🈸 🔏 👗 Motores de hielo y llamas de los satélites 🧕🏼 🙍🏾 🧑🏾‍🤝‍🧑🏻

Hola contigo lozgaen el papel algo inusual del autor de una publicación de blog corporativo. En enero, la Olimpiada de seguridad de asteroides se celebró en el punto de ebullición de Chelyabinsk , en el que Valery Bogdanov y Ruslan Peshkov, constructores de satélites y maestros de la Universidad Estatal del Ural del Sur, dieron una conferencia para los escolares sobre motores para naves espaciales. Este material es un tratamiento detallado de la conferencia y mi conversación con ellos.

Motor de orientación de combustible de metano y oxígeno, NASA Photo / John H. Glenn Research Center

Riqueza de elección

La primera evidencia escrita de la creación de cohetes data del siglo XIII. Solo cuatro siglos después, gracias a Newton, la humanidad entendió cómo funcionan. Sugerencia: el cohete no se "empuja": en el vacío no hay nada de qué empujarse, pero se acelera en una dirección debido a la liberación de la sustancia en la dirección opuesta. Y en el siglo XX, las personas, creando satélites, idearon muchas opciones para su movimiento, e incluso existen aquellas que no funcionan en la eyección masiva. Los principales tipos de motores satelitales se pueden clasificar de la siguiente manera:

Como suele suceder, en nuestro mundo, no existe un motor "ideal" para todos los casos, y la tarea de "elegir un motor para una nave espacial" puede tener muchas condiciones diferentes, lo que hace que algunas opciones sean inaceptables o ineficaces. Y para poder comparar cualquier cosa, primero necesitamos encontrar los criterios por los cuales compararemos. Para motores, se pueden distinguir impulso y empuje específicos.

Impulso específico- una medida de la eficiencia del motor. Por definición, este es el tiempo durante el cual el motor puede desarrollar tracción gastando 1 kg de combustible. Si medimos el empuje del motor en kilogramos (más precisamente, kilogramo-fuerza), entonces el impulso específico se medirá en segundos, y si el empuje se mide en Newtons, entonces la unidad de medida será un metro por segundo. Desde segundos hasta metros por segundo y viceversa, el impulso específico se puede calcular multiplicando o dividiendo por la aceleración de la gravedad. El significado del cambio en metros por segundo se puede entender más fácilmente si se representa como la velocidad de la sustancia que sale del motor a la salida de la boquilla. Obviamente, cuanto mayor sea el impulso específico, más eficiente será el motor.

Empuje, de hecho, es un parámetro de servicio o incluso una limitación. Los motores muy eficientes, que, sin embargo, desarrollan un poco de tracción, no se pueden aplicar en una situación en la que necesita realizar una maniobra que requiere un gran cambio de velocidad y no se puede estirar en el tiempo (o dividir en muchos arranques del motor).

La combinación de ambos valores nos permite construir un gráfico de los motores más adecuados en cada caso.

Fuente: Sistemas de control reactivo para naves espaciales, Belyaev N.M., Belik N.P., Uvarov E.I. - M .: Ingeniería Mecánica, 1979.

Motores de gas frio

Si estaba interesado en la historia de la astronáutica, entonces sabe que los motores de gas orientaron a "Moon-3" y "East" de Gagarin. Ahora que los satélites están abandonando los motores químicos y están cambiando a electrorreactivos, los motores de gas pueden parecer arcaicos debido a una tracción débil y un bajo impulso específico, sin embargo, esto no es así. Hasta ahora, los diseños se envían al espacio donde los motores aparentemente obsoletos son mejores que otros. En primer lugar, el gas comprimido no es tóxico y es perfecto para los paquetes de cohetes de los astronautas: una posible fuga no envenenará a la tripulación, y el escape colocado en el traje no tendrá que desactivarse.

Bruce McCandless prueba la instalación de MMU en 1984, foto de la NASA

El diseño de un sistema de propulsión de gas frío es simple y confiable, excepto para cilindros, válvulas solenoides y tuberías, considere que no se necesita nada. Si tiene suficientes reservas pequeñas de velocidad característica (delta-V), este diseño será más fácil que las alternativas más complejas. Los motores de gas de orientación tienen una dinámica excelente: las válvulas son muy rápidas (tiempo de reacción de hasta 20 milisegundos) y no necesitan, por ejemplo, un calentamiento preliminar del catalizador. Debido a estas ventajas, son perfectamente adecuados para sistemas precisos de orientación de bajo empuje, por lo tanto, por ejemplo, el telescopio Gaia salió volando con motores de orientación de gas. El LISA PathfinderHecho para probar la posibilidad de que el observatorio gravitacional funcione en el espacio y necesite un movimiento muy preciso, dos opciones de motor: gas frío y eléctrico con emisión de campo, en vuelo, se probaron con éxito juntos y por separado.

El esquema del motor en gas frío. El rojo es la región de alta presión de gas, el azul es la región de baja

, pero, por supuesto, no se puede empujar demasiado o cambiar mucho la velocidad en los motores de gasolina: el impulso específico del nitrógeno comprimido no es más de 80 segundos, y también disminuye al disminuir la presión en el tanque. El hidrógeno comprimido tiene un impulso específico de más de 270 segundos, pero debido a la baja densidad, el empuje es irracionalmente pequeño.

Motores de sublimación

En el diagrama en la esquina inferior izquierda hay sustancias sublimadoras que actúan como un fluido de trabajo. Es decir, hay un cuerpo sólido en el tanque que, cuando se calienta, pasa inmediatamente al gas, sin pasar por el estado líquido. En la vida cotidiana, podría encontrarse con "hielo seco": dióxido de carbono congelado a un estado sólido. Debido al hecho de que los motores de gas comprimido pueden ofrecer un gran empuje e impulso específico, en realidad suplantaron a los motores de sublimación. Pero el concepto no se abandona en absoluto: la investigación de la NASA, realizada a principios de las décimas, considera que tales motores son prometedores, siempre que el fluido de trabajo se extraiga en el acto. Hielo de dióxido de carbono en Marte, metano y monóxido de carbono en el sistema solar exterior, sustancias volátiles de asteroides y cometas: todo esto, en teoría, puede usarse como combustible producido localmente.

El concepto de un dispositivo que desvía un cometa de un curso peligroso y utiliza recursos locales como fluido de trabajo, ilustración de la NASA

Motores monocomponentes

Esto no es un incendio a bordo, sino una descarga regular de peróxido de hidrógeno utilizado en el sistema de orientación, aterrizaje de Soyuz MS-02, foto de NASA / Bill Ingals.

Hay sustancias que se descomponen bajo ciertas condiciones con la liberación de calor, y los productos de descomposición son adecuados para para dirigirlos a la boquilla de Laval y obtener tracción. El diseño sigue siendo simple, solo hay una línea de suministro de combustible, no hay problemas para mezclar los componentes en la cámara de combustión, las temperaturas no requieren enfriamiento complejo, pero el impulso específico ya es más alto que el de los motores de gas frío.

Diagrama del motor de un solo componente

Capacidad de peróxido de hidrógeno concentradodescompuesto en un simple catalizador de hierro en agua y oxígeno con abundante liberación de calor, lo convirtió en un tipo popular de combustible de un solo componente incluso al comienzo de la exploración espacial: la turbobomba de los motores de la primera y segunda etapa de los cohetes de la familia R-7 desde 1957 y todavía funciona en la descomposición del peróxido . Los motores de orientación de las primeras versiones de la nave espacial Soyuz funcionaron en él, y hasta ahora se ha utilizado para orientar el vehículo de descenso. El peróxido concentrado no es tóxico, pero causa quemaduras si entra en contacto con la piel y es explosivo si las líneas están contaminadas. Y, sin embargo, no funcionará durante años y décadas. El impulso específico es relativamente pequeño, en la región de 150 segundos. Debido a las dos últimas propiedades, el peróxido rara vez se usa ahora.

Motor de tracción de hidrazina 1 Newton, fabricadoLa

hidrazina de Arianespace se descompone en presencia de un catalizador calentado a 200-300 ° C. Debido a la necesidad de precalentamiento, la dinámica del motor disminuye, la hidrazina es muy tóxica, pero, gracias al impulso específico más alto de 230-240 segundos y la posibilidad de almacenamiento a largo plazo, sigue siendo una opción popular para un motor de un solo componente.

El óxido nitroso también es descomponible en presencia de un catalizador, pero a temperaturas más altas, lo que complica el diseño del motor. Pero es bueno porque no es tóxico, no se ahoga, no causa quemaduras, no es explosivo, no causa corrosión y puede almacenarse durante mucho tiempo. En la Universidad de Stanford fueronprobó con éxito motores con óxido nitroso con un empuje de hasta 2 Newtons, trabajando sin destruir el catalizador durante más de una hora a temperaturas de hasta 1225 ° C. La temperatura de funcionamiento puede ser incluso menor, un artículo de la Universidad de Surrey (Gran Bretaña) mostró que a una temperatura de 520 ° C el óxido nitroso se descompone sin catalizadores, lo que permite la creación de motores en descomposición autosostenida. Desafortunadamente, el impulso específico del óxido nitroso es bajo, hasta 170 segundos.

Cámara catalítica experimental de óxido nitroso, foto de la Universidad de Stanford

La toxicidad de la hidrazina conduce al estudio de opciones más exóticas, por ejemplo, dinitramida de amonio (ADN) o nitrato de hidroxilamonio (HAN). Teniendo un impulso específico incluso ligeramente mayor que el de la hidrazina, estos compuestos químicos son mucho menos tóxicos, pero requieren altas temperaturas en la cámara catalítica.

Clásico de hidrazina

La nave espacial debería funcionar durante mucho tiempo, por lo que el combustible debería poder almacenarse durante años. Y si necesita mucha tracción y un impulso específico suficientemente grande, entonces la opción más desarrollada y familiar será un motor de dos componentes basado en dimetilhidrazina asimétrica (como opción, monometilhidrazina o mezclas con hidrazina, el llamado aerosino) y diazotetróxido.

Pruebas de un motor de orientación de empuje de 200 N en una cámara de presión, foto de Arianespace

Este vapor de combustible tiene muchas ventajas: el combustible está en estado líquido a temperatura ambiente, almacenado durante años, se enciende automáticamente al contacto, es decir, no necesita sistemas de encendido, tiene buena dinámica y un buen impulso específico en la región de 320 segundos. Pero, por supuesto, no sin inconvenientes. Ambos componentes son muy tóxicos, causan corrosión y requieren materiales especiales. Y, dado que ahora hay dos componentes, ahora tenemos dos tanques, dos sistemas de suministro, es decir, una probabilidad dos veces mayor de falla, y aparece un sistema de mezcla de los componentes en la cámara de combustión. Por ejemplo, en 2010, la sonda Akatsuki no pudo ingresar a la órbita de Venus debido a una falla de la válvula de refuerzo. Como resultado, apareció un exceso de agente oxidante en la mezcla, la temperatura de la cámara de combustión y la boquilla aumentó, y se dañaron irreparablemente.El dispositivo pudo ingresar a la órbita de Venus solo cinco años después, después de haber realizado una maniobra de frenado muy larga en motores de orientación de un solo componente.

Diagrama del sistema de propulsión de la sonda Akatsuki, fuente

Debido a la combinación de alto empuje y alto impulso específico, los motores de este par de combustible son prácticamente incontestables para naves espaciales tripuladas y camiones de suministro de ISS. Hasta hace poco, también eran un clásico familiar para misiones interplanetarias y satélites geoestacionarios, pero ahora en estas áreas están llenos de motores de propulsión eléctrica.

Alternativas

Las dificultades de trabajar con componentes criogénicos no detuvieron a los diseñadores. Un ejemplo único de motores que usan componentes no tóxicos es el sistema de propulsión combinada Buran, que usaba oxígeno líquido y queroseno. El uso de este par de combustible proporcionó una gran relación de potencia (impulso específico en la región de 358 segundos, mayor que UDMH + AT), los componentes no tóxicos hicieron que la operación del barco fuera más segura y respetuosa con el medio ambiente, y también permitieron el uso de oxígeno para el suministro de energía y los sistemas de soporte vital.

ODU "Burana", un gran tanque de oxígeno líquido es claramente visible, fuente

Soluciones técnicas especiales: el enfriamiento profundo del oxígeno a -210 ° C antes de repostar, la agitación constante en el tanque y la gasificación antes de alimentar a los motores de orientación permitieron crear un sistema de propulsión que podría proporcionar un vuelo de hasta 30 días.

Y a mediados de la década de 2000, la NASA estaba considerando un par de combustible de metano y oxígeno para el módulo lunar y la nave espacial tripulada. El metano es mucho más fácil de almacenar en forma líquida que el hidrógeno, y el impulso específico es mayor que el del UDMH-AT. El barco, que se convirtió en el Orión, finalmente recibió motores de hidrazina. Pero la idea de los motores de metano no desaparecerá en ninguna parte, porque para los motores que funcionan con recursos recolectados localmente, el metano sigue siendo una opción interesante.

Futuro eléctrico

2020, por sumisiónde expertos, debería ser el año en que la mitad de los nuevos satélites comerciales utilizarán motores de propulsión eléctrica. Dado que son los que se encuentran en los satélites Starlink y OneWeb lanzados masivamente, ahora esta estimación parece conservadora. El satélite geoestacionario en UDMH + AT alcanzará la órbita objetivo en un máximo de una semana, pero la mitad de su masa inicial será combustible. Y en los motores eléctricos, el aumento de la órbita tomará hasta seis meses, pero el satélite será un 40% más ligero. Los grandes paneles solares instalados para repetidores de alta potencia se combinan maravillosamente con motores a reacción eléctricos. Un ataque eléctrico similar ocurre en el campo de los aparatos científicos: la sonda Dawn que se activó en 2007 tenía una reserva récord de velocidad característica, 11 km / s, inalcanzable para motores químicos.Todos estos resultados notables son posibles debido al hecho de que el impulso específico de los motores a reacción eléctricos es un orden de magnitud mayor que los químicos y para diferentes modelos está en un amplio rango de varios miles de segundos. Pero, por supuesto, todo tiene un precio: el empuje de los motores a reacción eléctricos se mide en milinewtons, y puede representarse a nivel doméstico como el peso de una moneda pequeña.

Los dos tipos de motores de electro-jet son los más comunes: los

motores iónicos ionizan el gas por bombardeo electrónico y emiten los iones resultantes en un campo eléctrico.

En un diseño de efecto Hall , también llamado a menudo un motor de plasma, el fluido de trabajo se alimenta a una cámara anular a la que se aplica una diferencia de potencial. El gas neutro es ionizado y acelerado por un campo eléctrico, expulsado del motor a gran velocidad.

Los motores iónicos tienen un mayor impulso específico, pero hasta ahora sufren problemas de durabilidad: debido a la gran diferencia de potencial entre las rejillas de aceleración y enfoque y la erosión con el tiempo, estalla la rejilla. Entonces, hoy en día, los motores de efecto Hall tienen una serie de ventajas operativas.

También hay opciones menos comunes. Por ejemplo, un electrotérmico, también es un motor de calentamiento eléctrico en el que el combustible se acelera calentando con corriente eléctrica. En los satélites Iridium de la primera generación ( se construyeron 98 piezas en total) , se instalaron siete motores de un solo componente con un empuje de 1 Newton y un motor de calefacción eléctrica más eficiente con un empuje de 0.369 N. Todos los motores fueron impulsados por un tanque con hidrazina.

Producción de motores de calefacción eléctrica.

Los motores de propulsión Aerojet Rocketdyne Electric son un tema prometedor, y donde puede prescindir de un gran empuje del motor, habrá más. Y cuando, finalmente, los reactores nucleares vuelan al espacio, sus enormes capacidades energéticas, combinadas con un impulso específico de propulsión eléctrica, abrirán nuevas perspectivas.

Demasiado inflexible

Los motores de propulsión sólidos están perdiendo gradualmente popularidad para las naves espaciales. La simplicidad del diseño y la alta tracción no pueden compensar una sola inclusión y lejos de un impulso específico récord: aproximadamente 290 segundos. Pero tenían un pasado glorioso: en los primeros Pioneros, los pequeños motores de estado sólido iban a realizar correcciones de trayectoria, se usaban como motores de freno en Mercury y Gemini tripulados, se encendían antes de las sondas automáticas de Surveyor en la luna, y durante mucho tiempo se usaron como motores de apogeo. motores, que transfieren satélites desde una órbita geo-transicional cercana a la geoestacionaria.

Diagrama de satélite geoestacionario Syncom de primera generación, motor de apogeo centro-izquierdo

Exótico

Es posible calentar el fluido de trabajo no solo con electricidad. Se libera mucho calor durante una reacción nuclear, y en los años 50 surgieron las ideas de un motor ramjet. Se suponía que el hidrógeno entraba al núcleo del reactor y era expulsado. El impulso específico se esperaba en la región de 900 segundos. El desarrollo se llevó a cabo a ambos lados del océano, en los EE. UU. - NERVA, en la URSS - RD-0410, pero al final se eliminaron gradualmente.

Motor NERVA

También hubo diseños más exóticos: explosivos pulsados, motores basados en sales de combustible nuclear, motores nucleares de fase gaseosa, etc., pero hasta ahora no han ido más allá de los diagramas y dibujos.

Existen conceptos más ecológicos de calefacción, por ejemplo, energía solar o láser. En la superficie de la luna, el regolito se calienta a más de cien grados durante el día, por lo que el principio de concentración de la luz solar para calentar el fluido de trabajo es real, pero sin espejos muy ligeros perderá la masa total del sistema con un motor químico convencional.

Concepto de satélite experimental de polilla solar, fuente

Para cambiar la velocidad, todas las opciones anteriores utilizaron la liberación de materia en la dirección opuesta. Pero hay diseños que lo hacen sin él. Las más famosas y exitosas son las velas solares. La nave espacial IKAROS lanzada a Venus junto con la sonda Akatsuki lanzó una vela de 14x14 metros el 10 de junio de 2010. La forma de la vela fue apoyada por la rotación del aparato, y la orientación fue controlada por LED en los bordes que cambiaban la reflectividad. El satélite experimental voló con éxito sobre Venus y en 2013, gracias a la vela, cambió su velocidad en unos 400 m / s.

Disposición reducida de IKAROS

La vela de la vela solar no es una cosa fácil, debe abrirse, idealmente sin pliegues ni flacidez, para garantizar la resistencia y la capacidad de control para que un micrometeorito aleatorio no se convierta en un desastre para la misión, así como la durabilidad. Existe una opción potencialmente más confiable y eficiente: una vela eléctrica. En lugar de una tela frágil, se abren alfileres o cables delgados, se coloca una pistola de electrones en el satélite, que expulsa electrones, por lo que el satélite y los cables adquieren una carga positiva y repelen los iones del viento solar. Desafortunadamente, el experimento experimental de Estonia ESTCube-1 no pudo abrir la vela en el espacio, y se suponía que el finlandés Aalto-1 abriría la vela el año pasado, pero no hay noticias al respecto.

Principio de funcionamiento de la vela eléctrica, ilustración de Alexandre Szames

Las cuerdas pueden usarse para frenar en el campo magnético de la Tierra o, por el contrario, usarse como motor. Si desenrollamos un cable conductor con un emisor electrónico al final, aparecerá una corriente en el cable y el satélite comenzará a disminuir sin consumo de combustible. Y si invierte la dirección de la corriente, puede acelerar. Desafortunadamente, el experimento japonés HTV-KITE falló: el cable no se desenrolló.

El principio del frenado pasivo con un cable conductor.

Después de desenrollar el cable y desenrollar el sistema resultante, puede convertir el momento de rotación en velocidad, desenganchando la carga al final en el momento adecuado. Por lo tanto, devolvieron con éxito (incluso si no pudieron encontrar más tarde) la cápsula Fotino del aparato Photon-M3. En teoría, los sistemas de cable giratorio se pueden usar para mover productos entre órbitas, pero hasta ahora tales sistemas solo funcionan en ciencia ficción (por ejemplo, Neil Stevenson, Semieviye).

Posición mutua de "Photino" y "Photon-M3" al desenrollar un cable

Epílogo

El siglo XXI para los motores satelitales promete ser no menos interesante que el XX: una abundancia de conceptos diferentes promete nuevos experimentos emocionantes y el desarrollo de motores espaciales en muchas direcciones diferentes.

Motores de hielo y llamas de los satélites