они тоже могут быть. Опять же, сложно сделать, мало чем отличается от Skylon , но выполнимо, причем теоретически с хорошими перформансами — если еще и вторую задачу решить.
Проблема с этими электротермическими двигателями в том, что они требуют много энергии. Согласно уравнению мощности ракеты, при заданной мощности тяга обратно пропорциональна скорости истечения. Эти двигатели имеют высокую скорость выхлопа, чтобы иметь лучшее Isp, поэтому, чтобы иметь достаточную тягу для запуска, им нужно гораздо больше мощности. Ионные двигатели являются более экстремальным примером этого. Логической крайностью была бы фотонная ракета .
Очевидно, что химическая энергия исчерпана: у вас было бы даже меньше энергии, чем у химического двигателя, из-за потерь, и у вас все еще была бы масса разряженных батарей, которые нужно таскать с собой. Даже сверхпроводящие соленоидные батареи не сильно помогут, так как они ограничены химической энергией связи (чтобы предотвратить разрыв соленоида под действием сил Лоренца).
Итак, вам нужен ядерный реактор с гораздо более высокой плотностью энергии. Обратите внимание, что, хотя вы можете достичь более высоких температур (ядерно-термальная ограничена температурами «не расплавить реактор») и, следовательно, скорости истечения и Isp, вам нужны большие, возможно, раскаленные радиаторы для отвода отработанного тепла из ядерного генератора. Вы можете использовать часть его для предварительного нагрева топлива, но по своей природе не все (или у вас в любом случае будет ядерно-тепловой двигатель).
Другой вариант — иметь на земле (или на орбите) лазер или мазер с электрическим питанием, который передает энергию ракете через луч . В большинстве случаев он напрямую нагревает топливо (которым, опять же, может быть воздух в атмосфере). В некоторых конструкциях корабль снова превращает его в электричество, но это больше для питания вертолета, а не ракеты.
Преимущество в том, что само судно дешевле, легче и имеет хорошие характеристики. Недостатком является необходимость больших внешних установок, которые ваш сосед может воспринять как оружие. С другой стороны, некоторые также увидят в этом преимущество.
Это тема для исследований, но, возможно, можно направить пучок, скажем, микроволнового излучения значительной мощности (доли гигаватт) на ракету, достаточно эффективно уловить эту мощность в виде электричества и использовать ее для ускорения движущейся массы, чтобы тяга будет больше силы тяжести. Сейчас не так много подробностей.
Ответ ДА, шокирующе. Большинство людей, вероятно, учат, что ионный двигатель не имеет достаточной тяги, чтобы когда-либо поднять свой источник питания. Раньше это казалось правильным. Тем не менее, я работал над проблемой в течение 19 лет. Результатом стал патент США № 10 119 527 «Автономный летательный аппарат с ионным двигателем». Это очень легкий самолет с ионным двигателем, который действительно поднимает свой источник питания почти на 2 минуты, по состоянию на 05.09.2019. Если вы все еще заинтересованы, вы можете погуглить самолеты с ионным двигателем и бортовой электроэнергией или ionocraft. Есть 6 общедоступных видеороликов с полетами и веб-сайт, которые должны быть очевидны. Многим чиновникам было продемонстрировано, что это работает так, как показано.
Рассел Борогов