Ксенонове, криптонове або аргонове паливо для двигуна Голла: ефективність, властивості, застосування та вартість

Ксенон, криптон і аргон — відомі благородні гази, які вирізняються своєю низькою реактивністю з іншими хімічними речовинами. Вони використовуються в різних галузях промисловості. Зокрема, завдяки таким властивостям їх широко застосовують і в космічних технологіях.

Через високу ефективність як палива для двигунів Голла ксенон найчастіше використовують у космічних місіях. Натомість, хоча криптон та аргон мають нижчі технічні характеристики, деякі космічні компанії обирають їх як альтернативне паливо через їхню меншу вартість. Однак конкретні конфігурації двигуна з використанням криптону (і в окремих випадках аргону) теж здатні забезпечити гідну продуктивність.

Коли ми розробляємо двигуни Голла, а також системи зберігання та живлення, слід проаналізувати характеристики цих палив і визначити конфігурацію, щоб використовувати їх якомога надійніше й ефективніше.

Отже, який із благородних газів є оптимальним паливом для двигуна? Давайте дізнаємося, подивившись на їхні властивості, застосування, переваги та вартість.

Порівняння благородних газів: ксенону, криптону й аргону

Ксенон

Ксенон є благородним газом з відносно високою атомною масою. Помірна енергія іонізації робить його придатним для використання в іонних двигунах. Він досить рідко зустрічається в атмосфері Землі, його концентрація тут становить приблизно 87 частин на мільярд. Найпоширенішим способом отримання цього газу є кріогенна дистиляція для вилучення та очищення ксенону з повітря.

Криптон

Характеристики криптону дещо схожі з ксеноном. Молекулярна маса цього газу — 83,80, його концентрація в земній атмосфері становить одну частину на мільйон. І він також видобувається за допомогою кріогенної дистиляції.

Аргон

Аргон значно поширеніший в атмосфері Землі. Його молекулярна маса становить 39,95, що набагато менше, ніж у ксенону або криптону, а це впливає на параметри двигуна.

Застосування благородних газів і їхня вартість

Космічна промисловість не є основним місцем застосування благородних газів. Переважно вони використовуються для виробництва ексимерних лазерних систем, надпровідників і в якості ізоляції у багатокамерних вікнах. Ксенон також потрібен у системах освітлення, а аргон помічний для захисту від окислення під час зварювання.

Серед цих трьох благородних газів, на яких ми зосередились, аргон є самим поширеним і дешевим. Він коштує всього від $7 до $15 за кілограм, тоді як вартість криптону може сягати від $2100 до $4800, а ксенон обійдеться в $5000-12000 за кілограм.

Детальне порівняння властивостей благородних газів

Ксенон, криптон і аргон: порівняння ефективності та характеристик

Властивості ксенону роблять його ідеальним паливом у двигунах космічних кораблів. Однак через обмежену доступність і високий попит для промислового застосування ксенон відносно дорого коштує, що впливає на загальну вартість експлуатації електричних силових установок. Тому в усьому світі проводяться дослідження щодо використання альтернативних видів палива, які дозволили б знизити витрати на експлуатацію та обслуговування силових установок, зберігаючи продуктивність двигуна на прийнятному рівні. Криптон і аргон є такими альтернативами.

Порівняно з іншими благородними газами, критична температура ксенону (температура, за якої і вище якої речовина більше не може бути стиснута в рідку форму, незалежно від того, який тиск застосовано) є відносно високою (289,7 °K) і перебуває в діапазоні робочих температур електричної силової установки. Якщо ксенон у рідкій формі, перед використанням його потрібно попередньо нагріти.

Попри цю властивість, ксенон є базовим паливом для електричних силових установок Голла, оскільки має досить велику атомну масу, низьку енергію іонізації та є інертним газом, що забезпечує високу продуктивність силової установки за збереження простоти експлуатації.

Учені наполягають, що перехід від ксенону до альтернативного палива з меншою молекулярною масою, такого як аргон чи криптон, погіршить усі параметри двигуна, за винятком питомого імпульсу, який теоретично збільшиться. Крім того, це призведе до змін у конструкції двигуна, що вимагатиме коригування та модифікації силової установки для нового палива. Ба більше, термін служби двигуна при роботі на аргоні або криптоні був би меншим, ніж якщо взяти ксенон (наприклад, при використанні криптону швидкість ерозії стінки зростає в 1,5-2 рази, а від аргону ерозія ще швидше).

Деякі аспекти криптону або аргону позитивно впливають на рухові системи. Оскільки їхні критичні температури становлять лише 209,3 °K і 150,7 °K, немає ризику їх потрапляння в систему живлення в рідкому стані в усьому діапазоні робочих температур. На відміну від ксенонових паливних систем, це дає змогу уникнути застосування додаткових нагрівачів, що дозволяє операторам дещо знизити загальне енергоспоживання та спростити систему.

Однак, оскільки щільність криптону нижча, ніж ксенону, для зберігання такої ж маси палива потрібні значно більші резервуари. Багато розробників намагалися вирішити цю проблему, піднявши максимальний тиск резервуарів зі 180 бар (такий тиск традиційно використовується для ксенонових систем) до 300-350 бар. Але навіть у цьому випадку обсяг бака буде в кілька разів більше, ніж у ксенонових систем. Розширення об’єму і вимоги до максимального робочого тиску в резервуарі істотно впливають на суху масу і габарити всієї силової установки. Крім того, підвищений до 360 бар тиск у резервуарі посилює вимоги до системи живлення та її компонентів, що зі свого боку ускладнює систему живлення та може призвести до збільшення її розмірів.

Недоліки аргону порівняно з ксеноном навіть значніші, ніж у криптону. Щоб зберігати необхідну кількість палива, треба використовувати більші резервуари, що може стати критичною проблемою для космічних кораблів, де простір обмежений. Крім того, нижча за інші благородні гази атомна маса аргону може призвести до меншої ефективності силових установок, де співвідношення тяги до ваги є критичним. Через те, що у аргону енергія іонізації вища, використання цього газу загрожує більшим споживанням електроенергії самого двигуна або менш ефективними процесами іонізації.

Слід зазначити, що використання аргону або криптону в двигунах великої потужності дозволяє підвищити ефективність самих двигунів і значно скоротити витрати на закупівлю палива. Найнижчими витрати на силову установку на альтернативному паливі будуть тоді, коли двигун працюватиме з тією ж потужністю, що й двигун на ксеноновому паливі, оскільки це позбавить від необхідності значних модифікацій PPU.

Отже, перехід на альтернативні інертні гази, навіть з оптимізацією двигуна для такого палива, призведе до погіршення всіх характеристик двигуна, крім питомого імпульсу. Проте навіть для досягнення такого рівня питомого імпульсу двигун потрібно буде модернізувати. На додаток до погіршення характеристик двигуна та терміну його служби, перехід на криптон або аргон може суттєво вплинути на систему зберігання та живлення, значно збільшивши їхні розміри та масу.

Хоча криптон та аргон застосовуються набагато рідше за ксенон у двигунах Голла, вартість робить їх привабливим паливом для досліджень і використання в електричних двигунах.

Плюси підходу SETS

Ксенонова система живлення (XFS) SETS є невід’ємним компонентом електричних силових систем (EPS) двигунів Голла. Розроблена для виконання двох основних функцій, XFS ефективно знижує високий тиск до робочого та забезпечує доставку необхідної маси палива для електричних двигунів. Система складається з різних компонентів, таких як електромагнітні клапани, акумуляторні баки, обмежувачі потоку та фітинги, ретельно розроблені та виготовлені власними силами SETS.

Відтак, оскільки більшість компонентів виготовляються та тестуються на власному виробництві SETS, це полегшує адаптацію до зміни палива з ксенону на криптон або аргон. Цей підхід спрощує виробничі графіки та дає змогу адаптувати систему живлення відповідно до конкретних параметрів, забезпечуючи оптимальну продуктивність і ефективність.

Загалом унікальне поєднання характеристик робить ксенон основним паливом для космічного корабля з двигуном на ефекті Голла. Однак криптон і аргон можуть служити альтернативою для конкретних місій або за певних умов. Спеціально обладнана лабораторія та досвід у виборі палива дозволяють SETS аналізувати доцільність використання альтернативних видів палива для місій, а також проводити випробування різних конфігурацій двигунів для оцінки їхніх параметрів.