Ксенон, криптон и аргон — известные благородные газы, отличающиеся своей низкой реактивностью с другими химическими веществами. Они используются в различных отраслях промышленности. В том числе благодаря этим свойствам их широко применяют и в космических технологиях.
Из-за высокой эффективности в качестве топлива для двигателей Холла в космических миссиях чаще всего используют ксенон. При этом, хотя криптон и аргон имеют более низкие технические характеристики, некоторые космические компании выбирают их в качестве альтернативного топлива ввиду их меньшей стоимости. Однако конкретные конфигурации двигателя с использованием криптона (и в отдельных случаях аргона) тоже могут обеспечить достойную производительность.
Когда мы разрабатываем двигатели Холла, а также системы хранения и питания, следует проанализировать характеристики этих топлив и определить конфигурацию, чтобы использовать их наиболее надежно и эффективно.
Итак, какой из благородных газов является оптимальным топливом для двигателя? Давайте узнаем, посмотрев на их свойства, применение, преимущества и стоимость.
Сравнение благородных газов: ксенона, криптона и аргона
| Параметр | Единицы измерения | Значение | ||
| Ксенон | Криптон | Аргон | ||
| Атомная масса | amu | 131,3 | 83,8 | 39,9 |
| Энергия ионизации | eV (kJ/mol) | 12,1(1170.4) | 14,0(1350.7) | 15,8(1520.4) |
| Температура плавления | °K | 161,3 | 116,6 | 83,8 |
| Температура кипения | °K | 166,1 | 119,6 | 87,3 |
| Критическая температура | °K | 289,7 | 209,3 | 150,7 |
| Критическое давление | kPa | 5842 | 5525 | 4863 |
| Критическая плотность | kg/m3 | 1100 | 909,2 | 535,6 |
Ксенон
Ксенон представляет собой благородный газ с относительно высокой атомной массой. Умеренная энергия ионизации делает его подходящим для использования в ионных двигателях. Он довольно редко встречается в атмосфере Земли, его концентрация здесь составляет примерно 87 частей на миллиард. Самым распространенным способом получения этого газа является криогенная дистилляция для извлечения и очистки ксенона из воздуха.
Источник: SETS
Криптон
Характеристики криптона несколько схожи с ксеноном. Молекулярная масса этого газа — 83,80, его концентрация в земной атмосфере составляет одну часть на миллион. И он также добывается с помощью криогенной дистилляции.
Источник: SETS
Аргон
Аргон значительно больше распространен в атмосфере Земли. Его молекулярная масса составляет 39,95, что намного меньше, чем у ксенона или криптона, а это влияет на параметры двигателя.
Источник: SETS
Применение благородных газов и их стоимость
Космическая промышленность не является основной областью применения благородных газов. Преимущественно они используются для производства эксимерных лазерных систем, сверхпроводников и в качестве изоляции в многокамерных окнах. Ксенон также нужен в системах освещения, а аргон помогает предотвратить окисление во время сварки.
Из этих трех благородных газов, на которых мы сосредоточились, аргон является самым распространенным и дешевым. Он стоит всего от $7 до $15 за килограмм, тогда как стоимость криптона может достигать от $2100 до $4800, а ксенон обойдется в $5000-12000 за килограмм.
Детальное сравнение свойств благородных газов
| Характеристика | Ксенон | Криптон | Аргон |
| Молекулярная масса | Высокая (131,30) | Средняя (83,80) | Низкая (39,95) |
| Доступность | Очень дефицитный | Ограниченная | Доступный |
| Стоимость | Очень высокая | Высокая | Низкая |
| Применение | Эксимерные лазерные смеси, излучение, детекторы, космические двигатели, производство полупроводников, освещение, космическое топливо | Изоляция окон, эксимерные лазерные системы, производство полупроводников, космические двигатели, освещение, космическое топливо | Производство стали, производство полупроводников, утепление окон, сварка, космическое топливо |
Ксенон, криптон и аргон: сравнение эффективности и характеристик
Свойства ксенона делают его идеальным топливом в двигателях космических кораблей. Однако вследствие ограниченной доступности и высокого спроса для промышленного применения ксенон сравнительно дорого обходится, что влияет на общую стоимость эксплуатации электрических силовых установок. Поэтому во всем мире проводятся исследования в отношении использования альтернативных видов топлива, которые позволили бы снизить затраты на эксплуатацию и обслуживание силовых установок, сохраняя производительность двигателя на приемлемом уровне. Криптон и аргон выступают такими альтернативами.
В сравнении с другими благородными газами, критическая температура ксенона (температура, при которой и выше которой вещество больше не может быть сжато в жидкую форму, независимо от того, какое давление применено) является относительно высокой (289,7 °K) и находится в диапазоне рабочих температур электрической силовой установки. Если ксенон в жидкой форме, перед использованием его нужно предварительно нагреть.
Источник: SETS
Несмотря на это свойство, ксенон служит базовым топливом для электрических силовых установок Холла, поскольку имеет достаточно большую атомную массу, низкую энергию ионизации и является инертным газом, что обеспечивает высокую производительность силовой установки при сохранении простоты эксплуатации.
Ученые настаивают, что переход от ксенона к альтернативному топливу с меньшей молекулярной массой, такому как аргон или криптон, ухудшит все параметры двигателя, за исключением удельного импульса, который теоретически увеличится. Кроме того, это приведет к изменениям в конструкции двигателя, что потребует корректировки и модификации силовой установки для нового топлива. К тому же, срок службы двигателя при работе на аргоне или криптоне был бы меньше, чем если взять ксенон (например, при использовании криптона скорость эрозии стенки возрастает в 1,5-2 раза, а от аргона эрозия еще быстрее).
Некоторые аспекты криптона или аргона положительно влияют на двигательные системы. Поскольку их критические температуры составляют всего 209,3 °K и 150,7 °K, нет риска их попадания в систему питания в жидком состоянии во всем диапазоне рабочих температур. В отличие от ксеноновых топливных систем, это помогает избежать применения дополнительных нагревателей, что позволит операторам несколько снизить общее энергопотребление и упростить систему.
Однако, поскольку плотность криптона ниже, нежели у ксенона, для хранения такой же массы топлива требуются значительно большие резервуары. Многие разработчики пытались решить эту проблему, подняв максимальное давление резервуаров со 180 бар (такое давление традиционно используется для ксеноновых систем) до 300-350 бар. Но даже в этом случае объем бака будет в несколько раз больше, чем у ксеноновых систем. Расширение объема и требования к максимальному рабочему давлению в резервуаре существенно влияют на сухую массу и габариты всей силовой установки. Кроме того, повышенное до 360 бар давление в резервуаре ужесточает требования к системе питания и ее компонентам, что в свою очередь усложняет систему питания и может привести к увеличению ее размеров.
Недостатки аргона по сравнению с ксеноном даже более существенные, чем у криптона. Чтобы хранить необходимое количество топлива, надо использовать большие резервуары, что может стать критической проблемой для космических кораблей, где пространство ограничено. Кроме того, более низкая, чем у других благородных газов, атомная масса аргона может привести к меньшей эффективности силовых установок, где соотношение тяги к весу является критическим. Из-за того, что у аргона энергия ионизации выше, использование этого газа грозит большим потреблением электроэнергии самого двигателя или менее эффективными процессами ионизации.
Следует отметить, что использование аргона либо криптона в двигателях большой мощности позволяет повысить эффективность самих двигателей и значительно сократить расходы на закупку топлива. Самыми низкими затраты на силовую установку на альтернативном топливе будут тогда, когда двигатель станет работать с той же мощностью, что и двигатель на ксеноновом топливе, поскольку это избавит от необходимости значительных модификаций PPU.
Итак, переход на альтернативные инертные газы, даже с оптимизацией двигателя для такого топлива, приведет к ухудшению всех характеристик двигателя, кроме удельного импульса. Впрочем, даже для достижения такого уровня удельного импульса двигатель потребуется модернизировать. В дополнение к ухудшению характеристик двигателя и срока его службы, переход на криптон или аргон может существенно повлиять на систему хранения и питания, значительно увеличив их размеры и массу.
Хотя криптон и аргон применяются гораздо реже ксенона в двигателях Холла, стоимость делает их привлекательным топливом для исследований и использования в электрических двигателях.
Плюсы подхода SETS
Ксеноновая система питания (XFS) SETS является неотъемлемым компонентом электрических силовых систем (EPS) двигателей Холла. Разработанная для выполнения двух основных функций, XFS эффективно снижает высокое давление до рабочего и обеспечивает доставку необходимой массы топлива к электрическим двигателям. Система состоит из различных компонентов, таких как электромагнитные клапаны, аккумуляторные баки, ограничители потока и фитинги, тщательно разработанные и изготовленные собственными силами SETS.
Таким образом, поскольку большинство компонентов изготавливаются и тестируются на собственном производстве SETS, это облегчает адаптацию к смене топлива с ксенона на криптон или аргон. Данный подход упрощает производственные графики и позволяет адаптировать систему питания в соответствии с конкретными параметрами, обеспечивая оптимальную производительность и эффективность.
В целом уникальное сочетание характеристик делает ксенон основным топливом для космического корабля с двигателем на эффекте Холла. Однако криптон и аргон могут служить альтернативой для конкретных миссий или при определенных условиях. Специально оборудованная лаборатория и опыт в выборе топлива дают возможность SETS анализировать целесообразность использования альтернативных видов топлива для миссий, а также осуществлять испытания различных конфигураций двигателей для оценки их параметров.
