Киловаттный солнечный электрический двигатель

Сообщение №21027 от Ana 21 мая 2003 г. 17:39
Тема: Киловаттный солнечный электрический двигатель

На форуме по математике было сообщение №7784, в котором сказано, что NASA выделило финансирование организациям, разрабатывающим эффективные двигатели для полётов в околоземным (околосолнечном) пространстве.

В сообщении сказано:
Они будут работать в течение трех лет и получат в общей сложности за эти контракты 20,2 млн дол. (9,6 млн дол. NASA выделило на 2003 финансовый год, 10,2 млн дол. на 2004 г. и 0,6 млн дол. на 2005 г.). Затем будет проведен новый этап отбора проектов и их авторы получат уже более серьезные деньги.

В частности фигурирует такая работа:
Киловаттный солнечный электрический двигатель будут делать исследовательский центр им. Гленна агентства NASA и компания Busek.

Очень бы хотелось, чтобы профессионалы оценили:
(1) Какой должна быть площадь солнечных батарей, чтобы обеспечить питанием такой двигатель?

(2) Какова максимальная сила, с которой будет возмущаться орбитальное движение давлением на эти батареи:
-- (а) давлением солнечных лучей?
-- (в) давлением солнечного ветра?


Отклики на это сообщение:

1)
Для того, чтобы фотоэлемент дал мощность в 1000 ватт на орбите, при условии , что он перпендикулярен солнечным лучам его площадь и не должна быть большой.
Максимальная эффективность фотоэлементов сегодня - около 30 %. Для такого элемента площадь поверхности составит всего 2.4 метра*метра. Это всё, разумеется, для земной орбиты. Ну, правда, часть мощности упадёт на самом фотоэлементе, так что для того, чтобы он выдал на двигатель 1 кВт, он должен выробатывать несколько больше. Но это не принципиально.

2)Световое давление составит в этом случае (возьмем альбедо 0.5)
7е-6 Па. Умножая на площадь фотоэлемента 2,4 м^2 получим силу 1.7е-5 Н. Однако, учтите, что площадь сечения космического аппарата сравнима ( и даже много больше) площади такого фотоэлемента, поэтому этим фотоэлементом можно вообще себя не беспокоить.

3)Солнечным ветром себя и вовсе заботить не стоит, поскольку его влияние пренебрежимо мало.


> 1) Для того, чтобы фотоэлемент дал мощность в 1000 ватт на орбите, при условии , что он перпендикулярен солнечным лучам его площадь и не должна быть большой.
> Максимальная эффективность фотоэлементов сегодня - около 30 %. Для такого элемента площадь поверхности составит всего 2.4 метра*метра.


Т.е. Вы считаете (обоснований не приводите), что для двигателя, потребляющего киловатт на околоземной орбите, достаточно 2.4 квадратных метра батарей (с учетом всех потерь)?

> 2)Световое давление составит в этом случае (возьмем альбедо 0.5)7е-6 Па.
> Умножая на площадь фотоэлемента 2,4 м^2 получим силу 1.7е-5 Н. Однако, учтите, что площадь сечения космического аппарата сравнима ( и даже много больше) площади такого фотоэлемента, поэтому этим фотоэлементом можно вообще себя не беспокоить.

Получается, что киловаттный двигатель ничего особенного не представляет. Может быть, ошибка в сообщении о нем?

> 3)Солнечным ветром себя и вовсе заботить не стоит, поскольку его влияние пренебрежимо мало.

Не является ли это утверждение голословным?
Не могли бы привести оценку (м.б. диапазон) отношения ускорений от солнечного ветра и давления от солнечной радиации


Ну, хотите формулки - получайте.

На земной орбите плотность мощности солнечной энергии (солнечная постоянная) составляет примерно 1400 Вт/м^2.
Т е идеальный фотоэлемент способен получить 1.4 кВт с 1 м^2 своей поверхности. Но если учесть, что КПД его , скажем, 30%, то получите цифру 2.4 м^2 для получения 1 кВт.

Давление света - это (1+а)*W/c (Всё в СИ) , где W=1400 (солнечная постоянная), с=3е8 скорость света, а а пусть 0.5 - отражающая способность. Считая, получаем для давления 7е-6 Па.

Давление солнечного ветра считать сложно, поскольку оно зависит от толщины паруса, от его материала, от спектра частиц. Но некоторую оценку можно сделать.

Если верить справочным данным о потоке кинетической энергии 10^19 Вт, то давление будет порядка 1е-13 Па.

Ну, а отношение ускорений равно отношению давлений т е 1е7-1е8


А потом, Вы что, никогда не видали вентиляторы на солнечных батареях ? У него размер фотоэлемента 10х10 см, а даёт мощность в несколько ватт. Купите и играйтесь )))


> > 2)Световое давление составит в этом случае (возьмем альбедо 0.5)7е-6 Па.
> > Умножая на площадь фотоэлемента 2,4 м^2 получим силу 1.7е-5 Н. Однако, учтите, что площадь сечения космического аппарата сравнима ( и даже много больше) площади такого фотоэлемента, поэтому этим фотоэлементом можно вообще себя не беспокоить.

> Получается, что киловаттный двигатель ничего особенного не представляет. Может быть, ошибка в сообщении о нем?

Если бы в качестве "двигателя" использовался парус из панелей с фотоэлементами, тогда ваш вывод был бы безупречен. Но мне показалось, что киловатт мощшости расходуется так, чтобы сила тяги превысила 1.7е-5 Н.


Всё это так, НО вопрос именно и ставился о давлении на солнечные батареи, а что они будут в виде паруса - это естественно. Поэтому, я просто корректно ответил на вопрос, упомянув, правда, что площади таких батарей сравнима с площадью сечения аппарата.


> Всё это так, НО вопрос именно и ставился о давлении на солнечные батареи, а что они будут в виде паруса - это естественно. Поэтому, я просто корректно ответил на вопрос, упомянув, правда, что площади таких батарей сравнима с площадью сечения аппарата.

Вот именно. Вопрос ставился о давлении на солнечные батареи. Но потом был сделан вывод: "Получается, что киловаттный двигатель ничего особенного не представляет. Может быть, ошибка в сообщении о нем?" Вы согласны с логической цепочкой? Возможно, я что-то упустил?



Ах вот о чём Вы.
Двигатель, который потребит киловатт - не проблема. Т е не проблема его этим киловаттом обеспечить. И я полагаю, именно об этом спрашивалось. Если же вопрос о новизне самого двигателя, то не объяснялся ни принцип его работы, ни даваемый им эффект,ни его КПД, ни сколько он , в конце концов, весит. Так что для оценки свойств двигателя нужно и смотреть на сам двигатель, но описания не было представлено и смотреть не на что. Во всяком случае, пока.

Пусть Ана уточнит вопрос, если интересует сам двигатель, а не батареи.


> Ах вот о чём Вы.
> Двигатель, который потребит киловатт - не проблема. Т е не проблема его этим киловаттом обеспечить. И я полагаю, именно об этом спрашивалось. Если же вопрос о новизне самого двигателя, то не объяснялся ни принцип его работы, ни даваемый им эффект,ни его КПД, ни сколько он , в конце концов, весит. Так что для оценки свойств двигателя нужно и смотреть на сам двигатель, но описания не было представлено и смотреть не на что. Во всяком случае, пока.

> Пусть Ана уточнит вопрос, если интересует сам двигатель, а не батареи.

Ана вряд ли сможет дать данные по двигателю (в статье ничего не было). Посмотрите примеры:

"Электрический РД - ракетный двигатель, в котором в качестве источника энергии для создания тяги используется электрическая энергия бортовой энергоустановки космического летательного аппарата, обычно это солнечные или аккумуляторные батареи, реже пассивные ядерные генераторы. Достоинство: высокий удельный импульс (удельная тяга) благодаря большой скорости истечения рабочего тела, достигающей 10-100 км/с. По удельному импульсу ЭРД многократно превосходят химические РД, у которых скорость истечения не превышает 4.5 км/с. Ограниченное применение ЭРД связано с необходимостью большого расхода электроэнергии (10-100 кВт на 1 Н тяги). Из-за наличия бортовой энергоустановки (и др. вспомогательных систем), а также из-за малой плотности тяги аппарат с ЭРД имеет малое ускорение. Поэтому ЭРД могут быть использованы только в космических летательных аппаратах, совершающих полёт либо в условиях слабых гравитационных полей, либо на околопланетных орбитах. Они применяются для ориентации, коррекции орбит КЛА и др. операций, не требующих больших затрат энергии. Однако из-за малой отбрасываемой массы рабочего тела время непрерывной работы таких ЭРД будет измеряться месяцами и годами; их использование вместо существующих химических РД позволит увеличить массу полезного груза КЛА. Выделяют электротермические, электростатические (ионные) и электромагнитные (плазменные) РД.

Электротермический РД - электрическая энергия используется для нагрева рабочего тела с целью обращения его в газ с температурой 1000-5000 К; газ, истекая из реактивного сопла создаёт тягу. В качестве рабочего тела используются вещества с малой молекулярной массой (например, водород, аммиак, гидразин), нагреваемые при помощи поверхностных нагревателей, дугового разряда или (в экспериментальных ЭРД) высокочастотного электромагнитного поля. Удельный импульс электротермического РД составляет 1.5-10 (кН*с)/кг, плотность тяги 0.3-3 МН/м2, время работы от нескольких часов до нескольких сотен часов.

Ионный (электростатическом) РД - двигатель, тяга которого создаётся истеканием ионизированного газа. Вначале производится ионизация рабочего тела, после чего ионы и электроны раздельно ускоряются в электростатическом поле (при помощи системы электродов), а затем вновь перемешиваются для нейтрализации объёмного заряда и, истекая, создают тягу. Вместо ионов в электростатических РД могут ускоряться заряженные (например, за счёт контактной разности потенциалов при отрыве капли от поверхности электрода) микроскопические капли, такие ЭРД называются коллоидными. Значение ускоряющего потенциала составляет для них около 2-7 кВ (для коллоидных 10-20 кВ) при плотности тока в несколько мА/см2. Удельный импульс электростатических РД 15-100 (кН*с)/кг, плотность тяги 30-50 Н/м2, время работы - более 1-го года.

Плазменный (электромагнитным) РД - двигатель, тяга которого создаётся истеканием плазмы. Рабочим телом является плазма любого вещества, ускоряемая за счёт силы Ампера в скрещенных электрическом и магнитном полях. Так, существуют модели, в которых действующей силой является реактивная сила отдачи, возникающая при разлёте продуктов разложения и испарения поверхностей твёрдых тел, облучаемых мощными импульсами лазерного излучения или импульсными электронными пучками." (с)


> Ах вот о чём Вы.
> Двигатель, который потребит киловатт - не проблема. Т е не проблема его этим киловаттом обеспечить. И я полагаю, именно об этом спрашивалось. Если же вопрос о новизне самого двигателя, то не объяснялся ни принцип его работы, ни даваемый им эффект,ни его КПД, ни сколько он , в конце концов, весит. Так что для оценки свойств двигателя нужно и смотреть на сам двигатель, но описания не было представлено и смотреть не на что. Во всяком случае, пока.

> Пусть Ана уточнит вопрос, если интересует сам двигатель, а не батареи.

Посмотрите еще ссылочку:

Ионные двигатели малой мощности

Характеристики ионных двигателей
.........N, Вт.... R, мН.... RУД, с ,...%
..........1350.... 83 ..... 1630..... 49

Обратим внимание, что удельный импульс RУД раз в пять выше, чем у химических движков. Конечно, тяга в 0.05 Н на 1 кВт невелика, но все таки много больше, чем возмущение от солнечного давления.



AlphaBus - новая европейская платформа для телекоммуникационных спутников

27.06.2003. На авиасалоне в Ле-Бурже (Франция) состоялось подписание соглашения между двумя европейскими компаниями Alcatel Space и Astrium о разработке новой платформы для спутников связи AlphaBus.
На ее базе будут строиться крупные телекоммуникационные спутники, предназначенные для работы на геостационарных орбитах. На них будет устанавливаться передающее оборудование мощностью от 12 до 18 кВт (с перспективой дальнейшего увеличения) и, соответственно, очень большие антенны. Таковы сейчас потребности спутниковых систем связи.
Новая платформа должна снизить общие затраты на спутниковую связь, в том числе на телефонную и телевизионное вещание, и обеспечить работу нового поколения мультимедиа- и мобильных служб связи.
Запуск первого спутника, построенного на базе платформы AlphaBus, запланирован на 2007 год.
www.rol.ru


30.06.2003. Самолёт NASA потерпел катастрофу

30.06.2003. Потерпел катастрофу экспериментальный беспилотный самолёт Helios, использующий в качестве источника энергии солнечный свет.
В четверг он упал в воды Тихого океана неподалёку от Гавайских островов. Об этом со ссылкой на NASA сообщает информационное агентство "Интерфакс".

Helios является прототипом летательных аппаратов, которые могут месяцами находиться в воздухе на очень большой высоте. Их планируется использовать в качестве замены для некоторых коммуникационных или исследовательских спутников. Солнечные батареи, которые обеспечивают аппарату необходимую для работы энергию, размещаются у него на крыльях, размах которых больше, чем у Boeing 747 - около 82 м, в то время как длина фюзеляжа не превышает четырех метров.

В 2001 году Helios совершил несколько испытательных полётов на большой высоте.
Запуск самолета был произведен с военно-морской ракетной базы США в Тихом океане. Что произошло дальше, неизвестно. NASA не сообщает ничего о причинах аварии, случившейся недалеко от места старта.

Планировалось, что в следующем месяце этот аппарат совершит первый длительный полет: по плану Helios должен был продержаться в воздухе почти два дня.
www.compulenta.ru


На рекордную высоту поднимется сверхлёгкий самолёт

03.07.2003. Компания QinetiQ готовит к запуску стратосферный самолёт, который может побить рекорд, установленный американским "летающим крылом" Helios.

Сверхлёгкий Zephyr 3, получающий энергию от Солнца, поднимется над землёй на 40 километров.

Беспилотный самолёт будет фотографировать другой летательный аппарат - пилотируемый стратостат QinetiQ 1, который должен побить рекорд высоты, установленный более 40 лет назад - а также проведет ряд научных экспериментов.
Первый этап полёта Zephyr 3 преодолеет не самостоятельно: он будет подвешен к гондоле стратостата, который стартует с британского исследовательского судна "Тритон".
Запуск произойдёт в прибрежных водах у юго-западной оконечности острова Британия, а вся миссия продлится около 11 часов.
Полёт Zephyr 3 начнётся на высоте девяти километров, но и тогда аппарат будет связан с гондолой тросом длиной 450 метров.

Самолёт будет совершать круговые полеты вокруг стратостата со скоростью в 70 метров в секунду, делая, таким образом, 3 круга за 2 минуты.
Всё это время он будет вести фото- и видеосъёмку стратостата и передавать изображение на Землю.

Zephyr 3 будет оставаться на привязи до самого завершения подъема, а во время спуска аппарат освободится от троса и вернётся на судно "Тритон".

В самолёте, построенном QinetiQ - предприятием британского министерства обороны, применены сверхлёгкие конструкции и оборудование.
Крылья, набранные из нервюр, изготовленных из углеродных композитов, обтянуты майларом.

Масса аппарата не превышает 12 килограммов, а размах крыльев составляет 12 метров.

Кроме уменьшения веса аппарата конструкторам пришлось решить ещё целый ряд проблем - от обеспечения работы двигателей на большой высоте до обеспечения надежности конструкции в условиях резкого перепада температур. Верхняя плоскость крыла будет очень сильно нагреваться, тогда как температура нижней поверхности может достигать -50°С.

Солнечные батареи на поверхности крыльев обеспечивают киловатт электрической мощности для пяти двигателей Zephyr 3.

"Энергонезависимый" самолёт может оставаться в воздухе очень долго, и конструкторы видят в нём замену спутникам связи и наблюдения, причём значительно более дешёвую и удобную.

Хотя Zephyr 3 и достигнет небывалой для самолёта высоты, рекорд его не будет засчитан: по существующим правилам, потенциальный рекордсмен должен взлететь с поверхности Земли самостоятельно.
www.compulenta.ru


В сообщении № 23165 говорится, что российская экспедиция на Марс собирается пользоваться
солнечной батареи из кремния
Вопрос, что у таких батарей высокий КПД или могут существовать какие-то иные соображения их использования в окрестности Марса?.


A razve byvajut drugie batarei (ne iz Si) ?


Физика в анимациях - Купить диск - Тесты по физике - Графики on-line

Реклама: Советуем дома из газосиликатных блоков дешево
Rambler's Top100