Плазменный двигатель ракетный: Плазменный ракетный двигатель. Что заказал «Росатом»?

Плазменный двигатель — Serge.A.Kobzar

Плазменный мотор: 40 дней до Марса

Едва ли не основная сложность в организации пилотируемой миссии на Марс – ее продолжительность. Текущие технологии потребуют полгода на путешествие только в одну сторону – и этот срок порождает массу дополнительных проблем, от трудностей с жизнеобеспечением до защиты от длительного воздействия радиации. Однако плазменный двигатель нового поколения может сократить время, которое требуется для полета к Марсу, всего до 39 дней.

TechInsider

Item 1 of 2

1 / 2

Плазменный двигатель VASIMR, если его питать от бортового ядерного реактора, способен доставить пилотируемую миссию к Марсу всего за 39 дней

Традиционные реактивные двигатели ракет создают тягу за счет экзотермической химической реакции между компонентами топлива. Львиная его доля уходит на преодоление земного притяжения и вывода аппарата на орбиту.

В отличие от них, плазменные ракетные двигатели (ПРД) используют в качестве создающего тягу рабочего тела заряженную плазму, то есть полностью ионизированный газ. Работает это так: нейтральный газ (обычно водород или гелий) подается в специальную камеру и ионизируется. Получившаяся холодная плазма поступает во вторую камеру и разогревается. Наконец, в третьей камере создается весьма быстрый направленный поток плазмы, который и толкает аппарат вперед.

Современное состояние техники не позволяет создать такие двигатели, способные преодолеть силу тяжести, однако в работе на орбите они могут оказаться незаменимыми. Во-первых, топлива им требуется на порядки меньше, чем обычным ракетам. Во-вторых, работают они очень подолгу. Разгоняясь понемногу, зато постоянно, они позволяют кораблям, на которых установлены, довольно быстро обгонять своих традиционных собратьев.

Стоит сказать, что первые такие двигатели были изобретены в СССР, о чем мы писали в статье «Потомки повелителя ветров». Еще в конце 1971 г. первый аппарат, оснащенный ПРД «Эол-1», успешно был испытан в космосе. А сегодня электроракетными двигателями оснащен, к примеру, американский зонд Dawn, совершающий далекое путешествие в астероидам Веста и Церера (читайте о ней: «Легенды астероидного пояса»), или японский аппарат Hayabusa, который в 2005 г.  изучил астероид Итокава («Астероид в рубашке»). Правда, на этих аппаратах установлены не плазменные, а ионные двигатели.

Впрочем, двигатель VASIMR, о котором пойдет речь, представляет собой куда более совершенную систему. Работает над ним компания Ad Astra, которая была основана в 2005 г. физиком и бывшим астронавтом Франклином Чен-Диазом (Franklin Chang-Diaz).

В VASIMR в качестве источника плазмы используется благородный газ аргон. Радиочастотный генератор раскаляет его до такой температуры, что его электроны отрываются от ядер, создавая плазму. Эта плазма способна создать тягу уже сама по себе, но для достижения куда большей эффективность ее лучше еще сильнее нагреть. Рабочая температура плазмы в VASIMR достигает миллионов градусов. Получается это при помощи сверхпроводящих электромагнитов. Они создают сильное магнитное поле, в котором заряженные ионы газа колеблются с определенной частотой. При этом на них воздействуют радиоизлучением, вступающим в резонансное взаимодействие с движением ионов плазмы. Они получают все новую и новую энергию. Затем другие электромагниты создают ток плазмы в виде тонкой и очень быстрой струи, которая выбрасывается из сопла и толкает двигатель в противоположном направлении.

По словам разработчиков, VASIMR в сотни раз более производителен, чем традиционные ионные двигатели, в которых ионы просто ускоряются, последовательно проходя через серию электродов, находящихся под все возрастающим напряжением. Кроме того, при такой схеме работы ионы часто соударяются с электродами, довольно быстро приводя к их эрозии и снижая срок жизнедеятельности двигателя. В отличие от них, в VASIMR никакого контакта плазмы с самим двигателем не происходит — примерно как пища разогревается в микроволновке, не касаясь ее стенок. Примерно так же устроены российские плазменные двигатели СПД (только в них используется относительно холодная плазма).

Первый компонент двигателя, создающий плазму, был успешно испытан 2 июля. А на прошлой неделе начались его испытания со второй частью, где плазма раскаляется. К настоящему времени ученым удалось успешно апробировать эту установку при нагрузке 50 КВт, но когда-нибудь они намерены добраться хотя бы до 200 КВт. По их расчетам, этой энергии достаточно, чтобы такой двигатель сумел доставить 2-тонный груз из точки, близкой к Солнцу, на Юпитер — всего за 19 месяцев (среднее расстояние от звезды до планеты-гиганта составляет примерно 780 млн км).

Руководство Ad Astra уже получило официальное согласие NASA на проведение тестов двигателя на борту МКС, где-нибудь в 2012—2013 гг. В принципе, VASIMR может в будущем быть надолго установлен на станции, чтобы поддерживать ее положение на орбите.

Важно и то, что на текущем уровне мощности VASIMR способен полностью обеспечивать себя за счет солнечной энергии. Так что в будущем такие небольшие ПРД вполне подойдут для установки на спутники и позволят им, не требуя дополнительных источников питания, корректировать свой полет. В Ad Astra видят и другой вариант использования: отправку легких аппаратов с их двигателями к астероидам, которые могут потенциально угрожать нашей планете столкновением. «Вцепившись» в такое небесное тело, аппараты включат двигатели и отведут опасность в сторону.

Что же до 39-дневного перелета к Марсу, то VASIMR потребуется стать куда мощнее — примерно в 1000 раз, чем сегодня. А для этого солнечной энергии будет совершенно недостаточно, так что предполагается, что питаться он будет от бортового ядерного реактора. Подобные системы тоже разрабатывались в СССР, но сегодня эта тема несколько подзабыта.

Впрочем, перспективы оказаться на Марсе так быстро весьма захватывают. Новый глава NASA Чарльз Болден (Charles Bolden) выделил грант на дальнейшую работу по проекту VASIMR и заявил, что вообще сотрудничество его агентства с частными компаниями вполне может стать тем шансом, который позволит NASA выполнить все грандиозные задачи, стоящие перед ним в следующие десятилетия.

Действительно, освоение пространства полностью зависит от развития систем передвижения. Открытие реактивных двигателей быстро привело к выходу человека в космос и высадке на Луну. Но на этих «лошадках прошлого» на Марс добраться слишком трудно. Экспедиция сроком в несколько лет может стать большим свершением, но наверняка единичным. А если VASIMR позволит сократить ее до пары месяцев — Красная планета, а заодно и другие тела Солнечной системы, окажутся куда ближе, чем сегодня.

По публикации New Scientist Space

Фахрутдинов И.X. Ракетные двигатели твердого топлива

• формат pdf
• размер 16.26 МБ
• добавлен
  06 октября 2010 г.

М.: Машиностроение, 1981. —223 с.
В книге рассматриваются вопросы теории и практики разработки
двигателей твердого топлива. Последовательность изложения и
расположение соответствуют порядку и этапам разработки РДТТ на
практике. Содержание книги охватывает основной комплекс вопросов,
включая формирование технического задания на разработку РДТТ,
расчет параметров, построение конструктивных схем и т. д., а также
организационно-экономические вопросы разработки и
автоматизированного проектирования РДТТ.
Книга предназначена для инженерно-технических и научных работник;
она может быть полезна также студентам и аспирантам вузов.

Смотрите также

• формат djvu
• размер 6.87 МБ
• добавлен
  21 июля 2009 г.

М.: Машиностроение, 1980. 533 c. Учебник для вузов машиностроительных специальностей. Физические принципы и основные параметры. Общие методы теории и расчета. Термогазодинамика идеальный потоков. Основы теории реальных потоков. Жидкостные ракетные двигатели. Ракетные двигатели на твердом топливе. Комбинированные двигатели.

• формат djvu
• размер 8.05 МБ
• добавлен
  21 декабря 2009 г.

Учебник для студентов высших технических учебных заведений. — М.: Машиностроение, 1989. — 464 с. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ. Отличительные особенности и функции ракетных двигателей. Основные параметры камеры и двигателя. Взаимосвязь параметров ракеты, двигателя и топлива. ОБЩИЕ МЕТОДЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТА. Задачи термодинамического расчета. Исходные данные для термогазодинамического расчета. Основы расчета равновесных состояний и процес…

• формат djvu
• размер 4.57 МБ
• добавлен
  03 марта 2010 г.

М.: Воениздат, 1972. — 312 с. В книге изложены основы боевого применения ракетного оружия, элементы теории полета, физические принципы реактивного движения, описаны ракетные двигатели и топлива, системы управления и наведения ракет различных классов. Описаны принципиальное устройство ракет различных конструкций и их основных агрегатов, а также устройство наземного оборудования и испытания ракетных комплексов. Проведена классификация ракетного ор…

• формат djvu
• размер 2.25 МБ
• добавлен
  27 марта 2011 г.

Брошюра Воениздат 1969 55с Общие сведения о ракетных двигателях: принцип работы ракетных двигателей, требования к ракетным двигателям, классификация, основные соотношения, характеристики. Жидкостные ракетные двигатели: из истории ЖРД, современное состояние развития ЖРД, развитие и совершенствование ЖРД. Ракетные двигатели твердого топлива: из истории РДТТ, современное состояние развития РДТТ, направления развития РДТТ, комбинированные (гибридные)…

• формат djvu
• размер 1.37 МБ
• добавлен
  26 мая 2011 г.

Гильберг Л. А. Электрические ракетные двигатели. М.: Воениздат, 1968. 79 стр. Содержание.: Ракеты ближайшего будущего (3). Барьер веса (4). Ядерные ракеты (8). Электрические ракеты (19). Электротермический. двигатель (26). Плазменный двигатель (30). Ионный двигатель (40). Электростанции в космосе (61).

• формат djvu
• размер 7.97 МБ
• добавлен
  16 января 2011 г.

Авторы: Т. М. Мелькумов, Н. И. Мелик-Пашаев, П. Г. Чистяков, А. Г. Шиуков. — М.: Машиностроение, 1976, 400 с. (OCR). В монографии изложены основные вопросы теории, конструкции и автоматического регулирования ракетных двигателей жидкого и твердого топлива. Специальная глава посвящена применению ядерной энергии в ракетных двигателях. Изложены основные схемы, параметры и характеристики ракетных двигателей, особенности процессов горения, истечения и…

• формат djvu
• размер 3.66 МБ
• добавлен
  07 ноября 2011 г.

М.: ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского, 1987, 311 с. В книге изложены элементы технической теомодинамики, термодинамики газового потока, теплопередачи и термохимические основы реакций превращения взрывчатых веществ и порохов. Дано описание процессов, происходящих при выстреле из ствольных систем и работе ракетных двигателей твердого топлива. Сформулированы основные задачи внутренней баллистики и рассмотрены методы их решения. Рассмотрены также основы…

• формат djvu
• размер 4.25 МБ
• добавлен
  02 августа 2009 г.

1949 г. 201 стр. Ракетные топлива и их физико-химические свойства. Сборник переводных статей.

• формат djvu
• размер 3.47 МБ
• добавлен
  06 марта 2010 г.

Учебник для машиностроительных вузов М. :Машиностроение, 1987г. 328 с.: ил. Рассмотрена конструкция и даны основы проектирования ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) различного назначения. Приведены методы расчета на прочность отдельных элементов РДТТ. Изложение материала соответствует этапам разработки РДТТ: формирование задания, расчет параметров, выбор конструктивной схемы, материалов, расчет на прочность и т. д.

• формат pdf
• размер 13.05 МБ
• добавлен
  09 марта 2010 г.

Книга по ракетной технике на английском языке написана профессором кафедры «Физика и астрономия» университета Лейцестера в Великобритании Мартином Тёрнером в 2005 году. Включает несколько разделов: История и основные принципы; Тепловые ракетные двигатели, Жидкостные ракетные двигатели, Твёрдотопливные ракетные двигатели, Динамика аппаратов запуска, Электрические ракетные двигатели, Ядерные ракетные двигатели, Усовершенствованные тепловые ракетные. ..

Двигатели для космических полетов Термохимические двигатели Плазменные двигатели

Двигатели для космических полетов Термохимические двигатели Плазменные двигатели Электрические двигатели Ядерные двигатели Солнечно-парусные двигатели

Двигатели для космических полётов разделяются на 5 типов: 1) Термохимические : — жидкостные ( ЖРД ) — твердотопливные ( РДТТ ) 2) Ядерные : — ядерные — импульсные ядерные — термоядерные 3) Электрические 4) Солнечно-парусные 5) Плазменные

Термохимические ракетные двигатели Твердотопливные Жидкостные

Твердотопливные двигатели (РДТТ) Твердото пливный раке тный дви гатель (РДТТ — ракетный двигатель твёрдого топлива; иногда неправильно пишется как «твёрдотопливный» ) использует в качестве топлива твёрдое горючее и окислитель. Удельный импульс составляет 2000 -3000 м/с. Тяга свыше 1300 т. с. Вытесняют другие типы ракет из области военного применения.

Достоинствами твердотопливных ракет являются: относительная простота, отсутствие проблемы возможных утечек токсичного топлива, низкая пожароопасность , возможность долговременного хранения, надёжность. Недостатками таких двигателей являются невысокий удельный импульс и относительные сложности с управлением тягой двигателя (дросселированием), его остановкой (отсечка тяги) и повторным запуском, по сравнению с ЖРД; как правило, больший уровень вибраций при работе, по сравнению с ЖРД, большое количество агрессивных веществ в выхлопе наиболее распространённых топлив с перхлоратом аммония.

Жидкостные двигатели ( ЖРД ) Жи дкостный ракетный дви гатель (ЖРД) — химический ракетный двигатель, использующий в качестве ракетного топлива жидкости, в том числе сжиженные газы. По количеству используемых компонентов различаются одно-, двух- и трёхкомпонентные ЖРД.

Принцип действия Отработанные газы из турбины (ТНА — Турбонасосный агрегат ) поступают через форсуночную головку в камеру сгорания вместе с компонентами топлива (11). Такой двигатель называется двигателем с замкнутым циклом (иначе — с закрытым циклом), при котором весь расход топлива, включая используемое в приводе ТНА, проходит через камеру сгорания ЖРД. Давление на выходе турбины в таком двигателе, очевидно, должно быть выше, чем в камере сгорания ЖРД, а на входе в газогенератор (6), питающий турбину, — ещё выше. Чтобы удовлетворить этим требованиям, для привода турбины используются те же компоненты топлива (под высоким давлением), на которых работает сам ЖРД (с иным соотношением компонентов, как правило, с избытком горючего, чтобы снизить тепловую нагрузку на турбину). Рис. 1. Схема двухкомпонентного ЖРД 1 — магистраль горючего 2 — магистраль окислителя 3 — насос горючего 4 — насос окислителя 5 — турбина 6 — газогенератор 7 — клапан газогенератора (горючее) 8 — клапан газогенератора (окислитель) 9 — главный клапан горючего 10 — главный клапан окислителя 11 — выхлоп турбины 12 — форсуночная головка 13 — камера сгорания 14 — сопло

Плюсы 1)Управляемость по тяге: регулируя р асход топлива, можно изменять велич ину тяги в большом диапазоне, и полностью прекращать работу двигате ля с последующим повторным запуско м. Это необходимо при маневрировании аппарата в космическ ом пространстве. 2) Самый высокий удельный импульс в классе химических ракетных двигателей (свыше 4500 м/с для пары кислород — водород, для керосин — кислород — 3500 м/с). 3) При создании больших ракет, например носителей, выводящих на околоземную орбиту многотонные грузы, использование ЖРД позволяет добиться весового преимущества по сравнению с твердотопливными двигателями (РДТТ). Минусы Самый высокий удельный импульс в классе химических ракетных двигателей (свыше 4 500 м/с для пары кислород-водород, для керосин-кислород — 3 500 м/с. ЖРД и ракета на его основе значительно более сложно устроены, и более доро гостоящи. Компоненты жидкого топлива в невесомости неуправляемо перемещаются в пространстве баков. Для их осаждения необходимо применять специальные меры, например включать вспомогательные двигатели, работающие на твёрдом топливе или на газе. В настоящее время для химических ракетных двигателей (в том числе и для ЖРД) достигнут предел энергетических возможностей топлива, и поэтому теоретически не предвидится возможность существенного увеличения их удельного импульса, а это ограничивает возможности ракетной техники, базирующейся на использовании химических двигателей,

Ядерные двигатели

Ядерный ракетный двигатель Я дерный раке тный дви гатель (ЯРД) — разновидность ракетного двигателя, которая использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги. Бывают жидкостными (нагрев жидкого рабочего тела в нагревательной камере от ядерного реактора и вывод газа через сопло) и импульсно-взрывными (ядерные взрывы малой мощности при равном промежутке времени).

Строение Традиционный ЯРД в целом представляет собой конструкцию из нагревательной камеры с ядерным реактором, как источником тепла, системы подачи рабочего тела, и сопла. Рабочее тело (как правило —водород) — подаётся из бака в активную зону реактора, где, проходя через нагретые реакцией ядерного распада каналы, разогревается до высоких температур и затем выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу.

Ядерные ракетные двигатели позволяют достичь значит ельно более высокого (по сравнению с химическими ракетными двигателями) значения удельного импульса благодаря большой скорости истечения рабочего тела (от 8 000 м/с до 50 км/с и более)

Атомные заряды мощностью примерно в килотонну на этапе взлёта должны были взрываться со скоростью один заряд в секунду. Ударная волна — расширяющееся плазменное облако — должна была приниматься «толкателем» — мощным металлическим диском с теплозащитным покрытием, и, потом, отразившись от него, создать реактивную тягу. Импульс, принятый плитой толкателя, через элементы конструкции передавался кораблю. Затем, когда высота и скорость вырастут, частоту взрывов можно было уменьшить. При взлёте корабль должен был лететь строго вертикально, чтобы минимизировать площадь радиоактивного загрязнения атмосферы. В США были проведены несколько испытаний модели летательного аппарата с импульсным приводом (для взрывов использовалась обычная химическая взрывчатка). Получены положительные результаты о принципиальной возможности управляемого полёта аппарата с импульсным двигателем. Реальных испытаний импульсного ЯРД с подрывом ядерных устройств не проводилось.

Термоядерный двигатель Термоядерный ракетный двигатель (ТЯРД) — перспективный ракетный двигатель для космических полётов, в котором для создания тяги предполагается использовать истечение продуктов управляемой термоядерной реакции или рабочего тела, нагретого за счёт энергии термоядерной реакции.

1. ТЯРД на основе термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы 2. ТЯРД на основе систем инерционного синтеза (импульсный термоядерный реактор)

В первом случае принцип действия и устройство ТЯРД выглядят следующим образом: основной частью двигателя является реактор, в котором происходит управляемая реакция термоядерного синтеза. В камере реактора создаются условия, достаточные для начала термоядерного слияния компонентов выбранной топливной пары (температуры порядка сотен миллионов градусов, факторы критерия Лоусона). Термоядерное топливо — предварительно нагретая плазма из смеси топливных компонентов — подаётся в камеру реактора, где и происходит постоянная реакция синтеза

Двигатель второго типа — инерциальный импульсный термоядерный двигатель. В таком реакторе управляемая термоядерная реакция проходит в импульсном режиме (доли мкс с частотой 1 -10 Гц), при периодическом обжатии и разогреве микромишеней, содержащих термоядерное топливо.

Электрические двигатели

Электрический раке тный дви гатель (ЭРД) — ракетный двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц.

Технические характеристики ЭРД характеризуются малым массовым расходом РТ и высокой скоростью истечения ускоренного потока частиц. В связи с тем, что процесс ускорения в ЭРД проходит при низком давлении в ускорительном канале, плотность тяги довольно мала, что ограничивает применение ЭРД. Электрическая мощность ЭРД колеблется от сотен ватт до мегаватт. Применяемые в настоящее время на КА ЭРД имеют мощность от 800 до 2 000 Вт. ЭРД характеризуются не очень высоким КПД — от 30 до 60 %.

Плазменные двигатели

Плазменный двигатель Плазменный дви гатель (также плаз менный инжектор) — электрический ракетный двигатель, рабочее тело которого приобретает ускорение, находясь в состоянии плазмы.

В настоящее время наиболее широкое распространение — в качестве двигателей для поддержания точек стояния геостационарных спутников связи — получили стационарные плазменные двигатели, идея которых была предложена А. И. Морозовы в 1960 -х гг. Первые лётные испытания состоялись в 1972 г. Плазменные двигатели не предназначены для вывода грузов на орбиту, и могут работать только в вакууме.

Стационарный плазменный двигатель (СПД) — плазменный двигатель, разработанный в опытном конструкторском бюро «Факел» при научном сопровождении ИАЭ им. И. В. Курчатова , МАИ и НИИ ПМЭ. По сути является магнетроном, широко применяемым в промышленности.

История Идея создания СПД была предложена А. И. Морозовым в начале 60 х годов XX века. В 1968 году академиком А. П. Александровым и главным конструктором А. Г. Иосифьяном было принято историческое решение о создании корректирующей двигательной установки (КДУ) с СПД. Разработка первой КДУ и её интеграция в КА «Метеор» была выполнена в тесном содружестве групп ученых и специалистов Института атомной энергии им. И. В. Курчатова (Г. Тилинин), ОКБ «Факел» (К. Козубский), ОКБ «Заря» (Л. Новосёлов) и ВНИИЭМ (Ю. Рылов). В декабре 1971 г. двигательная установка с СПД — КДУ «Эол» успешно стартовала в космос в составе КА «Метеор» . С 1995 года СПД используется в системах коррекции серии связных геостационарных КА типа «Галс» , «Экспресс. А» , Экспресс-АМ, Sesat разработки НПО прикладной механики, а с 2003 года — в составе зарубежных геостационарных спутников.

Спецификой этого двигателя, как и других электроракетных двигателей, является значительно большая скорость истечения рабочего тела по сравнению с использовавшимися ранее химическими двигателями, позволяющая значительно уменьшить запасы рабочего тела, необходимые для решения названных выше задач. Его применение в составе геостационарных КА позволяет увеличить долю массы целевой аппаратуры и срок их активного существования до 12 -15 лет. За счет этого значительно повышается эффективность КА.

Солнечный парус

Солнечный парус — приспособление, использующее давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата Следует различать понятия «солнечный свет» (поток фотонов , именно он используется солнечным парусом) и «солнечный ветер» (поток элементарных частиц и ионов, который используется для полётов на электрическом парусе — другой разновидности космического паруса). . Идея полетов в космосе с использованием солнечного паруса возникла в 1920 -е годы в России и принадлежит одному из пионеров ракетостроения Фридриху Цандеру, исходившему из того, что частицы солнечного света — фотоны — имеют импульс и передают его любой освещаемой поверхности, создавая давление. Величину давления солнечного света впервые измерил русский физик Пётр Лебедев в 1900 году.

Давление солнечного света чрезвычайно мало (на Земной орбите — около 9· 10− 6 Н/м 2[1]) и уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца. Однако солнечный парус совсем не требует ракетного топлива, и может действовать в течение почти неограниченного периода времени, поэтому в некоторых случаях его использование может быть привлекательно. Однако на сегодня ни один из космических аппаратов не использовал солнечный парус в качестве основного двигателя.

Солнечный парус — самый перспективный и реалистичный на сегодняшний день вариант звездолёта. Преимуществом солнечного парусника является отсутствие топлива на борту, что позволяет увеличить полезную нагрузку по сравнению с космическим кораблём на реактивном движении. Однако концепция солнечного паруса требует легкого по массе и одновременно большого по площади паруса.

Недостатком солнечного парусника является зависимость ускорения от расстояния до Солнца: чем дальше от Солнца, тем меньше давление солнечного света и тем самым меньше ускорение паруса, а за пределами Солнечной системы давление солнечного света и соответственно эффективность солнечного паруса приблизится к нулю. Световое давление от Солнца довольно мало, поэтому для увеличения ускорения существуют проекты разгона солнечного парусника лазерными установками с генерирующих станций вне Земли. Однако данные проекты сталкиваются с проблемой точного наведения лазеров на сверхдальних расстояниях и создания лазерных генераторов соответствующей мощности.

Теоретический ракетный двигатель на основе ускорения частиц плазменными ударными волнами

$\begingroup$

Авторы статьи — https://www. quantamagazine.org/cosmic-map-of-ultrahigh-energy-particles-points-to-long-hidden-treasures-20210427

1. Можно ли использовать этот механизм для разгонять частицы газа до сверхвысоких скоростей и создать двигатель, способный выбрасывать массу со скоростью, близкой к световой? (Мощность двигателя зависит от скорости выбрасываемой массы).

2. Как рассчитать силу сопротивления для двигателя, который, допустим, выбрасывает газ со скоростью 99% скорости света? И сколько массы нужно в таком случае выбросить, чтобы можно было запустить ракету на орбиту?

• плазмофизика
• ракетостроение
• двигательная установка
• ударная волна

$\endgroup$

3

$\begingroup$

Обратите внимание,

9{51}$ эрг-энергетическая шкала), быстрая ($\beta_s\sim0. 01$) и старая (>10 тыс. лет). В этих местах шкала времени ускорения составляет примерно месяц, в то время как шкала времени выхода составляет от сотен до тысяч лет (отсюда источники SNR являются старыми ).

Таким образом, поскольку мы не знаем способа создать и удержать движущуюся ударную волну, и мы не можем ждать времени, необходимого для ускорения частицы до выхода из ускорителя, это совершенно непрактично.

---

^{1. Как только частица набирает достаточно энергии, так что ее гирорадиус превышает ларморовский радиус ускорителя, она не может быть повторно ускорена и улетает; ср. этот комментарий.}

$\endgroup$

$\begingroup$

Просто чтобы добавить к ответу Кайла, теперь считается, что диффузионное ударное ускорение (DSA) является результатом самогенерируемых электромагнитных волн/флуктуаций/структур [например, см. Turner et al. , 2018; Уилсон и др. , 2016]. Результатом этого является то, что длины волн/размеры результирующих электромагнитных волн/флуктуаций/структур имеют тенденцию к увеличению по мере увеличения энергии ускоренных частиц (например, см. обсуждение на https://physics.stackexchange.com/a/618127). /59023). Начальные масштабы уже достаточно велики в типичной космической плазме, гораздо меньше в лабораторной плазме, где все масштабы намного меньше. Даже в этом случае размеры масштаба быстро превысят размеры физического контейнера, в котором вы пытаетесь генерировать такие высокоэнергетические частицы.

В настоящее время лучшим методом искусственного создания бесстолкновительной ударной волны является лазерная абляция [например, см. Heuer et al. , 2020]. Это, как правило, требует тонны мощности / энергии для генерации лазерных импульсов, необходимых для абляции достаточного количества материала для создания шока. В лабораторных условиях удары не имеют чрезвычайно высокого числа Маха, как у остатка сверхновой (SNR). Как правило, как указывает Кайл, высокие числа Маха имеют тенденцию генерировать частицы с более высокой энергией.

Как рассчитать силу сопротивления для двигателя, который, допустим, выбрасывает газ со скоростью 99% скорости света? И сколько массы нужно в таком случае выбросить, чтобы можно было запустить ракету на орбиту?

Основываясь на том, сколько энергии необходимо для создания ударной волны без столкновений, это не пусковой механизм, так как ввод только для инициирования удара больше, чем любой сфокусированный выход. Кроме того, огромные батареи конденсаторов, необходимые для запуска импульсного лазера, были бы неприлично тяжелыми, что также не давало бы старта (т. е. больше массы = больше денег и меньше вариантов траекторий запуска).

Наконец, любой удар лазерной абляции «ударит по стенкам» камеры до того, как у частиц будет достаточно времени, чтобы получить достаточную энергию, чтобы сделать что-нибудь полезное, например, ускорить космический корабль. Есть гораздо более эффективные варианты, такие как ионные двигатели, которые уже доступны и использовались в таких миссиях, как «Рассвет».

$\endgroup$

2

Твой ответ


Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

Звездный выстрел: построенный в Великобритании плазменный ракетный двигатель позволит человечеству колонизировать космос, считают эксперты | Наука | Новости

Звездный выстрел: британский плазменный ракетный двигатель позволит человечеству колонизировать космос, считают эксперты | Наука | Новости | Express.co.uk

Войти Зарегистрироваться

9°C

НОВЫЙ плазменный ракетный двигатель, разрабатываемый двумя британскими предпринимателями, даст человечеству реальный шанс колонизировать другие планеты, как предсказывала пара, — с одним высказыванием: «Что действительно волнует Я знаю, насколько это возможно».

Ссылка скопирована

Испытание плазменного космического двигателя Pulsar Fusion для исследовательского проекта

Неверный адрес электронной почты

Мы используем вашу регистрацию, чтобы предоставлять контент способами, на которые вы дали согласие, и чтобы лучше понимать вас. Это может включать в себя рекламу от нас и третьих лиц, исходя из нашего понимания. Вы можете отписаться в любое время. Подробнее

Бывший актер «Сделано в Челси» Ричард Динан и его деловой партнер доктор Джеймс Ламберт недавно успешно испытали свой двигатель, который потенциально может разогнать космический корабль до ошеломляющей скорости 100 000 миль в час, в своей лаборатории в Блечли, недалеко от Милтон-Кинс в Бедфордшире. И пара, которая вместе запустила Pulsar Fusion в 2015 году, полагает, что сможет представить работающую полноразмерную версию своего двигателя в течение двух лет. 37-летний Динан, который ненадолго участвовал в выставке в 2012 году, сказал, что компания ищет серьезного инвестора с давним интересом к физике и космосу.

Что меня действительно волнует, так это то, что я знаю, насколько это возможно.

Он сказал: «Для инвесторов, которым нужны быстрые деньги, это не игра для инвесторов.

«Как я уже говорил, это для людей, у которых немного больше терпения и, скорее всего, немного больше денег.

«Что меня действительно волнует, так это то, что я знаю, насколько это возможно. Мы делаем то, что доказали величайшие физики мира.

Pulsar Fusion считает, что его ракета на плазменном топливе может вдвое сократить время полета к Марсу (Изображение: Pulsar Fusion) знает, что это будет нелегко.

Он объяснил: «Наверное, если бы это не было сложно, было бы не так весело.

«Для достижения условий, которые вы хотели бы для температуры плавления, нам нужна более крупная, более мощная технология, два проводника, необходимые конденсаторы, больший сосуд, больше аналитики.

«Это просто дорогое оборудование. Это вовсе не миллиарды.

ПОДРОБНЕЕ: Коронавирус — Испания объявляет чрезвычайное положение после 1063 новых случаев провести первое испытание ракетного двигателя, которое мы планируем провести через два года».

Хотя у мистера Динана большие идеи, когда дело доходит до сделки, он полагается на доктора Ламберта, получившего докторскую степень за диссертацию «Взаимосвязь между физикой и информатикой».

33-летний доктор Ламберт сказал Express.co.uk: «В отличие от многих компаний, в названии которых есть сплав, мы не занимаемся исследованиями в области энергоснабжения.

«Мы производим ракетные двигатели, и нас особенно интересует такая отрасль ракетных двигателей, как электродвигатели.

НЕ ПРОПУСТИТЕ
Антарктида: ученые совершили прорыв в изучении вымирания динозавров [ВИДЕО]
Открытие НАСА астероида: космический камень «угрожает» Земле – исследователь [АНАЛИЗ]
Астероидное цунами: почему ученые предупредили побережье США [КОММЕНТАРИЙ]

Ричард Динан и доктор Джеймс Ламберт в своей лаборатории в Блетчли (Изображение: Daily Express/Milton Keynes) пять лет назад (Изображение: Daily Express/Ciaran McGrath)

«И это то, что существует и используется уже много десятилетий. электрические двигатели наиболее популярны, когда вам нужны очень эффективные, но довольно слабые подруливающие устройства.

«Итак, они часто используются для перемещения спутников. Они не используются для запуска вещей в космос».

Он объяснил: «Мы считаем, что прямо сейчас существует очень интересный план развития электрических двигателей.

«И мы хотим перейти от этого маломощного, тонкого маневренного устройства к увеличенной ракете с термоядерным двигателем, подходящей для межпланетных путешествий.

«В конце концов, это цель».

Предприниматель и бывшая звезда «Сделано в Челси» — Ричард Динан (Изображение: Pulsar Fusion)

Космический сектор Великобритании в цифрах (Изображение: Daily Express)

Если они добьются успеха, такой двигатель сможет вдвое сократить время полета на Марс, что значительно сократит время, необходимое для достижения планет Солнечной системы. и не только.

В первоначальных испытаниях огромное количество энергии затрачивается на аргон в качестве топлива для создания высокотемпературной плазмы, аналогичной той, что имеется в ядерном термоядерном реакторе, прежде чем электромагнитное поле будет использовано для выброса плазмы на очень высокой скорости. высокие скорости.

Доктор Ламберт добавил: «Когда мы будем готовы полностью протестировать эту концепцию, где-то в будущем, мы будем использовать водород.

Прототип использует аргон в качестве топлива (Изображение: Daily Express/Ciaran McGrath)

Тенденции

«Но когда мы тестируем его изо дня в день, в лаборатории, мы работали на инертном газе. Итак, аргон — идеальный вариант, потому что он дешевый».

Тем временем г-н Динан считает, что Pulsar может провести свои первые плазменные испытания в течение двух лет.

Он сказал: «Это не значит, что мы что-нибудь запустим тогда, но я думаю, что это будет момент, когда все сядут и заметят».

Самые читаемые в научных журналах

Джеймс Бонд: опрос в Великобритании назвал любимую звезду агента 007 к 60-летнему юбилею

Роберт Пестон предупреждает, что Лиз Трасс «выдерживает» «рискованный» шаг после финансовых переговоров

Одержимость преемственностью — это мальчики , говорит ДЖУДИ ФИННИГАН

Телохранитель Флойда Мейвезера планирует отомстить после того, как его жестоко нокаутировали

Арнольд Шварценеггер вызывает споры комментарием «Я вернусь» в книге об Освенциме

Зависимость ЕС от Путина усиливается, поскольку Китай перепродает российский газ в Европу: «Новый рычаг»

счета вырастут завтра

Энергетический кризис: тысячи родителей вынуждены «есть холодную пищу», так как счета завтра вырастут

Спасательный круг в связи с энергетическим кризисом, поскольку новые ядерные реакторы в Великобритании сократят счета для 40 000 британцев

Путин разоблачен, поскольку российские военные корабли замечены рядом с утечкой в ​​саботированных газопроводах

Энергетический кризис: EDF готова к «критическому, немедленному ускорению», поскольку расширяет два британских реактора

Мы можем быть следующими! Путин может нацелиться на норвежские трубопроводы, которые поставляют 60% газа в Великобританию

Илон Маск дразнит открытием эффектного робота-гуманоида, который мог бы заменить людей-работников

Энергетические компании изо всех сил пытаются защитить важные активы Великобритании после «террористической атаки» на газопроводы

См.

ЕС позже ! Brexit Великобритания уклоняется от пули, поскольку блок сокращает 580 миллионов фунтов стерлингов из фонда, заблокированного Великобританией, с

Марс: новые доказательства существования жидкой воды под южным полюсом Красной планеты

Германия запускает «защитный щит» против Путина для борьбы с рекордно высокими ценами на газ

Изменение климата: Национальный фонд предупреждает, что осенние листья могут начать исчезать

Молния в Великобритании нанесено на карту: когда экстремальные погодные условия, скорее всего, поразят ваш регион

Энергетический кошмар Макрона: забастовка EDF исключает использование ядерной энергии, поскольку Франция обращается за помощью к Великобритании

Энергетический кризис: Truss представляет огромный энергетический спасательный круг стоимостью 1,5 млрд фунтов стерлингов, чтобы сократить счета на 700 фунтов стерлингов

Пятница, 30 сентября 2022 г.

Смотрите сегодняшнюю первую и последнюю страницы, загружайте газету, заказывайте старые номера и пользуйтесь историческим архивом газеты Daily Express.

IPSO Регулируется Copyright © 2022 Express Newspapers. «Дейли Экспресс» является зарегистрированной торговой маркой. Все права защищены.

Плазменная ракета

VASIMR VX-200SS завершила рекордное 88-часовое испытание на выносливость большой мощности — двигатель Parabolic Arc

VX200. (Фото: Ad Astra Rocket Company)

ВЕБСТЕР, Техас (PR компании Ad Astra Rocket) — Плазменная ракета VASIMR® VX-200SS компании Ad Astra Rocket отработала 88 часов непрерывной работы при мощности 80 кВт в лаборатории компании в Техасе недалеко от Хьюстона. При этом компания устанавливает новый мировой рекорд выносливости мощных электродвигателей. Испытание также демонстрирует зрелость технологии двигателя VASIMR® как конкурентоспособного варианта мощного космического электрического двигателя с солнечной или ядерной энергией. Электрические ракеты мощностью более 50 кВт на двигатель считаются «мощными».

Тест начался в 12:50 (CST) в прошлый понедельник, 12 июля, и закончился в пятницу, 16 июля, в 4:55 (CST). Стрельба прекратилась всего за 12 часов до запланированной продолжительности в 100 часов из-за ложного датчика температуры, расположенного в вспомогательном испытательном оборудовании, а не на конструкции ракеты. Однако ракета работала нормально, и все указывало на то, что, если бы не этот неисправный датчик, она достигла бы цели в 100 часов и превысила ее. Ad Astra считает, что 88-часовое испытание дает объективное и достаточное доказательство того, что двигатель VASIMR® соответствует требованиям, предъявляемым НАСА к выносливости большой мощности.

«Тест — это большой успех, кульминация многолетних испытаний методом проб и ошибок и кропотливого внимания к деталям, а также солидная награда за упорство и самоотверженность команды», — сказал Франклин Р. Чанг Диас, председатель и главный исполнительный директор Ad Astra. и награжденный бывший астронавт НАСА. «Поскольку новый набор модификаций двигателя уже находится на стадии производства, теперь мы перейдем к демонстрации устойчивого теплового режима на мощности 100 кВт во второй половине 2021 года», — добавил он.

Двигатель VASIMR® уникален тем, что сохраняет высокую мощность химической ракеты, но с десятикратной топливной экономичностью. Как таковой, он является отличным кандидатом для множества приложений, начиная от солнечно-электрических коммерческих грузов с высокой полезной нагрузкой и миссий по пополнению запасов в окололунном пространстве, до быстрых пилотируемых миссий на Марс и далее с ядерно-электрической тягой (NEP). .

Растущее значение миссий НЭП, для которых идеально подходит VASIMR®, отражено в формулировке законопроекта 2022 года, представленного Комитетом по ассигнованиям на торговлю, правосудие, науку и смежные агентства Палаты представителей США, в котором говорится, что « …не менее 10 000 000 долларов США должны быть использованы для начала систематического подхода к атомным электрическим двигателям…», и «в течение 180 дней после вступления в силу настоящего Закона НАСА в координации с другими соответствующими федеральными департаментами и агентствами, такими как Министерство энергетики, должно представить многолетний план демонстрации двигательной установки в космосе для НЭПа».

«Очень вдохновляюще видеть, как много Франклин Чанг Диас и команда Ad Astra смогли добиться и продвинуться за те годы, которые я знаю. Эта технология обладает большим потенциалом для революции в космической отрасли», — сказал конгрессмен США Брайан Бабин, высокопоставленный член подкомитета Палаты представителей по космосу и аэронавтике. «Небольшая, но преданная своему делу команда Ad Astra является настоящим свидетельством настойчивости, и продолжение инвестиций в передовые технологии, такие как VASIMR®, имеет решающее значение, если мы хотим оставаться страной, лидирующей в освоении космоса», — добавил он.

Основная цель компании состоит в том, чтобы двигатель VASIMR® продемонстрировал работу в стабильном температурном режиме при все более высоких уровнях мощности. Это условие требует, чтобы температура всех критических компонентов двигателя стабильно поддерживалась системой управления температурным режимом двигателя.

«Возможность непрерывной работы на мощности 80 кВт очень интересна, потому что мы так близки к нашей проектной цели в 100 кВт и нам нужно сосредоточиться на модернизации всего нескольких компонентов, – сказал д-р Мэтью Джамбуссо, старший научный сотрудник Ad Astra, руководитель опытных работ. «Быстрая череда успешных тестов за последние несколько недель была захватывающей», — добавил он.

Значительные успехи в разработке этой системы были достигнуты в ходе экспериментальных кампаний продолжительностью от нескольких дней до недель, за каждой из которых следовал период проверки, разборки и усовершенствования. Это быстрое прототипирование является основой подхода Ad Astra к быстрому совершенствованию технологии VASIMR® и предоставлению конкурентоспособного мощного электрического двигателя как для государственных, так и для частных клиентов.

Управление температурным режимом двигателя VASIMR® является уникально сложной задачей, поскольку необходимо тщательно контролировать температуру от миллионов градусов в плазменном ядре ракеты до почти абсолютного нуля в сверхпроводящем магните, расположенном на расстоянии нескольких десятков сантиметров. Это, конечно, в вакуумной среде, где должен работать двигатель. Эти строгие требования потребовали от Ad Astra разработки инновационных технологий производства и сборки, чтобы соответствовать необычным тепловым и электромагнитным ограничениям в доступном корпусе двигателя. «Чтобы заставить большое разнообразие материалов работать в гармонии с окружающей средой, в которой мы подвергаем двигатель, возникли серьезные производственные проблемы, которые нам пришлось преодолеть», — сказал г-н Лоуренс «Диджей» Дин, глава производства Ad Astra.

О технологии: Сокращенно от магнитоплазменной ракеты с переменным удельным импульсом, VASIMR® работает с плазмой, электрически заряженным газом, нагретым до экстремальных температур радиочастотными (РЧ) волнами, и управляется и направляется сильными магнитными полями, которые также обеспечить изоляцию. Плазменные ракеты, такие как VASIMR®, имеют чрезвычайно низкий расход топлива и гораздо более высокую мощность и/или производительность по сравнению с другими электрическими или химическими ракетами. VASIMR® предлагает экономические и эксплуатационные преимущества при развертывании спутников, повторной форсировке, ремонте и утилизации по окончании срока службы. С надлежащим ядерно-электрическим источником энергии VASIMR® может обеспечить гораздо более быструю и безопасную транспортировку людей и роботов в дальнем космосе, где солнечной энергии недостаточно.

Информация об Ad Astra: Компания Ad Astra Rocket Company, основанная в штате Делавэр в 2005 году, является разработчиком двигателя VASIMR®, усовершенствованной плазменной космической двигательной установки, предназначенной для развивающегося рынка космического транспорта. Основная лаборатория и штаб-квартира Ad Astra расположены по адресу 141 W. Bay Area Blvd в Вебстере, штат Техас, США, недалеко от Космического центра НАСА имени Джонсона.

Эффективное будущее путешествий в дальний космос — электрические ракеты

В одиночестве среди космической черноты космический зонд НАСА Dawn мчится за пределы орбиты Марса к поясу астероидов. Запущенный для поиска информации о рождении Солнечной системы, автоматический космический корабль находится на пути к изучению астероидов Веста и Церера, двух крупнейших остатков планетарных зародышей, которые столкнулись и объединились около 4,57 миллиарда лет назад, чтобы сформировать сегодняшние планеты. .

Но не только цели миссии делают этот полет примечательным. Dawn, стартовавший в сентябре 2007 года, оснащен своего рода космической силовой установкой, которая начинает занимать центральное место в дальних полетах — плазменным ракетным двигателем. Такие двигатели, которые в настоящее время разрабатываются в нескольких усовершенствованных формах, генерируют тягу за счет электрического производства и управления ионизированным газовым топливом, а не за счет сжигания жидкого или твердого химического топлива, как это делают обычные ракеты.

Разработчики миссии «Рассвет» из Лаборатории реактивного движения НАСА выбрали плазменный двигатель в качестве ракетной системы зонда, потому что он очень эффективен и требует лишь одной десятой топлива, необходимого химическому ракетному двигателю для достижения пояса астероидов. Если бы планировщики проекта решили установить традиционный двигатель, транспортное средство смогло бы добраться либо до Весты, либо до Цереры, но не до обоих одновременно.

Действительно, электрические ракеты, как еще называют двигатели, быстро становятся лучшим вариантом для отправки зондов к дальним целям. Недавние успехи, ставшие возможными с помощью электрического двигателя, включают посещение кометы аппаратом НАСА Deep Space 1, бонусное путешествие, которое стало возможным благодаря топливу, оставшемуся после того, как космический корабль выполнил свою основную задачу. Плазменные двигатели также обеспечили движение при попытке посадки на астероид японского зонда «Хаябуса», а также при полете на Луну космического корабля SMART-1 Европейского космического агентства. В свете продемонстрированных преимуществ технологии планировщики миссий в дальний космос в США, Европе и Японии предпочитают использовать плазменные двигатели для будущих миссий, которые будут исследовать внешние планеты, искать внесолнечные планеты, подобные Земле, и использовать пустоту космоса. как лаборатория для изучения фундаментальной физики.

Хотя плазменные двигатели только сейчас внедряются в космические корабли большой дальности, технология для этой цели уже некоторое время разрабатывается и уже используется для других задач в космосе.

Еще в первом десятилетии 20-го века пионеры ракетостроения размышляли об использовании электричества для питания космических кораблей. Но покойный Эрнст Штульингер, член легендарной группы немецких ученых-ракетчиков Вернера фон Брауна, которая возглавляла космическую программу США, наконец, в середине 19-го века превратил эту концепцию в практическую технологию.50-е годы. Несколько лет спустя инженеры Исследовательского центра Гленна НАСА (тогда известного как Льюис) построили первую действующую электрическую ракету. Этот двигатель совершил суборбитальный полет в 1964 году на борту Space Electric Rocket Test 1, проработав полчаса, прежде чем корабль упал обратно на Землю.

Тем временем исследователи в бывшем Советском Союзе независимо друг от друга работали над концепциями электрических ракет. С 1970-х годов планировщики миссий выбрали эту технологию, потому что она может экономить топливо при выполнении таких задач, как поддержание ориентации и орбитальной позиции телекоммуникационных спутников на геосинхронной орбите.

Преимущества плазменных двигателей становятся особенно поразительными в свете недостатков обычных ракет. Когда люди представляют себе корабль, несущийся через темную пустоту к далекой планете, они обычно представляют себе, как из его сопел тянется длинный огненный шлейф. Однако на самом деле все совсем иначе: экспедиции во внешние области Солнечной системы в основном проводились без ракет, потому что большая часть топлива обычно расходуется в первые несколько минут работы, и оставшуюся часть пути до цели космический корабль вынужден преодолевать по инерции. Правда, химические ракеты запускают все космические аппараты с поверхности Земли и могут вносить коррективы на полпути. Но они непрактичны для обеспечения исследований дальнего космоса, поскольку для их практического и доступного вывода на орбиту потребуются огромные количества топлива. Размещение фунта (0,45 кг) чего-либо на околоземной орбите стоит до 10 000 долларов.

Чтобы достичь необходимых траекторий и высоких скоростей для длительных и высокоточных полетов без дополнительного топлива, многим зондам дальнего космоса в прошлом приходилось тратить время, часто годы, уклоняясь от своего пути к планетам или лунам, которые давали гравитационные удары, способные чтобы разогнать их в нужном направлении (движения рогатки называются гравитационными маневрами). Такие окольные траектории полета ограничивают миссии относительно небольшим окном запуска; только взлет в течение определенного короткого промежутка времени обеспечит точное прохождение мимо космического тела, служащего усилителем гравитации.

Хуже того, после многих лет пути к месту назначения у транспортного средства с химическим ракетным двигателем обычно не остается топлива для торможения. Такому зонду потребуется возможность запустить свою ракету, чтобы он мог достаточно замедлиться, чтобы выйти на орбиту вокруг своей цели и, таким образом, проводить расширенные научные наблюдения. Неспособный затормозить, он ограничился бы лишь мимолетной встречей с объектом, который намеревался изучить. Действительно, после более чем девятилетнего путешествия «Новые горизонты», зонд НАСА для дальнего космоса, запущенный в 2006 году, получит лишь краткую встречу продолжительностью не более одного земного дня со своим конечным объектом изучения, недавно пониженным в должности «карликом». планета «Плутон.

Для тех, кто недоумевает, почему инженеры не смогли придумать способ отправки достаточного количества химического топлива в космос, чтобы избежать таких трудностей во время длительных миссий, позвольте мне пояснить, с какими огромными препятствиями они сталкиваются. Объяснение основано на так называемом ракетном уравнении, формуле, используемой планировщиками миссий для расчета массы топлива, необходимого для данной миссии. Русский ученый Константин Э. Циолковский, один из отцов ракетостроения и космонавтики, впервые ввел эту основную формулу в 1903.

Проще говоря, ракетное уравнение формулирует интуитивный факт: чем быстрее вы выбрасываете топливо из космического корабля, тем меньше вам нужно выполнять маневр ракеты. Подумайте о бейсбольном питчере (ракетном двигателе) с ведром с бейсбольными мячами (топливо), стоящем на скейтборде (космическом корабле). Чем быстрее питчер отбрасывает мячи назад (то есть чем выше скорость выхлопа), тем быстрее транспортное средство будет двигаться в противоположном направлении, когда будет брошен последний мяч, или, что то же самое, тем меньше бейсбольных мячей (меньше топлива) будет у питчера. нужно бросать, чтобы увеличить скорость скейтборда на желаемую величину в любой момент времени. Ученые называют это постепенное увеличение скорости скейтборда «дельта-V».

Говоря более конкретно, уравнение связывает массу топлива, необходимого ракете для выполнения конкретной миссии в открытом космосе, с двумя ключевыми скоростями: скоростью, с которой выхлопные газы ракеты будут выбрасываться из корабля, и дельта- v насколько увеличится скорость автомобиля в результате выброса выхлопных газов. Delta-v соответствует энергии, которую корабль должен затратить, чтобы изменить свое инерционное движение и выполнить желаемый космический маневр. Для данной ракетной технологии (то есть той, которая обеспечивает заданную скорость выхлопа ракеты) уравнение ракеты переводит дельта-v для желаемой миссии в массу топлива, необходимого для ее выполнения. Таким образом, показатель дельта-v можно рассматривать как своего рода «ценник» миссии, поскольку в стоимости ее проведения обычно преобладает стоимость запуска необходимого топлива.

Обычные химические ракеты достигают только низкой скорости выхлопа (три-четыре километра в секунду, или км/с). Одна только эта особенность делает их проблематичными в использовании. Кроме того, экспоненциальный характер уравнения ракеты диктует, что доля начальной массы транспортного средства, состоящая из топлива, «массовая доля топлива» экспоненциально растет с дельта-v. Следовательно, топливо, необходимое для высокого дельта-V, необходимого для миссии в дальний космос, могло занять почти всю стартовую массу космического корабля, оставляя мало места для чего-либо еще.

Рассмотрим пару примеров: Для полета на Марс с низкой околоземной орбиты требуется дельта-v около 4,5 км/с. Уравнение ракеты гласит, что обычной химической ракете потребуется, чтобы более двух третей массы космического корабля составляло топливо для осуществления такого межпланетного перелета. Для более амбициозных полетов, таких как экспедиции к внешним планетам, где требования к дельта-v составляют от 35 до 70 км/с, химическим ракетам потребуется более 99,98% топлива. В такой конфигурации не останется места для другого оборудования или полезной нагрузки. По мере того, как зонды продвигаются все дальше в солнечную систему, химические ракеты становятся все более бесполезными, если только инженеры не найдут способ значительно увеличить скорость их выхлопа.

До сих пор эта цель оказалась очень труднодостижимой, потому что создание сверхвысоких скоростей выхлопа требует чрезвычайно высоких температур сгорания топлива. Возможность достижения необходимых температур ограничивается как количеством энергии, которое может быть высвобождено в результате известных химических реакций, так и температурой плавления стенок ракеты.

Плазменные двигательные установки, напротив, обеспечивают гораздо большую скорость выхлопа. Вместо сжигания химического топлива для создания тяги плазменный двигатель разгоняет плазменные облака электрически заряженных атомов или молекул до очень высоких скоростей. Плазма создается путем добавления энергии к газу, например, путем его облучения лазерами, микроволнами или радиочастотными волнами или путем воздействия на него сильных электрических полей. Дополнительная энергия высвобождает электроны из атомов или молекул газа, оставляя последние с положительным зарядом, а первые могут свободно перемещаться в газе, что делает ионизированный газ гораздо лучшим электрическим проводником, чем металлическая медь. Поскольку плазма содержит заряженные частицы, на движение которых сильно влияют электрические и магнитные поля, приложение электрических или электромагнитных полей к плазме может ускорить ее составляющие и выбросить их из задней части транспортного средства в виде выхлопных газов, создающих тягу. Необходимые поля могут создаваться электродами и магнитами, с помощью индукции с помощью внешних антенн или проволочных катушек или путем пропускания электрического тока через плазму.

Электроэнергия для создания и ускорения плазмы обычно поступает от солнечных батарей, собирающих энергию солнца. Но космические аппараты, летящие мимо Марса, должны полагаться на ядерные источники энергии, потому что солнечная энергия становится слишком слабой на больших расстояниях от Солнца. Сегодняшние небольшие роботизированные зонды используют термоэлектрические устройства, нагреваемые за счет распада ядерного изотопа, но для более амбициозных миссий будущего потребуются ядерные реакторы деления (или даже синтеза). Любой ядерный реактор будет активирован только после выхода корабля на стабильную орбиту на безопасном расстоянии от Земли. Его топливо будет находиться в инертном состоянии во время старта.

Три вида плазменных двигателей достаточно совершенны, чтобы их можно было использовать в дальних миссиях. Ионный двигатель наиболее часто используется и питает Рассвет.

Ионный двигатель, одна из наиболее успешных концепций электрического двигателя, восходит к идеям пионера американской ракетной техники Роберта Х. Годдарда, сформулированным, когда он еще был аспирантом Вустерского политехнического института столетие назад. Ионные двигатели способны развивать скорость истечения от 20 до 50 км/с [см. рамку на следующей странице].

В своем наиболее распространенном воплощении ионный двигатель получает электроэнергию от фотогальванических панелей. Это приземистый цилиндр, немногим больше ковша, установленный за кормой. Внутри ведра газообразный ксенон из топливного бака поступает в ионизационную камеру, где электромагнитное поле отрывает электроны от атомов газообразного ксенона, создавая плазму. Затем положительные ионы плазмы извлекаются и ускоряются до высоких скоростей под действием электрического поля, которое прикладывается между двумя электродными сетками. Каждый положительный ион в поле чувствует сильное притяжение отрицательно заряженного электрода, установленного сзади, и поэтому ускоряется назад.

Положительные ионы в выхлопных газах покидают космический корабль с суммарным отрицательным зарядом, который, если оставить его накапливаться, притянет ионы обратно к космическому кораблю, тем самым нейтрализуя тягу. Чтобы избежать этой проблемы, внешний источник электронов (отрицательный катод или электронная пушка) вводит электроны в положительный поток, чтобы электрически нейтрализовать его, что оставляет космический корабль нейтральным.

Десятки ионных двигателей в настоящее время работают на коммерческих космических кораблях, в основном на спутниках связи на геостационарной орбите для «удержания станции» на орбите и управления ориентацией. Они были выбраны потому, что они экономят миллионы долларов на космическом корабле за счет значительного уменьшения массы топлива, необходимого для химической тяги.

В конце 20-го века Deep Space 1 стал первым в мире космическим кораблем, использующим электрическую двигательную установку, чтобы избежать гравитации Земли с орбиты. Затем зонд разогнался примерно до 4,3 км/с, израсходовав при этом менее 74 кг ксенонового топлива (около массы неиспользованной пивной бочки), чтобы пролететь сквозь пыльный хвост кометы Боррелли. Это самый высокий прирост скорости, полученный за счет движения (в отличие от гравитации) среди всех космических кораблей на сегодняшний день. Рассвет должен вскоре побить этот рекорд, прибавив к своей скорости 10 км/с. Недавно инженеры Лаборатории реактивного движения продемонстрировали ионные двигатели, способные безупречно работать более трех лет непрерывной работы.

Характеристики плазменной ракеты определяются не только скоростью частиц выхлопных газов, но и плотностью тяги, которая представляет собой величину тяги, создаваемую двигателем на единицу площади его выхлопного отверстия. Ионные двигатели и аналогичные электростатические двигатели страдают от основного недостатка, называемого ограничением пространственного заряда, который сильно снижает их плотность тяги: когда положительные ионы проходят между электростатическими сетками в ионном двигателе, в этой области неизбежно накапливается положительный заряд. Это накопление ограничивает достижимое электрическое поле для ускорения.

Из-за этого явления ионный двигатель Deep Space 1 создает силу тяги, которая примерно эквивалентна весу одного листа бумаги, вряд ли грохочущий ракетный двигатель из научно-фантастических фильмов и больше похож на автомобиль, которому требуется два дня, чтобы разгоняться с нуля до 60 миль в час. Однако до тех пор, пока кто-то готов ждать достаточно долго (как правило, много месяцев), эти двигатели могут в конечном итоге достичь высоких значений дельта-против, необходимых для дальних путешествий. Этот подвиг возможен, потому что в космическом вакууме, который не оказывает никакого сопротивления, даже крошечный толчок, если его постоянно применять, приведет к высокой скорости движения.

Плазменная двигательная установка, называемая двигателем Холла [см. рамку справа], позволяет избежать ограничения пространственного заряда и, следовательно, может быстрее разогнать судно до высоких скоростей (благодаря большей плотности тяги), чем ионный двигатель сопоставимого размера. Эта технология получила признание на Западе с начала 1990-х годов, после трех десятилетий стабильного развития в бывшем Советском Союзе. Двигатель Холла скоро будет готов к дальним миссиям.

Система основана на фундаментальном эффекте, открытом в 1879 году.Эдвин Х. Холл, в то время аспирант физики Университета Джона Хопкинса. Холл показал, что когда электрическое и магнитное поля расположены перпендикулярно друг другу внутри проводника, электрический ток (называемый током Холла) течет в направлении, перпендикулярном обоим полям.

В двигателе Холла плазма образуется, когда электрический разряд между внутренним положительным анодом и отрицательным катодом, расположенным снаружи устройства, прорывает нейтральный газ внутри устройства. Полученная плазменная жидкость затем ускоряется из цилиндрического двигателя силой Лоренца, которая является результатом взаимодействия приложенного радиального магнитного поля и электрического тока (в данном случае тока Холла), который течет в азимутальном направлении, то есть по круговой «орбите» вокруг центрального анода. Ток Холла обусловлен движением электрона в магнитном и электрическом полях. В зависимости от доступной мощности скорость выхлопа может варьироваться от 10 до более чем 50 км/с.

Эта форма электрической ракеты позволяет избежать накопления пространственного заряда за счет ускорения всей плазмы (как положительных ионов, так и отрицательных электронов), в результате чего ее плотность тяги и, следовательно, ее сила тяги (и, следовательно, ее потенциал дельта-v) во много раз больше, чем у ионного двигателя того же размера. Более 200 двигателей Холла были запущены на спутниках на околоземной орбите. И это был двигатель Холла, который Европейское космическое агентство использовало для экономичного запуска своего космического корабля SMART-1 на Луну.

В настоящее время инженеры пытаются усовершенствовать современные довольно маленькие двигатели Холла, чтобы они могли работать с более высокой мощностью для создания более высоких скоростей выхлопа и уровней тяги. Работа также направлена ​​​​на продление срока их эксплуатации до многолетнего периода, необходимого для исследования дальнего космоса.

Ученые Принстонской лаборатории физики плазмы сделали шаг к достижению этих целей, вживив сегментированные электроды в стенки холловского двигателя. Электроды формируют внутреннее электрическое поле таким образом, что помогают сфокусировать плазму в тонкий выхлопной пучок. Эта конструкция уменьшает бесполезную неаксиальную составляющую тяги и увеличивает срок службы системы, удерживая плазменный пучок на расстоянии от стенок двигателя. Немецкие инженеры добились аналогичных результатов, используя магнитные поля особой формы. Тем временем исследователи из Стэнфордского университета показали, что облицовка стен прочным синтетическим поликристаллическим алмазом существенно повышает устойчивость устройства к плазменной эрозии. Такие улучшения в конечном итоге сделают двигатели Холла пригодными для полетов в дальний космос.

Одним из способов дальнейшего повышения плотности тяги плазменного двигателя является увеличение общего количества плазмы, ускоряемой в двигателе. Но по мере увеличения плотности плазмы в холловском двигателе электроны все чаще сталкиваются с атомами и ионами, что затрудняет перенос электронами холловского тока, необходимого для ускорения. Альтернатива, известная как магнитоплазмодинамический двигатель (MPDT), позволяет получить более плотную плазму за счет отказа от тока Холла в пользу составляющей тока, которая в основном выровнена с электрическим полем [см. Вставку слева] и гораздо менее подвержена разрушению, чем ток Холла. атомными столкновениями.

Обычно MPDT состоит из центрального катода, расположенного внутри более крупного цилиндрического анода. Газ, обычно литий, закачивают в кольцевое пространство между катодом и анодом. Там он ионизируется электрическим током, текущим радиально от катода к аноду. Этот ток индуцирует азимутальное магнитное поле (окружающее центральный катод), которое взаимодействует с тем же током, который индуцировал его, создавая силу Лоренца, создающую тягу.

Один двигатель MPD размером со среднее домашнее ведро может перерабатывать около миллиона ватт электроэнергии от солнечного или ядерного источника в тягу (достаточно для питания более 10 000 стандартных лампочек), что значительно превышает максимальную мощность пределы ионных или холловских двигателей того же размера. MPDT может развивать скорость выхлопа от 15 до 60 км/с. Это действительно маленький двигатель, который мог.

Эта конструкция также обеспечивает дросселирование; его скорость истечения и тяга могут быть легко отрегулированы путем изменения уровня электрического тока или расхода топлива. Дросселирование позволяет планировщику миссии изменять тягу двигателя космического корабля и скорость истечения по мере необходимости для оптимизации его траектории.

Интенсивные исследования механизмов, снижающих производительность и срок службы устройств MPD, таких как эрозия электродов, нестабильность плазмы и рассеивание энергии в плазме, привели к созданию новых высокопроизводительных двигателей, использующих в качестве топлива пары лития и бария. Эти элементы легко ионизируются, обеспечивают более низкие потери внутренней энергии в плазме и помогают сохранять катод более холодным. Применение этих жидкометаллических ракетных топлив и необычной конструкции катода, который содержит каналы, изменяющие взаимодействие электрического тока с его поверхностью, привело к значительно меньшей эрозии катода. Эти инновации ведут к созданию более надежных MPDT.

Группа ученых и исследователей НАСА недавно завершила проектирование современного MPDT с литиевым питанием под названием 2, который потенциально может управлять атомным судном, перевозящим тяжелые грузы и людей на Луну и Марс. а также роботизированные миссии к внешним планетам.

Ионные двигатели, двигатели Холла и MPD — всего лишь три варианта технологии электрических плазменных ракет, хотя и наиболее зрелые. За последние несколько десятилетий исследователи разработали множество других перспективных смежных концепций в разной степени готовности. Некоторые из них представляют собой импульсные двигатели, которые работают с перерывами; другие работают непрерывно. Некоторые генерируют плазму за счет электрического разряда на основе электродов; другие используют магнитную индукцию на основе катушки или излучение, генерируемое антенной. Механизмы, которые они применяют для ускорения плазмы, также различаются: некоторые используют силы Лоренца; другие ускоряют плазму, вовлекая ее в создаваемые магнитным полем токовые слои или бегущие электромагнитные волны. Один тип даже направлен на выпуск плазмы через невидимые «ракетные сопла», состоящие из магнитных полей.

Во всех случаях плазменные ракеты будут набирать скорость медленнее, чем обычные ракеты. И все же в том, что было названо «парадоксом медленнее, но быстрее», они часто могут быстрее добираться до удаленных пунктов назначения, в конечном итоге достигая более высоких скоростей космического корабля, чем могут стандартные двигательные установки, использующие ту же массу топлива. Таким образом, они избегают трудоемких обходных путей для повышения гравитации. Так же, как легендарная медленная и устойчивая черепаха побеждает периодически бегущего зайца, в марафонских полетах, которые станут все более частыми в грядущей эре исследования дальнего космоса, побеждает черепаха.

До сих пор самые передовые разработки могли придавать дельта-v 100 км/с, что слишком медленно, чтобы доставить космический корабль к далеким звездам, но достаточно, чтобы посетить внешние планеты за разумное время. Одна особенно захватывающая миссия в дальний космос, которая была предложена, должна вернуть образцы с крупнейшего спутника Сатурна, Титана, который, по мнению космических ученых, имеет атмосферу, очень похожую на земную эоны назад.

Образец с поверхности Титана предоставит исследователям редкую возможность найти признаки химических предшественников жизни. Миссия была бы невозможна с химическим двигателем. И, без движения по курсу, путешествие потребовало бы нескольких планетарных гравитационных ассистентов, что добавило бы более трех лет к общему времени в пути. Зонд, оснащенный «маленьким плазменным двигателем, который мог бы» выполнить эту работу за значительно более короткий период времени.

Примечание. Первоначально эта статья была напечатана под названием «Новый рассвет для электрических ракет».

Эта статья была первоначально опубликована под заголовком «Эффективное будущее дальнего космоса» в журнале Scientific American 300, 2, (февраль 2009 г.)

doi:10.1038/scientificamerican0209-58

Ю. Чуейри преподает космонавтику и прикладную физику в Принстонском университете, где он также руководит Лабораторией электрического двигателя и динамики плазмы (http://alfven.

princeton.edu) и университетской программой инженерной физики. Помимо исследований плазменных двигателей, он работает над математическими методами, которые могли бы обеспечить точную запись и воспроизведение музыки в трех измерениях.

HTS-магниты для усовершенствованных магнитоплазменных космических двигателей (конференция)

HTS-магниты для усовершенствованных магнитоплазменных космических двигателей (конференция) | ОСТИ.GOV

перейти к основному содержанию

• Полная запись
• Другое связанное исследование

Плазменные ракеты рассматриваются как для околоземных, так и для межпланетных полетов, потому что их чрезвычайно высокая скорость истечения и способность регулировать тягу позволяют очень эффективно использовать массу топлива. В таких ракетах водородная или гелиевая плазма нагревается высокочастотным излучением и удерживается осевыми магнитными полями, создаваемыми катушками вокруг плазменной камеры. Змеевики HTS, охлаждаемые топливом, желательны для повышения энергоэффективности системы. Мы описываем набор прототипов высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) катушек, которые рассматриваются для двигателя VASIMR (магнитоплазменной ракеты с переменным удельным импульсом), предложенного для испытаний на спутнике Radiation Technology Demonstration (RTD). Поскольку этот спутник будет запущен космическим кораблем «Шаттл», по соображениям безопасности в качестве топлива и охлаждающей жидкости будет использоваться жидкий гелий. Катушки должны быть рассчитаны на работу в космосе при уровне поля 1 Тл. Это создает уникальный набор требований. Будут обсуждаться детали общей геометрии обмотки и плотности тока, а также сложные аспекты теплового контроля, связанные с компактной конструкцией с минимальным весом.

Авторов:

Карт, доктор медицинских наук;

Швентерли, СЗ

Дата публикации:

12. 07.1999

Исследовательская организация:

Окриджская национальная лаборатория. (ORNL), Ок-Ридж, Теннесси (США)

Организация-спонсор:

Департамент науки Министерства сельского хозяйства США (США)

Идентификатор ОСТИ:

15057

Номер(а) отчета:

ОРНЛ/СР-105116
РНН: US200221%%361

Номер контракта с Министерством энергетики:  

АК05-96ОР22464

Тип ресурса:

Конференция

Отношение ресурсов:

Конференция: 1999 г. , Международная конференция по криогенной инженерии и криогенным материалам, Монреаль, Квебек (Калифорния), 12.07.1999 — 16.07.1999; Другая информация: PBD: 12 июля 1999 г.

.

Страна публикации:

США

Язык:

Английский

Тема:

08 ВОДОРОД; 33 УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫХ ДВИГАТЕЛЯ; КРИОГЕНИКА; ПЛОТНОСТЬ ТОКА; ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ; ГЕЛИЙ; ВОДОРОД; МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ; МАГНИТЫ; ДВИГАТЕЛЬ; ИЗЛУЧЕНИЕ; РАКЕТЫ; СПУТНИКИ; ШАТТЛЫ; ПЛАЗМЕННЫЕ РАКЕТЫ

---

Форматы цитирования

• MLA
• АПА
• Чикаго
• БибТекс


Карт, М. Д., Чанг-Диаз, Ф.Р. Сквайр, Дж. П., и Швентерли, С. В. Магниты HTS для усовершенствованных магнитоплазменных космических двигателей . США: Н. П., 1999.
Веб.

Копировать в буфер обмена


Карт, М. Д., Чанг-Диаз, Ф.Р. Сквайр, Дж. П., и Швентерли, С. В. Магниты HTS для усовершенствованных магнитоплазменных космических двигателей . Соединенные Штаты.

Копировать в буфер обмена


Карт, М. Д., Чанг-Диаз, Ф.Р. Сквайр, Дж. П., и Швентерли, С. В., 1999 г.
«Магниты HTS для усовершенствованных магнитоплазменных космических двигателей». Соединенные Штаты. https://www.osti.gov/servlets/purl/15057.

Копировать в буфер обмена

@статья{osti_15057,
title = {Магниты HTS для передовых магнитоплазменных космических двигателей},
автор = {Карт, М.Д. и Чанг-Диас, Ф.Р. Сквайр, Дж. П. и Швентерли, ЮЗ},
abstractNote = {Плазменные ракеты рассматриваются как для околоземных, так и для межпланетных миссий, потому что их чрезвычайно высокая скорость истечения и способность модулировать тягу позволяют очень эффективно использовать массу топлива. В таких ракетах водородная или гелиевая плазма нагревается высокочастотным излучением и удерживается осевыми магнитными полями, создаваемыми катушками вокруг плазменной камеры. Змеевики HTS, охлаждаемые топливом, желательны для повышения энергоэффективности системы. Мы описываем набор прототипов высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) катушек, которые рассматриваются для двигателя VASIMR (магнитоплазменной ракеты с переменным удельным импульсом), предложенного для испытаний на спутнике Radiation Technology Demonstration (RTD). Поскольку этот спутник будет запущен космическим кораблем "Шаттл", по соображениям безопасности в качестве топлива и охлаждающей жидкости будет использоваться жидкий гелий. Катушки должны быть рассчитаны на работу в космосе при уровне поля 1 Тл. Это создает уникальный набор требований. Будут обсуждаться детали общей геометрии обмотки и плотности тока, а также сложные аспекты теплового контроля, связанные с компактной конструкцией с минимальным весом.},
дои = {},
URL = {https://www.osti.gov/biblio/15057},
журнал = {},
номер =,
объем = ,
место = {США},
год = {1999},
месяц = ​​{7}
}


Копировать в буфер обмена

---

Просмотр конференции (0,04 МБ)

Дополнительную информацию о получении полнотекстового документа см. в разделе «Доступность документа». Постоянные посетители библиотек могут искать в WorldCat библиотеки, в которых проводится эта конференция.

---

Экспорт метаданных

Сохранить в моей библиотеке

Вы должны войти в систему или создать учетную запись, чтобы сохранять документы в своей библиотеке.

Аналогичных записей в сборниках OSTI.GOV:

• Аналогичные записи

Высокотехнологичный ракетный двигатель VASIMR может справиться с полетами на Марс, космическим мусором и многим другим

Бывший астронавт Франклин Чанг-Диас возглавляет компанию Ad Astra Rocket Co. и ведет активную работу над двигателем магнитоплазменной ракеты с переменным удельным импульсом (VASIMR).
(Изображение предоставлено Ad Astra)

Ученые работают над усовершенствованной космической двигательной установкой, предназначенной для различных целей, включая перезагрузку космических станций, очистку космического мусора и обеспечение сверхбыстрых путешествий, которые могут достичь Марса менее чем за два месяца.

Под руководством бывшего астронавта НАСА Франклина Чанг-Диаса компания Ad Astra Rocket Co. разрабатывает универсальный высокотехнологичный двигатель, известный как магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом, или сокращенно VASIMR.

Работа над двигателем ведется уже более 25 лет и основана на исследованиях и разработках НАСА и Министерства энергетики США в области физики плазмы и технологии космических двигателей. Коммерциализация силового электродвигателя VASIMR — это флагманский проект компании Ad Astra, которая существует уже девять лет и на сегодняшний день инвестировала 30 миллионов долларов в разработку концепции. [Концепции сверхбыстрых двигателей (изображения)]

Штаб-квартира Ad Astra в Техасе и дочерняя исследовательская лаборатория компании в Коста-Рике полны исследователей, которых привлекают прорывные технологии, меняющие правила игры, сказал Чанг-Диас.

«Итак, у нас, как правило, очень молодая команда, и они становятся все моложе и моложе, — сказал Чанг-Диас. «Думаю, это потому, что я становлюсь старше. Но это напоминает мне о том, каким было НАСА, поэтому я стараюсь смотреть на это как на хороший знак».

Коммерческий испытательный стенд

Миссия по отклонению астероидов, сближающихся с Землей, на базе космического корабля Viento с солнечной электрической силовой установкой Ad Astra, оснащенного двигателями VASIMR класса VF-200. (Изображение предоставлено Ad Astra)

VASIMR нагревает плазму — электрически заряженный газ — до экстремальных температур с помощью радиоволн. Затем сильные магнитные поля выталкивают эту плазму из задней части двигателя, создавая тягу.

Самый совершенный двигатель VASIMR — 200-киловаттный VX-200 компании Ad Astra.

Путь к VX-200 обсуждался на 33-й Международной конференции по электрическим двигателям, состоявшейся в Университете Джорджа Вашингтона в Вашингтоне, округ Колумбия, в прошлом месяце. Представители компании подробно рассказали о планах летной проверки другого варианта VASIMR, VF-200, на Международной космической станции (МКС) в ближайшие несколько лет.

Ключом к этим предстоящим летным испытаниям является электродвигатель под названием Aurora, который также разрабатывает Ad Astra. «Аврора» с мощным источником плазмы VASIMR VF-200 — это коммерческий испытательный стенд, который будет работать в составе МКС.

Основной целью «Авроры» является летная квалификация и проверка характеристик 200-киловаттного двигателя VF-200 VASIMR в космических условиях. Модуль хранения батареи на платформе хранит энергию, необходимую для запуска VASIMR мощностью 200 киловатт в течение примерно 15 минут, после чего его необходимо перезарядить. [Гигантские скачки: главные вехи пилотируемых космических полетов]

 

Двигатель VASIMR может повторно разгонять МКС и другие станции, такие как частный объект Бигелоу. (Изображение предоставлено Ad Astra )

Платформа Aurora

 

В связи с приближением судебного разбирательства по Aurora, пришло ли время показа VASIMR?

«Абсолютно верно — мы рассматриваем этот тест на МКС как шлюз», — сказал Чанг-Диас SPACE.com. «Это то, к чему мы идем… демонстрация VASIMR на платформе «Аврора» на МКС».

Обширные многолетние наземные испытания VASIMR не выявили признаков износа двигателя после более чем 10 000 мощных выстрелов, добавил он.

Соглашение о космическом акте с НАСА позволяет компании Ad Astra проводить коммерческие испытания усовершенствованных электрических двигателей и энергосистем в поддержку разработки требований космической торговли и исследований.

«Соглашение с НАСА заключается в том, что они будут интегрировать систему на МКС», — сказал Чанг-Диас. «Мы работали с программой NASA ISS над поиском правильного места для размещения устройства… и мы обнаружили, что оно находится на вершине фермы [станции] Z-1».

«Аврора» будет доставлена ​​на МКС с помощью коммерческой ракеты-носителя и роботизированного транспортного средства, такого как корабль Cygnus компании Orbital Sciences или другой коммерческий космический корабль доставки.

Область применения

Предполагаемое размещение платформы Ad Astra Aurora на ферме Z-1 Международной космической станции. (Изображение предоставлено Ad Astra)

Чанг-Диас сказал, что попасть на борт МКС можно будет примерно через три года. Но для этого потребуются вливания наличных — примерно 100 миллионов долларов на подготовку готового к полету оборудования.

Аврора также будет иметь более широкое применение, превратившись в Национальную лабораторию физики плазмы, подходящую для проведения различных исследований в космосе.

«Мы считаем, что эта платформа может делать гораздо больше, чем просто тестировать VASIMR», — сказал Чанг-Диас. «Его можно использовать для разработки и демонстрации технологий разведки. Мы также чувствуем, что можем предложить эту платформу другим электрическим двигателям, которые также хотят испытать в космосе».

Чанг-Диаз также описал ряд применений, предусмотренных для двигателя класса VF-200, в том числе следующие:

• Коммерческий низкоорбитальный, мощный, солнечный-электрический космический буксир для очистки космического мусора;
• Обслуживание и поддержка спутников — например, операции по дозаправке, ремонту и перемещению — могут быть обеспечены мощным солнечно-электрическим буксиром VASIMR;
• Перезарядка/обслуживание орбиты орбитальных космических станций может быть обеспечено автономным коммерческим двигателем Ad Astra, работающим на солнечной энергии, за небольшую часть стоимости современных химических ракет;
• Многоразовая, мощная, коммерческая катапульта для дальнего космоса, которая может отправлять быстрые роботизированные пакеты во внешние пределы Солнечной системы более экономично, чем обычные ракеты; и
• Двигатель VASIMR позволяет отклонять потенциально опасные астероиды, а также захватывать и перемещать космические камни для добычи полезных ископаемых.

 

Возможное применение технологии VASIMR — помочь очистить космос от рукотворных остатков. (Изображение предоставлено Ad Astra)

На Марс?

 

Чанг-Диас — ветеран-рекордсмен, совершивший семь полетов на космических челноках и три выхода в открытый космос в период с 1986 и 2002.

«Для меня полет на Марс был, конечно, мечтой — мечтой каждого астронавта, — сказал Чанг-Диас. Однако его полеты на околоземную орбиту несколько изменили и смягчили его подход к космосу.

«Я не совсем осознавал ограничения скорости, которые у нас есть в космосе, чтобы добраться до Марса», — сказал он. «Я очень хорошо осознал, что просидеть год в космическом корабле, летящем на Марс, будет некрасиво. Космос очень негостеприимный. Когда у вас нет электричества, становится холодно. Вы находитесь в глуши. Если вы летите на Марс, вы как будто летите на пушечном ядре. У вас нет другого выбора, кроме как отправиться туда, даже если у вас нет кислорода, чтобы добраться туда».

Такой дальнобойный подход к посадке на Марс — не лучший вариант, — сказал Чанг-Диас. «Я думаю, что мы должны дать астронавтам шанс на победу. Вот почему я считаю, что мы должны заняться развитием технологий, прежде чем мы продолжим говорить о Марсе».

Использование двигателя VASIMR для сверхбыстрого полета на Марс потребует включения ядерного реактора, вырабатывающего мегаватты энергии, сказал Чанг-Диас, добавив, что разработка этого типа мощного реактора должна быть одной из приоритетных задач страны. 9(Изображение предоставлено Ad Astra)

«Сверхпроводимость — это то, что позволило нам построить магнит, который у нас есть сейчас», — сказал он. «Но это поле быстро превращается в более мощные магниты и более легкие магниты, поэтому я думаю, что когда-нибудь магнитные поля, которые мы сможем использовать, будут намного выше, чем те, которые мы используем сейчас — и это позволит нам достичь гораздо более высоких температур и плотностей плазмы».

Это вызывает футуристический призрак ракет с ядерным синтезом, которые могут открыть для исследования всю солнечную систему, сказал Чанг-Диас.

Хотя эти возможности впечатляют, «мы не хотим забегать слишком далеко вперед», — предупредил он. «Иначе нас начинают относить к разряду научной фантастики, а мы не хотим там быть. Мы хотим быть здесь и сейчас».

Леонард Дэвид пишет о космической отрасли уже более пяти десятилетий. Он является бывшим директором по исследованиям Национальной комиссии по космосу и соавтором новой книги Базза Олдрина «Миссия на Марс — мое видение космических исследований», опубликованной National Geographic. Следуйте за нами @Spacedotcom , Facebook или Google+ . Первоначально опубликовано на SPACE.com.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Леонард Дэвид — отмеченный наградами космический журналист, который освещает космическую деятельность более 50 лет.