Двигатель для космолета: на чём люди полетят в дальний космос. Перспективные космические двигатели
Двигатели для покорения космоса: краткая история смелых проектов и перспективные разработки
Новые программы освоения космоса требуют разработки более совершенных двигателей. Конструкторам всегда хотелось уменьшить их массу, увеличить тягу и повысить экономичность. Сейчас это стало не простым стремлением сделать лучше, а необходимым условием для будущих пилотируемых миссий и доставки научной аппаратуры к другим планетам в разумные сроки. Какие технические решения выглядят заманчиво в отдалённой перспективе, а какие реализуются прямо сейчас?
С движением мы сталкиваемся ежедневно и привыкли к нему настолько, что не слишком задумываемся о его природе. В обычных условиях всегда есть какая-то среда и возможность взаимодействовать с ней. Ноги и колёса автомобиля отталкиваются от твёрдой поверхности дороги, гребной винт лодки увлекает воду, а турбина самолёта – воздух. Отсутствие привычной среды в космосе не даёт столь богатых возможностей.
Единственный освоенный принцип движения космических аппаратов (КА) был и остаётся прежним: реактивная струя выбрасывается в одну сторону, создавая тягу в противоположном направлении. Вся соль в том, из чего формируется и что представляет собой сама реактивная струя.
Независимо от типа в ракетных двигателях “рабочим телом” принято называть то, что покидает сопло на большой скорости. Для разгонных блоков ракет-носителей это продукты сгорания топлива, для ионных двигателей спутников – ионизированный газ. Во всех случаях время работы двигателя ограничено имеющимся на борту запасом вещества, используемого при создании реактивной тяги.
Для вывода спутника на орбиту Земли и отправки автоматических межпланетных станций (АМС) за её пределы двигатель ракеты-носителя должен обеспечить тягу в сотни и тысячи килоньютон, но ему достаточно проработать несколько минут. Самим космическим аппаратам вне гравитационного поля планеты достаточно тяги в доли ньютона, но эксплуатироваться их двигатели будут годами. Пока даже на одном КА приходится использовать несколько разных типов двигателей в качестве маршевых и корректирующих, но всё может измениться.
HyperV
Недавно в рамках проекта HyperV были собраны через Kickstarter средства на доработку импульсного плазменного двигателя. В качестве рабочего тела сгодятся практически любые газы. Сам двигатель обещает быть гораздо дешевле в производстве и эксплуатации, чем имеющиеся аналоги.
Испытательный стенд двигателя HyperV (фото: Nancy Atkinson, Universe Today)Главное преимущество заключается в универсальности. За счёт регулирования соотношения тяги к удельному импульсу один двигатель можно использовать для разных задач.
Orion, Daedalus, Longshot и другие ядерные ракетные двигатели
Ядерные двигатели разрабатываются с пятидесятых годов прошлого века и актуальны до сих пор. Изначально их предполагалось делать импульсными – ядерные взрывы малой мощности должны были придавать ускорение огромному космическому кораблю. Грандиозный проект Orion был рассчитан на пилотируемую миссию с командой в 200 человек, но его так и не удалось воплотить по техническим и экономическим причинам.
Проект “Орион” в представлении художника (изображение: Joe Bergeron)Позже предпочтение отдали менее экстремальному режиму работы ЯРД – реактивному, в котором ядерный реактор используется для контролируемого нагрева рабочего тела. Следующий проект (Daedalus) предполагал строительство на орбите Юпитера автономного зонда. Аппарат длиной почти в полкилометра должен был разогнаться термоядерными ракетными двигателями и достичь через 49 лет звезды Барнарда в созвездии Змееносца. Проект был свёрнут в 1977 году из-за недостаточных знаний об устройстве Солнечной системы вблизи её внешних границ.
В конце восьмидесятых NASA вернулось к идее межзвёздных полётов космических кораблей. Проект Longshot выглядел более реалистично и основывался на использовании лазерно-термоядерного двигателя. В качестве цели была выбрана звезда альфа Центавра B. Время полёта увеличилось до века, а миссия не предполагала возвращения. В отличие от проекта Daedalus, Longshot опирался преимущественно на существующие, а не на перспективные технологии. На последнем этапе стало очевидно, что кораблю потребуется порядка 264 тонн смеси гелия-3 и дейтерия, которых получить в таких количествах ценой разумных затрат не удастся.
Проект Longshot (изображение: Beals, K.A.)Несмотря на серию неудачных проектов, ядерные ракетные двигатели не теряют актуальности. Глава Роскосмоса Владимир Поповкин сообщил в интервью “Российской газете”, что опытный образец ядерной установки мегаваттного класса для межпланетных полётов появится в России в 2017 году.
Проведение стендовых испытаний ядерного реактора запланировано в Сосновом Бору Ленинградской области. По сравнению с прямоточным ядерным двигателем температура нагрева рабочего тела должна снизиться до 1500 градусов, а создаваемая реактивная струя не будет радиоактивной. Второе свойство позволит использовать двигатель уже на ранних этапах полёта без риска радиационного загрязнения атмосферы Земли. Подобная программа NASA “Прометей” была закрыта в 2006 году из-за недостаточного финансирования.
VASIMR
Другим многообещающим проектом является разработка электромагнитного ускорителя с изменяемым удельным импульсом (в англоязычной литературе – VASIMR). Рабочее тело (аргон) ионизируется радиоволнами, и полученная плазма затем разгоняется в электромагнитном поле, создавая реактивную тягу.
Впервые появившись в 1979 году, идея стала по-настоящему революционной и сейчас близка к воплощению. Такой двигатель был бы крайне востребован в системе орбитального и межпланетного транспорта. Для начала “космический буксир” мог бы перемещать многотонные грузы между орбитами Земли и Луны. Модель VASIMR VF-200 производства Ad Astra Rocket Company планируется разместить на борту МКС.
Макет двигателя VASIMR VF-200-1 представлен в ролике ниже.
EmDrive
В конце 2012 года профессор Академии наук Китая Ян Цзюань представила перевод своей статьи, описывающей прототип уникального электромагнитного ракетного двигателя. На бумаге он выглядит гораздо интереснее имеющихся сегодня ионных двигателей хотя бы потому, что не требует расхода рабочего тела, но в этом и главная причина сомнений. Совсем недавно о таком типе электрического ракетного двигателя можно было только мечтать.
В отличие от всех иных типов ракетных двигателей, здесь ускорение должно достигаться за счёт направленного микроволнового излучения. О том, что электромагнитные волны создают давление, было известно ещё со времён Максвелла, однако описание принципов работы EmDrive вызывает множество вопросов.
Образно говоря, такой двигатель похож на микроволновку, к которой добавили резонирующую полость в виде замкнутого усечённого конуса. По идее, излучаемые микроволны оказывают давление на внутреннюю полость, которое не компенсируется только в одном направлении. Так (по мнению госпожи Цзюань) у EmDrive возникает реактивная тяга.
Прототип электромагнитного двигателя EmDrive (фото: Yang Juan)К сожалению, такой принцип работы EmDrive вызывает множество сомнений и напоминает печальный опыт установки экспериментального “движителя без выброса реактивной массы” на спутник “Юбилейный” в 2008 году.
Радует то, что EmDrive хотя бы не относится к пресловутым инерциоидам – типу устройств, работоспособность которых без взаимодействия с внешней средой невозможна. Сомнения касаются и большинства заявленных характеристик. Помимо того что в сравнении с лучшими ионными двигателями EmDrive обещает обеспечить больший срок службы, декларируется примерно в десять раз меньшая масса при той же мощности и большей (720 мН) тяге. Подробнее об истории разработки EmDrive смотрите статью Евгения Золотова.
Схема электромагнитного двигателя (изображение: peswiki.com)www.computerra.ru
Космические двигатели третьего тысячелетия. Cтатьи. Наука и техника
Валентин Подвысоцкий
Достижения в освоении космического пространства зависят от уровня развития двигательных систем. Определяющим фактором эффективности двигателей космических аппаратов, являются их энергетические характеристики. По виду используемой энергии двигательные установки подразделяются на четыре типа: термохимические, ядерные, электрические, солнечно-парусные. В настоящее время основой космонавтики являются мощные термохимические двигатели. Электрические и ядерные установки находятся на стадии развития, и в будущем смогут найти широкое применение в космической технике. То же можно сказать и о солнечно-парусных двигателях и других перспективных силовых установках.
В данной статье рассматривается новый тип двигателей, работающих на кинетической энергии космического аппарата (или встречного потока вещества, в зависимости от выбора системы координат). Принцип действия двигателя основан на захвате и торможении встречного потока вещества. Захваченное вещество попадает внутрь двигателя. В результате его торможения, выделяется энергия. Часть этой энергии, тем или иным образом, может быть использована для ускорения бортовых запасов реактивной массы. При определенных условиях, реактивная сила тяги превышает силу торможения, и космический аппарат увеличивает скорость полета. Скорость космического аппарата возрастает, а его масса, импульс и кинетическая энергия уменьшаются (в соответствии с законами сохранения).
Возможны различные варианты двигательных установок нового типа. Например, кинетический двигатель, в котором происходит непосредственное преобразование части кинетической энергии встречного потока газа в энергию рабочего тела. Этот двигатель состоит из следующих, объединенных в одно конструктивное целое частей:
- массозаборника, и диффузора, для торможения захваченного газа;
- камеры, в которой нагретый, вследствие торможения, до очень высокой температуры газ смешивается с рабочим телом;
- реактивного сопла, через которое, расширяясь, истекает полученная смесь.
Кинетический двигатель может использоваться при полетах в атмосфере планет-гигантов. Предположим, космический аппарат летит в верхних слоях атмосферы Урана, со скоростью 20 км/с. Космический аппарат находится в аэродинамической тени раструба массозаборника. Через массозаборник, внутрь двигателя попадает 1 кг водорода. Его кинетическая энергия 200 тыс. кДж, импульс 20 тыс. кг·м/с. КПД двигателя 70%. В результате торможения захваченного газа, его кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию. Чтобы получить максимальную удельную тягу, расход рабочего тела должен составлять 2,422 кг. Раскаленный водород смешивается с рабочим телом, и образовавшаяся смесь в количестве 3,422 кг, истекает через реактивное сопло. Ее кинетическая энергия 140 тыс. кДж, скорость истечения 9045 м/с, импульс 30 955 кг·м/с. Если разницу импульсов (10 955 кг·м/с), разделить на расход рабочего тела (2,422 кг), получим эффективную скорость истечения 4523 м/с. Если разделить эффективную скорость истечения на коэффициент 9,81 м/с², получим удельную тягу 460 с.
Эффективность массозаборника значительно увеличится, если снабдить двигатель источником магнитного поля (соленоидом). Движение частиц плазмы поперек силовых линий магнитного поля затруднено, и магнитное поле играет роль воронки, направляющей потоки заряженных частиц в двигатель. В результате, эффективное сечение массозаборника может возрасти в тысячи раз. Кроме того, появится дополнительный энергетический эффект. Магнитная воронка играет роль своеобразного фильтра, направляя в двигатель лишь обладающие значительной энергией ионизированные частицы. Внутри двигателя ионизированный газ смешивается с рабочим телом. Происходит торможение и рекомбинация захваченных частиц, выделяется значительное количество тепла. Таким образам, бортовые запасы рабочего тела будут нагреваться не только за счет кинетической энергии захваченного газа, но и за счет его химической энергии. Поскольку, образовавшаяся газовая смесь состоит в основном из нейтральных частиц, магнитное поле двигателя не будет препятствовать ее истечению через реактивное сопло.
Кинетический двигатель, оснащенный магнитной воронкой, может использоваться при полетах в атмосфере планет земной группы. На высоте около 300 км над Землей, концентрация ионизированных частиц достигает максимального значения (примерно 1 млн ионов кислорода в 1 см³). Для захвата ежесекундно 1 кг плазмы, при скорости полета 8 км/с, нужна магнитная воронка диаметром около 110 км. Создание такой воронки, связано с определенными трудностями. Впрочем, плотность плазмы значительно возрастает в периоды активности Солнца. Кроме того, можно применять искусственные источники плазмы. Во многих случаях, достаточно использовать магнитную воронку значительно меньшего диаметра.
С целью исследования магнитного поля Земли, проводились опыты по созданию искусственной кометы. Спутник ИРМ, созданный институтом им. Макса Планка, выпустил на высоте 110 тысяч километров, облако заряженных частиц бария. Облако сначала было зеленым, а через полминуты стало фиолетовым за счет ионизации под действием солнечных лучей. Через 8 минут от облака протянулся хвост на 20 тысяч километров, а скорость частиц бария под давлением солнечных лучей достигла несколько десятков километров в секунду. Возрастание плотности газа, повысит эффективность магнитной воронки. Кроме того, под давлением солнечных лучей, возрастает скорость и энергия поступающего в двигатель газа. Этот способ целесообразно применять на околоземных орбитах, и в центральных областях Солнечной системы.
Следующий способ заключается в использовании раскаленных газов, выброшенных из реактивного двигателя, установленного на другом космическом аппарате. Можно организовать полет таким образом, чтобы космические аппараты двигались навстречу друг другу. Подобная схема может использоваться для доставки грузов на околоземную орбиту. Предположим, на околоземной орбите движется космическая станция, выбрасывая перед собой поток плазмы. Космический аппарат доставляется многоразовым носителем на заданную высоту, и начинает двигаться навстречу потоку плазмы, с помощью кинетического двигателя. Носитель возвращается на Землю.
Ставиться задача, увеличить скорость космического аппарата с 0 км/с до 8 км/с. Скорость космической станции 8 км/с, скорость истечения плазмы 10 км/с. В результате сложения скоростей, скорость поступающей в двигатель плазмы возрастает с 18км/с до 26 км/с. При КПД кинетического двигателя 70%, и оптимальном режиме его работы, масса космического аппарата уменьшится со 100 т до 20 т. Масса рабочего тела 80 т, объем 40 м³ (при плотности 2000 кг/м³).
Предположим, продолжительность разгона 400 секунд, средний расход бортовых запасов рабочего тела 200 кг/с. Ракетный двигатель космической станции в среднем должен расходовать не менее 83 кг/с массы. При скорости истечения 10 км/с это соответствует мощности более 4 млн кВт. Для создания потока плазмы такой мощности, может использоваться термоэлектрический двигатель, с солнечной или ядерной энергоустановкой. По некоторым оценкам, удельная масса таких систем, примерно 1 кг/кВт. Таким образом, масса космической станции составит не менее 4000 т. Если полезная нагрузка космического аппарата 5 т, такая транспортная система обеспечит грузопоток порядка 500 т в сутки (с учетом того, что половина ресурсов массы и времени, расходуется на коррекцию орбиты станции).
Для многократного использования кинетических двигателей, необходимо создать недорогой атмосферно-космический аппарат, способный возвращаться на Землю. Его возвращение можно организовать таким образом, чтобы аэродинамическая сила была направлена к центру Земли, препятствуя преждевременному выходу аппарата из атмосферы. Аппарат сможет сделать несколько витков вокруг Земли, двигаясь на оптимальной высоте в верхних слоях атмосферы, со скоростью значительно превышающей первую космическую. При этом избыток тепла будет отводиться за счет излучения, скорость полета постепенно уменьшится, без перегрузок и перегрева конструкции. Это позволит упростить теплозащиту, снизить необходимый запас прочности. В результате уменьшится масса и стоимость атмосферно-космического аппарата, увеличится срок его службы. После погашения избыточной скорости полета, нужно направить аэродинамическую силу в противоположном направлении. Это можно осуществить за счет поворота аппарата вокруг продольной оси на 180°, или путем изменения геометрии его несущих поверхностей (крыльев).
Указанный выше грузопоток, значительно превышает потребности ближайшего будущего. Вероятно, реализация таких транспортных систем сможет осуществляться в рамках программ космической энергетики. Основная задача заключается в создании потока плазмы (а не передвижении космической станции пространстве). Поэтому, большая масса и размеры энергоустановки и ракетного двигателя, не являются непреодолимым препятствием. Более серьезная проблема пополнение запасов массы. При грузопотоке 500 т затраты массы на создание потока плазмы, составляют более 7000 т. Впрочем, если доставлять массу с Луны, затраты на ее транспортировку составят не более 15...20% общих затрат энергии.
Интересный способ разгона с использованием реактивной струи, полет в кильватере другого космического аппарата, на оптимальном расстоянии. Такой полет возможен, если «ведущий» аппарат оснащен ракетным двигателем, со скоростью истечения газов десятки километров в секунду. Лишь в этом случае кинетический двигатель, установленный на «ведомом» космическом аппарате, будет развивать достаточно высокую удельную тягу. Захваченный газ состоит из частиц с высокой степенью ионизации, при рекомбинации которых выделяется большое количество дополнительной энергии. Следовательно, при скорости захваченного газа 20 км/с, максимально возможная удельная тяга кинетического двигателя значительно выше 460 с (при КПД 70%).
Кроме кинетического двигателя, возможны другие варианты двигательных установок нового типа. Например, двигатель ЭОЛ. Этот двигатель состоит из массозаборника, МГД-генератора и электрореактивного движителя. Принцип действия следующий. Захваченный магнитной воронкой ионизированный газ проходит через канал МГД-генератора и, через реактивное сопло, вытекает наружу. При частичном торможении газа в канале МГД-генератора, вырабатывается электрический ток, который приводит в действие реактивный движитель и все бортовые системы. Сила тяги электрореактивного движителя, превышает силу, возникающую в результате торможения газа внутри канала МГД-генератора. В результате, космический аппарат будет увеличивать скорость полета, отбрасывая часть своей массы.
Чтобы получить наибольшую удельную тягу, отработанный газ должен истекать из реактивного сопла со скоростью, равной скорости истечения рабочего тела из реактивного движителя. Для создания силы тяги целесообразно использовать термоэлектрические движители. В таких движителях электрический ток нагревает рабочее тело до высокой температуры, в результате скорость истечения может достигать несколько десятков километров в секунду. Регулируя температуру рабочего тела, можно регулировать скорость его истечения. Кроме того, термоэлектрический движитель развивает значительную силу тяги.
Плотность межпланетной среды переменная величина, и может колебаться в очень широких пределах. При незначительной плотности около 10–17 кг/м³, эффективность входного устройства будет низкой. Чтобы обеспечить поступление ежесекундно около 1 кг плазмы, при скорости полета 50 км/с, нужна магнитная воронка диаметром около 1600 км. Создание подобного устройства весьма проблематично. Очевидно, в межпланетном пространстве применение двигателя ЭОЛ будет возможным, лишь при наличии соответствующих благоприятных обстоятельств. Эти обстоятельства, могут возникать в результате различных космических процессов, или создаваться искусственным путем.
При прохождении ядра кометы вблизи Солнца, образуется газово-пылевое облако. Газы, из которых оно состоит, ионизируются под действием солнечных лучей и могут быть захвачены магнитной воронкой. Кроме твердого ядра размером 10...50 км, в строении комет выделяют газово-пылевую оболочку (размеры достигают иногда 2 млн км), и хвост (он простирается иногда на 150 млн км). Если большие и малые планеты вращаются вокруг Солнца в одном направлении, то кометы не придерживаются никаких правил. В частности, комета Галлея движется практически навстречу Земле. Во время очередного прохождения кометы Галлея вблизи Солнца в марте 1986 года, автоматические межпланетные станции «Вега-1» и «Вега-2» пролетели на расстоянии всего несколько тысяч километров от ядра, через плотную газово-пылевую оболочку со скоростью около 80 км/с.
Предположим, средняя плотность плазмы в газово-пылевом облаке 10–14 кг/м³. Магнитная воронка диаметром около 40 км, обеспечит ежесекундно поступление 1 кг плазмы. При скорости 80 км/с, кинетическая энергия 1 кг плазмы 3200 тыс. кДж. При общем КПД системы «магнитная воронка – МГД-генератор» 70%, получим 2240 тыс. кДж электрического тока. Из них 50 тыс. кДж, расходует холодильная установка. Остальные 2190 тыс. кДж расходует электрореактивный движитель. При КПД движителя 70%, кинетическая энергия реактивной струи составит 1533 тыс. кДж. Допустим, струя реактивного движителя истекает со скоростью 25 740 м/с, ее масса 4,628 кг (импульс ускорения 119 125 кг·м/с). Захваченная плазма проходит через канал МГД-генератора, и вытекает в межпланетное пространство со скоростью 25 740 м/с, ее масса 1 кг (импульс торможения 54 260 кг·м/с). Если разделить приращение импульса (64 865 кг·м/с) на расход бортовых запасов реактивной массы (4,628 кг), получим эффективную скорость истечения (14 016 м/с). Если разделить эффективную скорость истечения, на коэффициент 9,81 м/с², получим удельную тягу 1430 с. Тяговое усилие двигательной системы 6618 кг.
Принимая массу космического аппарата равной 500 т, получаем ускорение 0,130 м/с². Если протяженность газово-пылевого облака 1 млн км, продолжительность работы двигательной установки примерно 210 минут (при относительной средней скорости полета 80 км/с). Общее приращение скорости составит лишь 1625 м/с. Тяговое усилие двигательной установки (ускорение космического аппарата) можно значительно увеличить, за счет некоторого снижения удельной тяги. Простой расчет показывает следующее. Если увеличить ежесекундный расход бортовых запасов реактивной массы в 10 раз (46,28 кг/с), удельная тяга уменьшится в 2,1 раза (670 с). Тяговое усилие возрастет в 4,7 раза (31 000 кг). Ускорение космического аппарата составит 0,608 м/с², общее приращение скорости около 7600 м/с.
В процессе работы двигательной установки, нужно обеспечить отвод от всех ее частей, определенного количества тепловой энергии. Предположим, эта энергия равна 160 тыс. кДж (или 5% кинетической энергии захваченной плазмы). В космическом пространстве отвод тепла возможен только излучением (энергетическая светимость пропорциональна четвертой степени температуры). Если температура излучающей поверхности будет равна 400 К, площадь излучающей поверхности составит 110 тыс. м². Таким образом, система отвода тепла если не самая тяжелая, то самая громоздкая часть энергоустановки. Кроме того, высокая вероятность попадания метеоритов, что может нарушить нормальную работу системы. Большие размеры вынуждают увеличивать скорость движения теплоносителя, что ограничивает размеры излучающей поверхности, а значит и мощность энергоустановки.
В двигателе ЭОЛ проблема отвода тепла решается значительно более эффективно. Такая возможность появляется в результате прямого (непосредственного) преобразования энергии, которое составляет главную особенность МГД–генератора, отличающую его от электромашинного генератора. Части двигателя ЭОЛ, работают при разной температуре. Наименее горячая часть это соленоид магнитной воронки, несколько выше температура МГД-генератора, и наиболее горячая часть это термоэлектрический движитель. Поток теплоносителя можно направить сначала для охлаждения более холодных, потом более горячих частей двигательной системы, по маршруту: магнитная воронка – МГД-генератор – термоэлектрический движитель.
Предположим, в конце цикла охлаждения (при выходе из охладительной рубашки термоэлектрического движителя), температура теплоносителя равна 1200 К. Площадь излучающей поверхности составит 1360 м². Ее можно дополнительно уменьшить с помощью холодильной установки. При затратах энергии 50 тыс. кДж, холодильная установка увеличит температуру теплоносителя до 1575 К (без учета КПД холодильной установки). Суммарная энергия теплового излучения составит 210 тыс. кДж (160 тыс. кДж + 50 тыс. кДж), площадь излучающей поверхности уменьшится до 600 м².
Возникновение достаточно большого (с высокой плотностью плазмы) газово-пылевого облака, довольно редкое явление. Приведенный выше пример служит в основном для иллюстрации возможностей двигателя ЭОЛ. Более благоприятные условия для его постоянного применения, в системах планет-гигантов. Плотность газа в системе планет-гигантов заведомо выше, чем за ее пределами. Первая космическая скорость для Юпитера около 60 км/с. Поскольку удельная тяга двигателя ЭОЛ прямо пропорциональна скорости полета, ее максимально возможное значение (при КПД 70%), составит не менее 1070 с (1430 с·60/80). Что касается ускорения космического аппарата (которое зависит от плотности окружающей плазмы и диаметра магнитной воронки), при полетах в системах планет-гигантов, его величина не имеет решающего значения. Космический аппарат не сможет покинуть систему планеты-гиганта, прежде чем получит вторую космическую скорость.
Конечной целью систематических полетов к различным космическим объектам, является освоение этих объектов. В отдаленном будущем, здесь можно расположить и использовать для формирования потока плазмы, электрические ракетные двигатели (ЭРД). На космических базах искусственного или естественного происхождения, могут работать ЭРД практически любой мощности. Например, на поверхности Луны можно построить ядерную или солнечную электростанцию, и расположить нужное количество ЭРД различного типа. С их помощью, космический аппарат сможет осуществить посадку на Луну, взлет с Луны в космическое пространство.
Эти маневры могут осуществляться практически без затрат бортовых запасов рабочего тела; небольшие расходы рабочего тела понадобятся лишь для стабилизации положения космического аппарата в пространстве, и коррекции его курса. Такой результат, достигается при достаточно большой мощности МГД-генератора, когда сила, возникающая в результате торможения потока плазмы, превышает силу притяжения Луны. При недостаточной мощности МГД-генератора, вырабатываемый электрический ток будет приводить в действие реактивный движитель. В этом случае, космический аппарат осуществит взлет и посадку, с использованием бортовых запасов рабочего тела. Сила, возникающая в результате торможения плазмы, и сила тяги электрореактивного движителя, будут действовать в одном направлении.
ЭРД с небольшой скоростью истечения рабочего тела (электротермические) обеспечат запуск космических аппаратов с поверхности Луны, полеты с Луны на Землю и обратно, посадку на поверхность Луны. ЭРД с большой скоростью истечения рабочего тела (электромагнитные; электростатические), будут использоваться главным образом для обеспечения особо сложных и дальних космических полетов.
Для создания потока плазмы, ЭРД можно расположить на поверхности тех небесных тел Солнечной системы, которые вследствие небольшой силы тяжести не имеют плотной атмосферы. Это наименьшие планеты Меркурий, Марс и Плутон, естественные спутники более крупных планет, а также астероиды и кометы. Освоение всех планет Солнечной системы может осуществляться с помощью таких ракетно-космических комплексов, как на Луне. Единственное исключение Венера, у которой плотная атмосфера и нет естественных спутников.
В межпланетном пространстве, нужны другие источники поступления вещества: искусственная комета, реактивная струя космического аппарата, ядерный взрыв и т.д. Если на борту космического аппарата расположить ядерные заряды, с их помощью можно совершать любые маневры и передвижения. При необходимости, ядерное взрывное устройство подрывается на оптимальном расстоянии от космического аппарата. Для уменьшения скорости образовавшейся в результате взрыва плазмы, взрывное устройство снаряжается балластными веществами. Их количество должно быть таким, чтобы в результате взрыва не образовались твердые частицы. Или нужно использовать систему уничтожения (отклонения) метеоритов. Появляется реальная возможность пополнить запасы массы за счет практически любых материалов. На борту можно хранить лишь ядерные заряды, а запасы балластных веществ пополнять во время экспедиции (практически на любом космическом объекте).
Ядерные взрывные устройства можно предварительно расположить вдоль траектории полета космического аппарата. При этом не придется разгонять массу самих взрывных устройств. Взрыв происходит по специальному сигналу, когда космический аппарат пролетел вблизи взрывного устройства, и удалился от него на некоторое расстояние. Продукты взрыва (плазма с высокой плотностью), захватываются магнитной воронкой. Сила, возникающая при торможении захваченной плазмы в канале МГД-генератора, и сила тяги электрореактивного движителя, могут действовать в одном направлении (такой же результат можно получить, используя другие искусственные источники). Основная проблема при использовании взрывных устройств, неравномерность получаемого потока плазмы. Для более эффективной работы двигателя ЭОЛ, может понадобиться мощный бортовой аккумулятор электрического тока.
Если удастся решить возникающие проблемы, скорость космического аппарата будет определяться лишь количеством взрывных устройств. Взрывные устройства могут состоять из унифицированного ядерного (термоядерного) заряда, и оболочки различной массы. За счет этого, образовавшаяся плазма будет двигаться с различной скоростью при каждом взрыве. Полет организуется так, чтобы в момент пролета аппарата возле каждого взрывного устройства, образовавшийся в результате взрыва поток плазмы двигался относительно аппарата с определенной оптимальной скоростью.
Допустим, космический аппарат массой 10 т, разгоняется до скорости 20 тыс. км/с. При каждом взрыве, плазма двигается относительно аппарата, со средней скоростью 1100 км/с. В канале МГД-генератора, ее скорость уменьшается до 100 км/с. С учетом возрастания скорости аппарата от 0 км/с до 20 тыс. км/с, среднеквадратическая скорость плазмы примерно 12 тыс. км/с. Если не учитывать тягу электрореактивного движителя, для разгона аппарата необходимо пропустить через канал МГД-генератора около 200 т плазмы. Взрыв может быть организован таким образом, чтобы основная масса плазмы двигалась в двух противоположных направлениях. Если космический аппарат находится на расстоянии, равном диаметру магнитной воронки, количество захваченной плазмы может достигать 50%. Таким образом, суммарная масса взрывных устройств не менее 400 т. С учетом среднеквадратической скорости, суммарная энергия взрывов 2,88·1016 кДж (в тротиловом эквиваленте 6,9 тыс. Мт).
В настоящее время человечество обладает достаточным потенциалом для производства взрывных устройств указанной суммарной мощности. К концу 1980 года, по оценкам экспертов ООН, суммарная мощность ядерного оружия в мире составляла 13 тыс. Мт. Очевидно, в обозримом будущем, появится возможность размещения вдоль траектории полета космического аппарата более 400 т груза. Очередь за созданием двигателя ЭОЛ с достаточно высокими характеристиками. Возникающие при этом технические проблемы значительно меньше, чем при создании любого другого двигателя аналогичного назначения. Есть основания считать, что стоимость запуска межзвездного аппарата с помощью двигателя ЭОЛ, может оказаться наиболее низкой среди всех конкурирующих схем.
Дата публикации:
29 августа 2003 года
n-t.ru
Перспективные космические двигатели
С самого начала времен Человек поднимая глаза в небо и задавался вопросами: что там «наверху» и как до этого «верха» добраться. Проходили эпохи и века, но человек так и не оставлял своей мечты отправится ввысь. С каждым новой идеей, с каждым новым гением, Человек приближался к своей мечте. Медленно, но целеустремленно, Человек подчинял законы мироздания для своей мечты. Сначала самодельные крылья, потом воздушный шар. Следующим шагом стал Самолет, перевернувший весь взгляд на авиастроение. Сотни и тысячи молодых умов были воодушевлены на новые открытия. И вот уже Человек покорил атмосферу Земли и уже устремил свои взгляды дальше и выше, в Космос. Человек опять принялся соревноваться, но на сей раз не только с природой, но и с самим собой за звание первого в космосе. И после тысячи экспериментов и тестов Человек покорил рубеж земной орбиты. Дальше была она: Луна. И опять человек доказал свой ум и терпение, покорив и Луну. Но Человек знал, что может больше и отправлял зонды ко всем телам в нашей солнечной системе. Совсем недавно Человек своими роботами добрался и до Плутона, теперь взгляда Человека устремлены как никогда вдаль. И только технологии сдерживают его воображение и тягу к первооткрыванию.
Сейчас мы окунемся в мир перспективных космических двигателей, которые собственно и будут нашими лошадей которые несут нас по направлению к звездам. Для начала стоит понимать, что их себя представляет обычный реактивный двигатель. Третий закон Ньютона гласит- «Сила действия равна силе противодействия», это высказывание лежит в основе всего ракетостроения. То есть если тяга двигателя направленна в одну сторону, то ускорение самого аппарата с этим двигателем направленна в противоположную сторону, и эта сила равна по модулю.
Таким образом напрашивается вывод: чем больше массы вы выбросим в противоположную сторону нашего желаемого направления, тем большую скорость разовьем. Это не совсем верно пора ввести новое понятие: «Удельный импульс» это показатель эффективности реактивного двигателя и равен отношению создаваемого им импульса к расходу топлива. Чем больше удельный импульс, тем меньше топлива надо потратить, чтобы получить определённое количество движения. Теперь нам нужно учитывать и скорость вылета рабочего тела из сопла.
В современных ракетных двигателях для повышения удельного импульса используются разные топливные па́ры. Существуют 3 типа использующихся топливных пар:
1 Керосин (РГ-1) + жидкий кислород. Удельный импульс – 250-306 с
Такая пара обеспечивает наибольшую надёжность и общую дешевизну использования. Двигатели на такой паре используют советские и российские РД-107 и РД-108 на ракетах семейства Р-7 («Восток», «Молния», «Восход», «Союз»). Говоря о том, что эта система очень надежна надо понимать, что за 59 лет использования в разнообразных миссиях по запуску как пилотируемых, так и дистанционно управляемых аппаратов, было совершенно около 1500 запусков с 97% успеха. Такого процента не достигло ни одно семейство ракет.
2 Жидкий водород + жидкий кислород. Удельный импульс – 311-339 с
На сегодняшний день основным оператором такой системы является НАСА и Европейское космическое агентство, двигателями советского производства РД-180, двигателями европейского производства «Вулкан-2», а также американскими RS-68. Такая пара обеспечивает наибольший удельный импульс среди используемых систем. Но в тоже время его сложность в содержании и поддержании определённой температуры на протяжении полета, означают высокую стоимость запуска. Большую эффективную показывают в условиях вакуума, следовательно, целесообразно использования во вторых и третьих ступенях.
3 Несимметри́чный диметилгидрази́н + тетраоксид диазота. Удельный импульс – 288-316 с
Отличительные особенность этой пары — это возможность длительного хранения ракет в заправленном виде при нормальных температурах, а значит самым рациональным использованием является питание ядерных ракет средней и межконтинентальной дальности. Так как ядерное оружие должно быть в строю длительное время без серьёзного обслуживания и дозаправки. Но есть и минусы у этой системы: токсичность, канцерогенность, вероятность взрыва НДМГ в присутствии окислителя, а также НДМГ заметно дороже керосина. Также используется в российских ракетах «Протон» и «Протон-М»
Все эти системы помогли Человеку покорить орбиту Земли, но чтобы идти дальше нужны новые технологии почти фантастические. Начнем мы с более отработанных на практике.
1 Ионный двигатель. Эта система используется и модернизируется уже с 1964 г. В основе лежит создание реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле. В качестве рабочего тела использует ионизированный инертный газ (аргон, ксенон и т. п.) и электричество. В вакууме удельный импульс достигает 4000 с, однако тяга такого двигателя крайне мала и где обычный ракетный двигатель справился бы за пару секунд, ионному надо месяцы. Таким образом это идеальный выбор для малы спутников которым надо достичь высокой орбиты или дальних небесных тел в нашей солнечной системе. Еще используемый в качестве топлива ксенон очень дорог, что содвигает на поиски более дешевого аналога.
2 Ядерный двигатель. Этот двигатель испытывался только в лабораториях и не видел практического применения, однако результаты исследований показывают перспективность данного типа двигателей из-за высокого удельного импульса (порядка 800с) и большей по сравнению с ионным двигателем тягой. Еще один плюс такой системы — это необходимость только одного вида рабочего тела – водорода. Но все же трудности эксплуатации присутствуют, например, для работы двигателя водород разогревается в ядерном реакторе, что приводит к экранированию от радиационного излучения, а, следовательно, большей массе. Но из-за ядерного реактора на борту можно не беспокоится о электричестве.
3 Проект «Орио́н» — проект пилотируемого ядерно-импульсного космического корабля («взрыволёт») для исследования межпланетного и межзвёздного пространства. В основу его работы положено использование энергии ядерного взрыва. Из космического аппарата, в направлении, противоположном полёту, выбрасывается ядерный заряд небольшого эквивалента и подрывается на сравнительно малой дистанции от корабля (до 100 м). Заряд сконструирован таким образом, чтобы бо́льшая часть продуктов взрыва в виде расширяющегося плазменного фронта, движущегося с релятивистскими скоростями, была направлена в хвост космического корабля: где массивная отражающая плита принимает на себя импульс и передает его кораблю через систему амортизаторов (или без них — для беспилотных версий). Проект «Орион» закрыт в 1965 году и в настоящий момент не только не разрабатывается, но и не рассматривается в качестве потенциального направления создания двигателей для космических аппаратов, связанно это с запретом на использование ядерного оружия в космосе.
4 «Солнечный парус» — проект приспособление, использующее давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата. С этой системой лететь к другим звездам можно без топлива как такового, но возникает проблема с использованием солнечного света. Так как давление солнечного света уменьшается пропорционально квадрату расстояния от звезды. Однако солнечный парус может действовать в течение почти неограниченного периода времени поэтому в некоторых случаях его использование может быть привлекательно, в том числе запуск исследовательских зондов к другим звездам.
5 Межзвёздный прямоточный двигатель Бассарда – имеет другой принцип использования топлива, вместо того чтобы нести всё топливо с собой. Предлагается брать его из межзвёздного пространства воронкой огромных размеров, как реактивные самолеты забирают из воздуха кислород для своих двигателей. Однако хоть в межзвёздном пространстве водород самый распространенный газ, число его атомов приблизительно в тысячу раз больше атомов всех остальных элементов, вместе взятых, его все равно ничтожно. Возможна установка генератора электромагнитного в центре воронки, для большего числа пойманного водорода. Но у этой системы существует еще одно ограничение – это ограничение по скорости, связанное с тем, что при улавливании каждого атома водорода корабль теряет определённый импульс, который удастся компенсировать тягой двигателя только если скорость не превышает некоторого предела. Для преодоления этого ограничения необходимо как можно более полное использование кинетической энергии улавливаемых атомов, что представляется достаточно трудной задачей.
6 Фотонный двигатель. Скорость движения обычных ракет существенным образом зависит от скорости истечения рабочего тела. Ни химические, ни ядерные реакции, известные в настоящее время, не позволяют достичь скоростей истечения, достаточных для разгона космического судна до околосветовой скорости. В качестве одного из вариантов решения проблемы предлагается использование в качестве рабочего вещества ракеты элементарные частицы, движущиеся со световой или околосветовой скоростью. Для получения таких частиц можно использовать аннигиляцию материи и антиматерии. Например, взаимодействие электронов и позитронов порождает гамма-излучение, которое используется для создания реактивной тяги. К плюсам данной системы относится КПД равный 100%, то есть превращение материи в энергию целиком и полностью. Однако основными проблемами при создании аннигиляционных ракет с подобными двигателями являются получение нужного количества антивещества, а также его хранение. По состоянию на май 2011 года рекордное время хранения атомов антиводорода составило 1000 секунд (~16,5 минут). По оценкам НАСА 2006 года, производство миллиграмма позитронов стоило примерно 25 миллионов долларов США. По оценке 1999 года, один грамм антиводорода стоил бы 62,5 триллиона долларов.
Таким образом хочется повести итог, никакие технологические преграды не остановят целеустремленность человека. Атмосфера, орбита, Луна и все это только начало. И посмотрев назад надо видеть тысячи гениев и выдающихся умов служащих одной цели: ответить на вопрос «что там «наверху»?»
freedocs.xyz
Обзор перспективных космических двигателей :: Идеи :: Проект Освоения Космоса
Обзор перспективных космических двигателей
По материалам http://www.2000-online.ru/
- Я заметил, что космические корабли, запущенные на просторы вселенной писателями-фантастами в последние десятилетия, чаще всего используют для полетов силу "солнечного ветра", ионов или антигравитации. Это что, действительно наиболее перспективные концепции двигателей будущих космолетов? Если да, то когда можно ждать первые рабочие образцы?
- Трудно сказать, какие двигатели окажутся наиболее перспективными в будущем, но сегодня ученые различных стран работают над различными принципиальными схемами. В том числе и над теми, которые используют писатели-фантасты.
Хотя ионный двигатель сегодня уже пересек границу, отделяющую научную фантастику от науки, он пока остается средством передвижения для очень терпеливого космического путешественника.
Принципиальная конструкция такого двигателя была реализована в первой рабочей модели, созданной в Льюисовском (позднее переименованном в Гленновский) исследовательском центре американского космического агентства НАСА еще в далеком 1959 году. Суть ее в том, что электроны выстреливаются в камеру, заполненную газом ксеноном, из атомов которого они, в свою очередь, выбивают электроны. Ксенон при этом приобретает положительный электрический заряд. Наэлектризованная металлическая сетка на одном конце камеры ускоряет заряженные атомы ксенона, и они вылетают через решетку со скоростью больше ста километров в час.
Импульс движения, который несут тяжелые атомы ксенона, толкает двигатель в противоположном направлении точно так же, как это делают стартовые ускорители, выводящие сегодня космический корабль на орбиту.
Есть только маленькое "но". Ионная тяга такова, что едва сможет прогнуть лист бумаги, который вы держите в руке.
И что, такая сила способна вывести космический корабль к внешним границам Солнечной системы? Способна. Надо только дать космическому кораблю хорошо разогнаться. Как считают, например, в Лаборатории реактивных двигателей НАСА, ионному двигателю для разгона потребуется год или два. И как только корабль с ионным двигателем достигнет крейсерской скорости, тяга такого двигателя в десять раз превысит тягу обычного ракетного двигателя - при таком же количестве топлива.
Однако разработка надежного ионного двигателя продвигается с трудом. Первый научный корабль, приводимый в движение ионным электростатическим микроракетным двигателем - "Глубокий космос-1", - был запущен американцами только в октябре 1998 года. Он доставил небольшой научный груз к астероиду Брэйль.
Уже этим летом, после шести недель, потраченных на разгон, ионный двигатель увеличил скорость корабля "Глубокий космос-1" на триста километров в час. Этой скорости, конечно, недостаточно, чтобы обогнать, скажем, современную боевую ракету, но все же, как считают специалисты, ионные двигатели - это пока лучшее из того, что есть, что может помочь людям слетать за пределы Солнечной системы. Те же эксперты НАСА считают, что ионный двигатель "поможет нам добираться до других планет гораздо быстрее", чем это было возможно раньше.
Что касается использования "солнечного ветра", то и он может в будущем помочь космическим путешественникам. Правда, для этого им понадобится, как и на Земле, специальный парус. Причем огромный и, естественно, не из ткани. Потребуется либо парус шириной около двадцати километров, сделанный из материала на основе углеводородных полимеров, либо парус, "сшитый" из магнитного поля.
"Космическим ветром" называют постоянный поток ионизированных частиц, непрерывно излучаемый Солнцем и расходящийся по всей Солнечной системе.
Менеджеры проекта программы "Технология космического паруса", разрабатываемой все в той же Лаборатории реактивного движения НАСА, надеются, что полновесный научный полет с использованием космических парусов может быть осуществлен уже в 2010 году.
В России тоже пытаются шить такие паруса. В начале этого года космонавты на нашей станции "Мир" пытались развернуть "космическое знамя", но, правда, потерпели неудачу. А ведь настоящий "космический парус", приводящий в движение космический корабль, будет намного больше по площади.
Альтернативой механическому парусу может стать магнитное поле. В этом году НАСА выделило полмиллиона долларов физику Роберту Вингли из Вашингтонского университета на разработку системы двигателя на магнитосферной плазме (M2P2). Размером с консервную, банку двигатель M2P2 генерирует небольшое магнитное поле и наполняет его ионизированными частицами. Частицы выдуваются из "банки", перенося магнитное поле и наполняя магнитный "воздушный шар" диаметром около тридцати километров, который отклоняет ионы "солнечного ветра" точно так же, как парус.
И наконец, полет с использованием силы аннигиляции. И этот фантастический двигатель с научной точки зрения вполне реален.
Антивещество существует как точное зеркальное отображение обычного вещества. Позитрон, например, имеет такую же массу, как электрон, только заряжен положительно. Когда позитрон и электрон сталкиваются, они уничтожают друг друга, а их масса превращается в высокоэнергетические гамма-лучи - потенциальный источник энергии, которую можно использовать в космических двигателях.
К сожалению, если с физической точки зрения космический полет на корабле с таким двигателем и возможен, то с технической и экономической точек зрения говорить о его реальной перспективе пока рано.
Сильное гамма-излучение смертельно для человека, а возможные защитные экраны космического корабля весили бы, при современном техническом уровне, столько, что преимущества использования антивещества для движения такого сверхтяжелого корабля сошли бы на нет.
Кроме того, как подсчитали американцы, миллиграмм антивещества обойдется ни много ни мало - в сто миллиардов долларов!
kuasar.ru
Космические двигатели будущего
Современные ракетные двигатели неплохо справляются с задачей выведения техники на орбиту, но совершенно непригодны для длительных космических путешествий. Поэтому уже не первый десяток лет ученые работают над созданием альтернативных космических двигателей, которые могли бы разгонять корабли до рекордных скоростей.
Давайте рассмотрим семь основных идей из этой области.
EmDrive
Чтобы двигаться, надо от чего-то оттолкнуться – это правило считается одним из незыблемых столпов физики и космонавтики. От чего конкретно отталкиваться – от земли, воды, воздуха или реактивной струи газа, как в случае ракетных двигателей, – не так важно.
Хорошо известен мысленный эксперимент: представьте, что космонавт вышел в открытый космос, но трос, связывающий его с кораблем, неожиданно порвался и человек начинает медленно улетать прочь. Все, что у него есть, – это ящик с инструментами. Каковы его действия? Правильный ответ: ему нужно кидать инструменты в сторону от корабля. Согласно закону сохранения импульса, человека отбросит от инструмента ровно с той же силой, с какой и инструмент от человека, поэтому он постепенно будет перемещаться по направлению к кораблю. Это и есть реактивная тяга – единственный возможный способ двигаться в пустом космическом пространстве. Правда, EmDrive, как показывают эксперименты, имеет некоторые шансы это незыблемое утверждение опровергнуть.
Создатель этого двигателя – британский инженер Роджер Шаер, основавший собственную компанию Satellite Propulsion Research в 2001 году. Конструкция EmDrive весьма экстравагантна и представляет собой по форме металлическое ведро, запаянное с обоих концов. Внутри этого ведра расположен магнетрон, излучающий электромагнитные волны, – такой же, как в обычной микроволновке. И его оказывается достаточно, чтобы создавать очень маленькую, но вполне заметную тягу.
Сам автор объясняет работу своего двигателя через разность давления электромагнитного излучения в разных концах "ведра" – в узком конце оно меньше, чем в широком. Благодаря этому создается тяга, направленная в сторону узкого конца. Возможность такой работы двигателя не раз оспаривалась, но во всех экспериментах установка Шаера показывает наличие тяги в предполагаемом направлении.
В числе экспериментаторов, опробовавших "ведро" Шаера, такие организации, как NASA, Технический университет Дрездена и Китайская академия наук. Изобретение проверяли в самых разных условиях, в том числе и в вакууме, где оно показало наличие тяги в 20 микроньютонов.
Это очень мало относительно химических реактивных двигателей. Но, учитывая то, что двигатель Шаера может работать сколь угодно долго, так как не нуждается в запасе топлива (работу магнетрона могут обеспечивать солнечные батареи), потенциально он способен разгонять космические корабли до огромных скоростей, измеряемых в процентах от скорости света.
Чтобы полностью доказать работоспособность двигателя, необходимо провести еще множество измерений и избавиться от побочных эффектов, которые могут порождаться, к примеру, внешними магнитными полями. Однако уже выдвигаются и альтернативные возможные объяснения аномальной тяги двигателя Шаера, которая, в общем-то, нарушает привычные законы физики.
К примеру, выдвигаются версии, что двигатель может создавать тягу благодаря взаимодействию с физическим вакуумом, который на квантовом уровне имеет ненулевую энергию и заполнен постоянно рождающимися и исчезающими виртуальными элементарными частицами. Кто в итоге окажется прав – авторы этой теории, сам Шаер или другие скептики, мы узнаем в ближайшем будущем.
Солнечный парус
Как говорилось выше, электромагнитное излучение оказывает давление. Это значит, что теоретически его можно преобразовывать в движение – например, с помощью паруса. Аналогично тому, как корабли прошлых веков ловили в свои паруса ветер, космический корабль будущего ловил бы в свои паруса солнечный или любой другой звездный свет.
Проблема, однако, в том, что давление света крайне мало и уменьшается с увеличением расстояния от источника. Поэтому, чтобы быть эффективным, такой парус должен иметь очень малый вес и очень большую площадь. А это увеличивает риск разрушения всей конструкции при встрече с астероидом или другим объектом.
Попытки строительства и запуска солнечных парусников в космос уже имели место – в 1993 году тестирование солнечного паруса на корабле "Прогресс" провела Россия, а в 2010 году успешные испытания по пути к Венере осуществила Япония. Но еще ни один корабль не использовал парус в качестве основного источника ускорения. Несколько перспективнее в этом отношении выглядит другой проект – электрический парус.
Электрический парус
Солнце излучает не только фотоны, но также и электрически заряженные частицы вещества: электроны, протоны и ионы. Все они формируют так называемый солнечный ветер, ежесекундно уносящий с поверхности светила около одного миллиона тонн вещества.
Солнечный ветер распространяется на миллиарды километров и ответственен за некоторые природные явления на нашей планете: геомагнитные бури и северное сияние. Земля от солнечного ветра защищается с помощью собственного магнитного поля.
Солнечный ветер, как и ветер воздушный, вполне пригоден для путешествий, надо лишь заставить его дуть в паруса. Проект электрического паруса, созданный в 2006 году финским ученым Пеккой Янхуненом, внешне имеет мало общего с солнечным. Этот двигатель состоит из нескольких длинных тонких тросов, похожих на спицы колеса без обода.
Благодаря электронной пушке, излучающей против направления движения, эти тросы приобретают положительный заряженный потенциал. Так как масса электрона примерно в 1800 раз меньше, чем масса протона, то создаваемая электронами тяга не будет играть принципиальной роли. Не важны для такого паруса и электроны солнечного ветра. А вот положительно заряженные частицы – протоны и альфа-излучение – будут отталкиваться от тросов, создавая тем самым реактивную тягу.
Хотя эта тяга будет примерно в 200 раз меньше, чем таковая у солнечного паруса, проект заинтересовал Европейское космическое агентство. Дело в том, что электрический парус гораздо проще сконструировать, произвести, развернуть и эксплуатировать в космосе. Кроме того, с помощью гравитации парус позволяет также путешествовать к источнику звездного ветра, а не только от него. А так как площадь поверхности такого паруса гораздо меньше, чем у солнечного, то для астероидов и космического мусора он уязвим куда меньше. Возможно, первые экспериментальные корабли на электрическом парусе мы увидим уже в следующие несколько лет.
Ионный двигатель
Поток заряженных частиц вещества, то есть ионов, излучают не только звезды. Ионизированный газ можно создать и искусственно. В обычном состоянии частицы газа электрически нейтральны, но, когда его атомы или молекулы теряют электроны, они превращаются в ионы. В общей своей массе такой газ все еще не имеет электрического заряда, но его отдельные частицы становятся заряженными, а значит, могут двигаться в магнитном поле.
В ионном двигателе инертный газ (обычно используется ксенон) ионизируется с помощью потока высокоэнергетических электронов. Они выбивают электроны из атомов, и те приобретают положительный заряд. Далее получившиеся ионы ускоряются в электростатическом поле до скоростей порядка 200 км/с, что в 50 раз больше, чем скорость истекания газа из химических реактивных двигателей. Тем не менее современные ионные двигатели обладают очень маленькой тягой – около 50–100 миллиньютонов. Такой двигатель не смог бы даже сдвинуться со стола. Но у него есть серьезный плюс.
Большой удельный импульс позволяет значительно сократить расходы топлива в двигателе. Для ионизации газа используется энергия, полученная от солнечных батарей, поэтому ионный двигатель способен работать очень долго – до трех лет без перерыва. За такой срок он успеет разогнать космический аппарат до скоростей, которые химическим двигателям и не снились.
Ионные двигатели уже не раз бороздили просторы Солнечной системы в составе различных миссий, но обычно в качестве вспомогательных, а не основных. Сегодня как о возможной альтернативе ионным двигателям все чаще говорят про двигатели плазменные.
Плазменный двигатель
Если степень ионизации атомов становится высокой (порядка 99%), то такое агрегатное состояние вещества называется плазмой. Достичь состояния плазмы можно лишь при высоких температурах, поэтому в плазменных двигателях ионизированный газ разогревается до нескольких миллионов градусов. Разогрев осуществляется с помощью внешнего источника энергии – солнечных батарей или, что более реально, небольшого ядерного реактора.
Горячая плазма затем выбрасывается через сопло ракеты, создавая тягу в десятки раз большую, чем в ионном двигателе. Одним из примеров плазменного двигателя является проект VASIMR, который развивается еще с 70-х годов прошлого века. В отличие от ионных двигателей, плазменные в космосе еще испытаны не были, но с ними связывают большие надежды. Именно плазменный двигатель VASIMR является одним из основных кандидатов для пилотируемых полетов на Марс.
Термоядерный двигатель
Укротить энергию термоядерного синтеза люди пытаются с середины ХХ века, но пока что сделать это так и не удалось. Тем не менее управляемый термоядерный синтез все равно очень привлекателен, ведь это источник громадной энергии, получаемой из весьма дешевого топлива – изотопов гелия и водорода.
В настоящий момент существует несколько проектов конструкции реактивного двигателя на энергии термоядерного синтеза. Самой перспективной из них считается модель на основе реактора с магнитным удержанием плазмы. Термоядерный реактор в таком двигателе будет представлять собой негерметичную цилиндрическую камеру размером 100–300 метров в длину и 1–3 метра в диаметре. В камеру должно подаваться топливо в виде высокотемпературной плазмы, которая при достаточном давлении вступает в реакцию ядерного синтеза. Располагающиеся вокруг камеры катушки магнитной системы должны удерживать эту плазму от контакта с оборудованием.
Зона термоядерной реакции располагается вдоль оси такого цилиндра. С помощью магнитных полей экстремально горячая плазма проистекает через сопло реактора, создавая огромную тягу, во много раз большую, чем у химических двигателей.
Двигатель на антиматерии
Все окружающее нас вещество состоит из фермионов – элементарных частиц с полуцелым спином. Это, к примеру, кварки, из которых состоят протоны и нейтроны в атомных ядрах, а также электроны. При этом у каждого фермиона есть своя античастица. Для электрона таковой выступает позитрон, для кварка – антикварк.
Античастицы имеют ту же массу и тот же спин, что и их обычные "товарищи", отличаясь знаком всех остальных квантовых параметров. Теоретически античастицы способны составлять антивещество, но до сих пор нигде во Вселенной антивещество зарегистрировано не было. Для фундаментальной науки является большим вопросом, почему его нет.
Но в лабораторных условиях можно получить некоторое количество антивещества. К примеру, недавно был проведен эксперимент по сравнению свойств протонов и антипротонов, которые хранились в магнитной ловушке.
При встрече антивещества и обычного вещества происходит процесс взаимной аннигиляции, сопровождаемый выплеском колоссальной энергии. Так, если взять по килограмму вещества и антивещества, то количество выделенной при их встрече энергии будет сопоставимо со взрывом "Царь-бомбы" – самой мощной водородной бомбы в истории человечества.
Причем значительная часть энергии при этом выделится в виде фотонов электромагнитного излучения. Соответственно, возникает желание использовать эту энергию для космических перемещений путем создания фотонного двигателя, похожего на солнечный парус, только в данном случае свет будет генерироваться внутренним источником.
Но чтобы эффективно использовать излучение в реактивном двигателе, необходимо решить задачу создания "зеркала", которое было бы способно эти фотоны отразить. Ведь кораблю каким-то образом надо оттолкнуться, чтобы создать тягу.
Никакой современный материал попросту не выдержит рожденного в случае подобного взрыва излучения и моментально испарится. В своих фантастических романах братья Стругацкие решили эту проблему путем создания "абсолютного отражателя". В реальной жизни ничего подобного пока сделать не удалось. Эта задача, как и вопросы создания большого количества антивещества и его длительного хранения, – дело физики будущего.
Источник
Понравился наш сайт? Присоединяйтесь или подпишитесь (на почту будут приходить уведомления о новых темах) на наш канал в МирТесен!
7lostworlds.ru
Какие двигатели человечество использует для полётов в дальний космос
Самый мощный холодильник в мире
Алан Бонд со своей командой столкнулся с теми же проблемами, что и его предшественники: среди всего множества существующих типов воздушно-реактивных двигателей нет универсала, каждый из них отличается разной эффективностью, каждый хорош в своем диапазоне скоростей, обладает своего рода узкой специализацией. Турбореактивный двигатель отлично работает в диапазоне от 0 до 3 М, но разгон с его помощью до больших скоростей затруднителен: воздух при торможении в воздухозаборнике нагревается так сильно, что дальнейшее сжатие его компрессором приводит к росту температуры до величин, выходящих за пределы термостойкости материалов камеры сгорания и турбины. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель и гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (последний отличается сверхзвуковым течением в камере сгорания) отлично работают на больших скоростях (Х-43А достиг 10 М), однако не работают на малых. Турборакетные двигатели обладают низким удельным импульсом и тяговооруженностью (они тяжелы для той тяги, что создают). В свое время большие надежды возлагали на двигатель со сжижением кислорода (LACE, Liquid Air Cycle Engine), в котором криогенное топливо идет через теплообменник, забирая тепло у набегающего потока до температуры сжижения воздуха, далее через сепаратор, где кислород отделяется от азота и подается в камеру сгорания. Однако такой двигатель тяжел, конструктивно сложен (прощай, надежность) и имеет повышенный расход топлива (водорода на охлаждение тратится больше, чем можно сжечь в камере сгорания с полученным жидким кислородом, а это потери удельного импульса). Впрочем, от LACE Алан Бонд решил позаимствовать идею охлаждать воздушный поток в теплообменнике.
Одна из самых сложных и важных деталей SABRE — криогенный теплообменник. Он должен практически мгновенно охлаждать входящий воздух, который нагревается при сжатии до 1000 ˚C, до температуры порядка -140 ˚C. До сих пор это никому не удавалось.
В итоге инженеры пришли к необходимости комбинированной силовой установки из разных двигателей, в которой каждый работает на своем участке (например, для старта используется турбореактивный, для высокоскоростного разгона — прямоточный, для внеатмосферного полета — ракетный). Ракетный двигатель — необходимый компонент коктейля, остальные по вкусу, в разных комбинациях. Однако это порождает определенные проблемы: на всех режимах полета нужно везти мертвый груз в виде двигателя для другого участка траектории, растет аэродинамическое сопротивление из-за сопел неработающих двигателей. Альтернатива — гибридная силовая установка, которая сочетает в себе качества (и агрегаты) всех типов двигателя. Сопло ведь нужно всем? Так зачем тащить несколько, используем одно для всех. Воздухозаборник нужен всем, кроме ракетного? Используем один, а потом закроем заподлицо, чтобы сопротивления не создавал. В этом направлении и двигалась мировая конструкторская мысль (даже силовая установка самолета SR-71 Blackbird — гибрид турбореактивного и прямоточного двигателей, некоторые зенитные ракеты используют ракетно-прямоточный).
Очень быстрый гибрид
Двигатель компании Reaction Engines — SABRE — вполне подходит на роль ключевой технологии, с помощью которой можно разрубить гордиев узел противоречий и реализовать одноступенчатый воздушно-космический аппарат. Этот гибрид сочетает в себе качества турбореактивного (хотя турбину компрессора крутят не выхлопные газы, а горячий гелий в замкнутом цикле), прямоточного и ракетного двигателей и работает с достаточной эффективностью на всех участках траектории, от взлетной полосы до орбиты. Расчеты Reaction Engines показывают, что в случае применения ЖРД общий вес корабля и полезной нагрузки должен составлять 13% от стартового веса для вывода полезной нагрузки 15 т на низкую опорную орбиту. Двигатель SABRE позволяет при тех же условиях довести вес корабля с полезной нагрузкой до 22% - цифра вполне достижимая при современном уровне технологий.
Революционный двигатель SABRE разрабатывается Reaction Engines при поддержке BAE Systems. Ожидается, что он сможет поднять самолет в воздух и разогнать его до 5 М, после чего перейдет в реактивный режим работы — для скоростей до 25 М.
SABRE, как и его предшественник RB545, — гибридный воздушно-реактивный двигатель с предохлаждением потока. Здесь, как и в LACE, за воздухозаборником стоит криогенный теплообменник, однако входящий поток не сжижается, всего лишь охлаждаясь до низких температур. Далее воздух с температурой порядка -140 °С (до этого он нагрелся при торможении свыше 1000 °С) поступает в простой турбокомпрессор из легких сплавов (низкая температура воздушного потока позволила облегчить его на три четверти по сравнению с компрессором турбореактивного двигателя), сжимающий газы до давления камеры сгорания, в которой газообразный воздух смешивается с жидким водородом. При выходе из плотных слоев атмосферы воздухозаборник запирается створками, а камера сгорания питается жидким кислородом из внутренних баков. Поскольку расход водорода на охлаждение больше, чем окислителя в полученном воздухе, избыток (2/3 потока, прошедшего теплообменник) дожигается во втором контуре, смешиваясь с той частью воздуха, которая не поступила в теплообменник.
Однако принципиальная схема по сравнению с RB545 несколько изменилась: добавилась промежуточная петля с жидким гелием — теперь водород охлаждает гелий, а гелий уже отбирает тепло у воздуха и, нагревшись, крутит турбину компрессора и насосов, после чего поступает на повторное охлаждение. Это позволило избежать проблем водородной хрупкости в температурно-напряженном теплообменнике воздухозаборника. Компоновка космического аппарата тоже изменилась: тонкое веретено корпуса оснащено треугольным крылом со слегка искривленными мотогондолами на его концах.
| Первый полет самолета братьев Райт, оснащенного двигателем |
| Появление одного из самых массовых транспортных самолетов в истории, Douglas DC-3 |
| Начало коммерческой эксплуатации реактивного пассажирского авиалайнера de Havilland Comet |
| Запуск первого в мире коммерческого спутника Telstar 1 |
| Турбореактивные двухконтурные двигатели делают Boeing 747 первым дальнемагистральным широкофюзеляжным пассажирским самолетом |
| Начало полетов кораблей Space Shuttle |
| Начало разработки SABRE |
| Успешное решение проблемы обледенения воздухозаборника |
| Успешные испытания теплообменника для системы предварительного охлаждения |
| Британское правительство направляет на поддержку проекта 50 млн фунтов стерлингов |
| BAE Systems инвестирует в Reaction Engines 20 млн фунтов для создания и испытаний прототипа |
Запарились
История создания SABRE — это прежде всего история разработки и совершенствования теплообменника, поскольку все завязано на его характеристики. Он должен извлечь из воздуха до 400 МВт тепла, при этом иметь минимальный вес, малые габариты, малое гидравлическое сопротивление (чтобы обеспечить заданный расход хладагента без установки тяжелых насосов), работать в условиях громадного перепада температур и давлений, сохранив целостность на протяжении всего жизненного цикла аппарата, и быть технологичным в изготовлении. По словам Алана Бонда, современные промышленные теплообменники такой мощности имеют вес в 30 раз больше, чем допустимо для применения на борту одноступенчатого космического аппарата (18 т против 600 кг, заложенных в конструкцию SABRE). Ответ, как часто бывает, подсказала природа. Жабры рыб имеют разветвленную систему капилляров, в которых более тонкая сеть трубочек вливается в толстые сосуды. Это оказалось именно тем решением, которое позволяет снизить сопротивление току жидкости при достаточной площади теплообмена. Существующие теплообменники, как правило, имеют набор трубок равного диаметра, в новой же конструкции применяются изогнутые тонкостенные трубки диаметром 0,9 мм с толщиной стенок 30 нм из сплава Inсonel 718, которые соединяют основные трубопроводы большего диаметра. Для изготовления применяется пайка, а отверстия в основных трубопроводах прожигаются лазером. Был изготовлен опытный образец теплообменника, который поместили перед установленным на стенде реактивным двигателем Rolls-Royce Viper. Инженеры провели цикл наземных испытаний, в которых модуль прошел 200 рабочих циклов по 5 минут каждый — больше, чем за планируемый жизненный цикл аппарата Skylon.
Схема SKYLON 1. Керамический обтекатель; 2. Носовые стабилизаторы; 3. Бак с жидким кислородом; 4. Бак с жидким водородом; 5. Грузовой отсек; 6. Блок управления; 7. Воздухозаборник; 8. Теплообменник; 9. Двигатель SABRE; 10. Орбитальные маневровые двигатели.
При охлаждении воздуха до -140 °С неизбежно возникает проблема обледенения: весь пар (а при этой температуре уже не только пар, но и углекислый газ), который содержался в окружающем воздухе, превращается в лед. При первом пробном запуске теплообменник за считаные секунды покрылся сплошной коркой льда, который полностью забил все каналы для воздуха. По заявлению Reaction Engines, в настоящее время проблема решена, однако компания избегает даже малейших намеков на то, каким образом это удалось, ссылаясь на коммерческую тайну. Некоторое представление можно получить, посмотрев, как с обледенением справлялись в проекте RB545. Охлаждение потока там проводилось в две стадии: первый теплообменник охлаждал воздух до +10 °С, превращая почти весь пар в туман, а затем впрыск жидкого кислорода моментально снижал температуру потока до -50 °С. Вся оставшаяся влага (перед этим опционально стоял еще влагоуловитель) моментально превращалась в мелкодисперсные кристаллы льда, не намерзая на трубки теплообменника.
Поскольку двигатель обладает высокой термодинамической эффективностью, разработчики использовали простой и легкий осесимметричный воздухозаборник с двухскачковой системой торможения воздушного потока с повышением его давления до 1,3 бара. Альтернативой был вариант с плоским клином сжатия, представленный на эскизах HOTOL. Он обладает большей эффективностью (большее число косых скачков уплотнения минимизирует потери полного давления на входе), однако при изменении числа Маха необходимо регулировать углы наклона множества поверхностей, чтобы все скачки сошлись в одну точку. Эта механизация с шарнирами и приводами тянет за собой дополнительный вес. В осесимметричном двухскачковом воздухозаборнике задача решается только перемещением конуса взад-вперед.
www.popmech.ru
Перспективы развития ядерных двигателей космических кораблей
Сенсационное заявление распространил Роскосмос. С 2010 года Россия начнет исследования в области создания ядерных энергетических установок для космических кораблей. Об этом сообщил сегодня журналистам глава Роскосмоса Анатолий Перминов. Цитата:»Ядерные энергетические установки для космических кораблей — это очень хорошее направление. Такие двигатели нужно создавать, если например лететь к Марсу и другим планетам. Россия начнет с 2010 года научные исследования в этом направлении«, — сказал он.
ГОРКИ, 12 апр. Президент России Дмитрий Медведев заявил, что работу над новым проектом исследовательского центра имени М.В.Келдыша по созданию космического транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки надо продолжить.
Глава государства в День космонавтики провел сеанс связи с экипажем МКС и встретился с руководителями космической отрасли. После беседы с российскими и иностранными космонавтами, работающими на МКС, директор исследовательского центра имени Келдыша Анатолий Коротеев доложил президенту о новой разработке центра.
«Речь идет о том, чтобы вернуть ядерную энергию в космос, с тем, чтобы получить более эффективное и принципиально новое транспортное средство«, — сказал Коротеев.
По его словам, новый двигатель станет намного эффективнее и экомичнее нынешних.
«Есть предел возможностей энергии, с помощью которой мы сегодня передвигаемся в космосе. Ядерная энергия даст возможность этот предел снять или, по крайней мере, отодвинуть его примерно раз в 30, подняв эффективность двигателя«, — заявил директор центра.
Проект позволит создать новые космические средства передвижения — транспортно-энергетический модуль на основе ядерной энергодвигательной установки, с уровнем энергообеспечения более чем в 30 раз выше и при этом более чем в десять раз экономнее по расходу топлива.
«В проект закладываются технические решения, позволяющие создать электроракетные буксиры, энергетические и баллистические характеристики которых обеспечат выполнение всего спектра космических задач 21-го века в дальнем космосе», — сказал Коротеев.
Разработчики уверены, что создание принципиально нового транспортно-энергетического средства в космосе обеспечит лидирующую роль России в перспективных масштабных международных проектах по исследованию и освоению космического пространства.
Реализация проекта, как считают ученые, позволит наладить производство в космосе в условиях глубокого вакуума таких материалов, которые невозможно получить в земных условиях, в частности, наноструктур с ультравысокими свойствами. Ученые рассчитывают и на возможность, благодаря этому проекту, выйти на создание систем энергоснабжения Земли из космоса.
Помимо этого, разработка дает возможность бороться с опасностью от астероидов и комет, а также очищать околоземную орбиту от космического мусора.
Сроки проекта «достаточно реалистичные», заявил Коротеев.
«Дух захватывает, что называется. Это будет реально новый этап в космических полетах», — заявил президент России.
«Конечно, нужно еще все это создать, но, безусловно, это способно вдохновить любого человека на то, чтобы помечтать о том, какие перспективы открывают такого рода двигатели», — сказал Медведев.
Президент заявил, что космос является одним из приоритетов государства. «Сворачивать здесь мы никуда не будем», — сказал он.
www.gradremstroy.ru
