Плазменные двигатели: Плазменные ракетные двигатели: прошлое, настоящее и будущее

Изготовление плазменных двигателей в России / Хабр

Гигантские звездолеты с призрачно светящимися двигателями стали одним из постоянных атрибутов космической фантастики. В то же время плазменные двигатели уже полвека успешно используются в настоящей космонавтике, и российские разработчики являются одними из мировых лидеров. Мне удалось посетить калининградское предприятие «ОКБ Факел» и увидеть, как создаются стационарные плазменные двигатели.

Стационарный плазменный двигатель (СПД) — это одна из разновидностей электроракетного двигателя, где электрическая энергия используется для ионизации газа и придания полученной плазме высокой скорости истечения из «сопла».

У такого двигателя нет топлива в привычном понимании, т.е. горючего и окислителя, необходимого для химической реакции с выделением тепла. СПД подходит практически любой газ, но лучше использовать химически неактивные и с высокой атомной массой, вроде аргона или ксенона. Плазменные двигатели обеспечивают очень высокую скорость выбрасываемой струи газа, например, для ксенона это около 30 км/с. Для сравнения, скорость выброса газа у одного из самых эффективных химических ракетных двигателей — кислород-водородного — около 4,5 км/с. Преимуществом химических двигателей является способность выбрасывать сразу много газа, что дает большую тягу. СПД же требует мощного источника электрической энергии, и даже с ним способен выбрасывать лишь незначительную массу газа за момент времени, то есть имеет очень малую тягу и требует много времени на разгон и торможение. Плазменные двигатели применяются только в космосе: оснащенные ими космические аппараты имеют относительно малый запас рабочего тела и большой размах солнечных батарей.

О возможностях использования электроракетных двигателей задумывались еще в начале XX века, но к первым испытаниям в космосе перешли только в 60-е годы. В 1972 году в системе ориентации советского спутника «Метеор» использовались два электроракетных двигателя: ионный и стационарный плазменный. СПД показал себя лучше, и советские специалисты сконцентрировались на этой разновидности. В создании экспериментальных образцов принимали участие специалисты «ОКБ Факел», и с того времени предприятие стало специализироваться на производстве двигателей такого типа, развивать и совершенствовать технологию.

В начале XXI века калининградский СПД-100 прошел успешные испытания на лунном спутнике Европейского космического агентства Smart-1.

После успешного полета к Луне европейские производители коммерческих геостационарных спутников стали закупать российские двигатели и создавать новые поколения спутников. Ранее на спутниках-ретрансляторах использовались химические двигатели на токсичном гидразине. Применение российских СПД открыло возможность создания т.н. «полностью электрических спутников», на которых уже не было химической тяги.

Калининградские СПД имеют довольно небольшой размер, но цикл их производства всё же требует немалых производственных площадей.

Разработчики «ОКБ Факел» активно сотрудничают с европейскими производителями и даже помогали французам сделать свой двигатель. Однако на предприятии строжайшие нормы безопасности. Фотосъемка на экскурсии была запрещена сотрудниками службы безопасности, а кадры использованные в репортаже, сняли позже сотрудники пресс-службы по моей просьбе.

На «ОКБ Факел» наглядно видна преемственность поколений.

Молодые работают рядом с опытными специалистами.

Кульманы давно заменены на САПР «Компас-3D» для разработки трехмерных моделей и выпуска конструкторской документации.

Цех механической обработки открывается современными станками ЧПУ.

— В некоторых случаях у нас токари пишут программы сами, — говорит генеральный конструктор предприятия Евгений Космодемьянский. И я понимаю, что пришло время выбросить свое удостоверение токаря второго разряда.

Однако в глубине зала работа идет на универсальных станках, где роль ручного труда сохраняет значение, и мои надежды на космическую карьеру возрождаются.

Необходимый этап создания космического двигателя — испытание. Для проверки СПД требуется смоделировать условия космоса, прежде всего вакуум.

Вакуумные камеры кажутся огромными для таких небольших двигателей. Они пригодны для испытания всей линейки двигателей, которые производят на «ОКБ Факел».

В советские времена здесь разрабатывали самый мощный двигатель в своем классе — СПД-290. Сейчас создается сравнимый по мощности СПД-230.

Своими глазами работу плазменного двигателя увидеть, к сожалению, не удалось, но фото нам предоставили.

Недавно «Роскосмос» показал классное видео с бортовых камер спутника Egyptsat-A, созданного в «РКК Энергия».

На этих кадрах, пожалуй, впервые миру показана работа плазменных двигателей СПД-70 в космосе.

Возможно, моя фраза про мировое лидерство «ОКБ Факел» может показаться излишне пафосной, но практика показывает правоту этих слов. Space System/Loral, Airbus — это одни из самых крупных производителей коммерческих спутников связи в мире, и они берут калининградские СПД. А совсем недавно заключен вероятно самый большой контракт в истории мирового спутникостроения — на несколько сотен модернизированных двигателей СПД-50М.

Когда проходила моя экскурсия сотрудники предприятия не признавались кто заказчик ссылаясь на соглашение о неразглашении. Позже информация попала в СМИ и теперь мы знаем, что это OneWeb. Проект низкоорбитального спутникового интернета предполагает запуск почти тысячи космических аппаратов в течение трех-четырех лет. И на каждом спутнике будет российский плазменный двигатель.

Новый заказ требует перестройки всего производства, ведь надо создавать практически по двигателю в день. Специалистов на работу набирают даже из других городов. Такой нагрузки не было никогда, поэтому под проект OneWeb провели модернизацию с новыми станками ЧПУ и оборудовали новое современное чистое помещение для сборки.

За каждым столом собирается по двигателю.

Готовые изделия запираются в специальном шкафу, где поддерживается определенный режим температуры и влажности.

Работа почти ювелирная и неподготовленным взглядом воспринимается непривычно. Обычно под сборкой космических двигателей понимается что-то более масштабное.

Зато в результате получаются вот такие красавцы.

Финальный этап экскурсии — музей предприятия. Здесь первым делом показывают историческую гордость, «лунный камин» — макет радиоизотопного теплогенератора, который был установлен на советских «Луноход-1» и «Луноход-2» и согревал электронику в холодные лунные ночи.

Разумеется, музейный образец не начинен полонием и не радиоактивен.

Еще одно направление производимых «ОКБ Факел» двигателей для космических аппаратов — термокаталитические. Они требуют химического топлива, но его разложение до газообразных компонентов происходит при помощи металлического катализатора, размещенного внутри двигателя. Для повышения интенсивности реакции катализатор нагревается подобно спирали электроплитки.

Термокаталитические двигатели имеют меньшую эффективность чем плазменные или даже химические двухкомпонентные, зато они позволяют создать более простую топливную систему. Обычно такие двигатели используются для ориентирования космических аппаратов и располагаются в блоках по несколько штук.

Особый интерес вызывает один музейный образец — стационарный плазменный двигатель, прошедший длительные испытания в вакуумной камере. Тысячи часов работы приводят к деградации поверхности двигателя под воздействием плазмы.

Такие испытания позволяют повышать ресурс двигателей. Сейчас СПД обеспечивают гарантированную работу в течение нескольких тысяч часов. И, по словам представителей «ОКБ Факел», этот ресурс многократно подтвержден заказчиками, и новые заказы лучше всего говорят о качестве.

Хотелось бы приурочить эту публикацию к Дню космонавтики, чтобы не на словах, а на примере «ОКБ Факел» показать, что у нас есть космос, надо просто уметь его готовить.

Выражаю признательность пресс-службе и сотрудникам «ОКБ Факел» и компании «Аскон» за большую помощь в подготовке материала.

Плазменный двигатель — Serge.A.Kobzar

Материал из Википедии — свободной энциклопедии В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка стоит на статье с 14 мая 2011. Схематическое устройство плазменного ускорителя Стационарные плазменные двигатели российского производства Плазменный двигатель(плазменный инжектор) (далее ПД) — ракетный двигатель, в котором рабочее тело ускоряется, находясь в состоянии плазмы. Скорости истечения рабочего тела, достижимые в ПД, существенно выше скоростей, предельных для обычных газодинамических (химических или тепловых) двигателей. Увеличение скорости истечения позволяет получать данную тягу при меньшем расходе рабочего тела, что облегчает массу ракетной системы.[1] Существует множество типов плазменных двигателей. В настоящее время наиболее широкое распространение — в качестве двигателей для поддержания точек стояния геостационарных спутников связи — получили СПД (стационарные плазменные двигатели), идея которых была предложена А.  И. Морозовым в 1960-х гг. Первые лётные испытания состоялись в 1968 г. Плазменные двигатели не следует путать с ионными. ПД не предназначен для вывода грузов на орбиту, он может эффективно работать только в вакууме. Содержание 1 Принцип работы 2 История создания 3 См. также 4 Примечания 5 Ссылки Принцип работы Нейтральный газ, обычно водород или азот (аргон), подается в передний отсек и ионизируется. Образующаяся плазма разогревается электромагнитным полем в центральной камере посредством ионного циклотронного резонансного нагрева. В ходе этого процесса радиоволны передают свою энергию плазме, нагревая её, подобно тому, как это происходит в микроволновой печи. После нагревания плазма направляется магнитным полем в последний отсек для создания модулированной тяги. Последний отсек — это магнитное сопло, преобразующее энергию плазмы в скорость истечения струи, обеспечивающее при этом защиту конструкции и эффективный выход плазмы из магнитного поля. История создания В 1955 году Морозов написал статью «О возможности создания плазменных электрореактивных двигателей», но его научный руководитель, прочитав её, дал хороший совет: «Такую статью сразу же засекретят. Лучше изменить название на что-нибудь более нейтральное». В результате в ЖЭТФ (Журнал экспериментальной и теоретической физики) статья вышла под названием «Об ускорении плазмы магнитным полем». Рецензировал её глава отдела плазменных исследований ИАЭ Лев Арцимович. Теория, изложенная в статье Морозова, позднее нашла свое отражение в статье самого Арцимовича о рельсотроне (только у Морозова магнитное поле было постоянное, а у Арцимовича — электродинамическое). Публикация вызвала среди специалистов большой резонанс, её даже дважды обсуждали на заседании Американского физического общества. В 1955 году Морозов защитил диссертацию, а в 1957-м его пригласили на работу в ИАЭ. К концу 1950-х успехи СССР в космосе вдохновили конструкторов замахнуться на несколько крупномасштабных космических проектов. Планировался даже полет к Марсу, и поэтому 2 июля 1959 года Лев Арцимович созвал сотрудников на совещание. Темой обсуждения была возможность построения двигателей для марсианского корабля. Арцимович предложил для такой системы следующие характеристики: тяга около 10 кгс, скорость истечения 100 км/с при мощности двигателя 10 МВт. Сотрудники ИАЭ предложили несколько проектов: плазменный импульсный двигатель (А. М. Андрианов), магнитно-плазменный аналог сопла Лаваля (А. И. Морозов) и двигатель на основе однощелевого источника ионов, практически такого же, какой применялся для электромагнитного разделения изотопов (Павел Матвеевич Морозов, однофамилец Алексея Ивановича). Однако эти проекты не подходили для марсианской программы по одной простой причине: у конструкторов тогда не было источников питания подходящей мощности. Эта проблема актуальна и сейчас: максимум, на который можно рассчитывать, это десятки киловатт. Нужно было переходить к мелкому масштабу. Георгий Гродзовский (ЦАГИ) одним из первых стал конструировать маломощные электроракетные двигатели у нас в стране. Начиная с 1959 года его ионные двигатели испытывались в космосе (правда, не на спутниках, а на баллистических ракетах). В 1957 году М.С. Иоффе и Е.Е. Юшманов начали исследования магнитной (так называемой пробочной) ловушки для плазмы. Для заполнения её горячей плазмой (10 млн градусов) они использовали ускорение ионов в скрещенных электрических и магнитных полях. Эта работа послужила фундаментом для создания ряда плазменных двигателей. В 1962 году Алексей Морозов предложил свою конструкцию плазменного двигателя малой мощности, названного СПД (стационарный плазменный двигатель). Принципиально важной особенностью СПД было то, что величина магнитного поля нарастала к срезу канала двигателя – это обеспечивало создание в плазме объемного электрического поля. Вся идея двигателя была построена именно на существовании такого поля. «Впервые на возможность существования объемных электрических полей в плазме указал в 1910 году Таунсенд, однако на протяжении 50 лет попытки создать такое поле были неудачны. В то время считали, что, поскольку плазма является проводником – поле в ней создать нельзя. На самом деле создать объемное электрическое поле в плазме без магнитного поля действительно нельзя – за счет свободных электронов происходит её экранирование. Но в присутствии магнитного поля, которое влияет на движение электронов, объемные электрические поля в плазме могут существовать. Группа А.И. Морозова начала заниматься СПД в 1962 году. Почти пять лет двигатель существовал в лабораторном варианте – в 1967-м модель еще была оснащена водяным охлаждением. Пора было приступать к летно-космическим испытаниям, но на этом этапе разработчики столкнулись с неожиданной проблемой. Конструкторы космических аппаратов категорически отказывались ставить на борт что-либо электрическое! Директор ИАЭ академик Александров несколько раз встречался с конструкторами различных космических аппаратов, и ему удалось наконец договориться с Иосифьяном, главным конструктором спутников серии «Метеор». Однако проблемы на этом не закончились. В 1969 году Иосифьян выдал группе разработчиков техническое задание, согласно которому они должны были сделать не сам двигатель, а всю установку, включая систему питания, подачи ксенона и т.п. При этом надо было уложиться в очень жесткие рамки: тяга 2 гс, КПД 30–40%, потребляемая мощность 400 Вт, масса 15 кг, ресурс 100 часов. И все это нужно было сделать за 5 месяцев! Группа Морозова работала буквально днем и ночью, но успела. Изготовление же двигательной установки было поручено калининградскому ОКБ «Факел», директором которого был в то время талантливый конструктор Роальд Снарский. Через несколько дней после запуска «Метеора» начались эксперименты с двигателями. «Эол-1» был установлен на спутник таким образом, что ось его тяги не проходила через центр масс аппарата. При включении двигателя возникал некоторый крутящий момент, который можно было компенсировать системой ориентации, при этом она служила еще и измерителем тяги «Эола». За экспериментом внимательно следили не только создатели двигателя, но и скептики, коих было достаточно. «Эол-1» должен был проработать всего несколько минут, потом автоматически выключиться (конструкторы боялись, что струя плазмы заблокирует радиосигнал). Двигатель отработал свое и выключился. После проведения радиоконтроля орбиты оказалось, что результаты в точности соответствуют лабораторным данным. Правда, скептики не угомонились и выдвинули гипотезу, что изменение орбиты вызвано обычным истечением газа через открытый клапан. Но это предположение не подтвердилось: после второго включения по команде с Земли двигатель проработал еще 170 часов, подняв орбиту «Метеора-10» на 15 км. ОКБ «Факел» отлично справилось со своей задачей: ресурс был превышен почти вдвое. В начале 1980-х «Факел» начинает серийно производить двигатели СПД-70 – потомки «Эолов». Первый спутник с этим двигателем, «Гейзер №1», был запущен в 1982-м, а в 1994-м новой моделью СПД-100 оснастили спутник связи «Галс-1». Однако, хотя сообщение об успешном испытании плазменного двигателя «Эол» в 1974 году было совершенно открыто опубликовано в журнале «Космические исследования», зарубежные конструкторы считали СПД лишь интересной теоретической разработкой. Поэтому демонстрация представителям NASA и JPL в 1991 году работающих двигателей «Факела» и сообщение, что подобными оснащены серийные спутники, вызвала у них настоящий шок (американцы в основном пошли по пути разработки ионных двигателей). Неудивительно, что «Факел» сейчас считается в мире ведущим производителем электроракетных плазменных двигателей. «На каждом третьем российском спутнике стоит наш двигатель, а три из пяти крупнейших западных производителей космических аппаратов покупают у нас СПД, – рассказал директор и генеральный конструктор ОКБ «Факел» Вячеслав Михайлович Мурашко. – Ими, например, оснащены спутники MBSat-1, Intelsat-X-02, Inmarsat-4F1». Посылая свой спутник SMART-1 к Луне, Европейское космическое агентство выбрало для него в качестве двигателей плазменные PPS-1350, совместную разработку французской компании Snecma Moteurs, ОКБ «Факел» и МИРЭА. Что же ожидает нас в ближайшем будущем? В 1980-х годах группа в МИРЭА разработала двигатель следующего поколения, СПД Атон. Расходимость плазменного пучка в СПД-100 составляет +/– 45 градусов, КПД – 50%, а соответствующие характеристики СПД Атон +/–15 градусов и 65%! Он пока не востребован, как и другой наш двигатель, двухступенчатый СПД Мах с измененной геометрией поля – конструкторы пока обходятся более простыми СПД-100. Дальний космос требует двигателей с масштабами 10-100 кВт или даже МВт. Подобные разработки уже есть – в 1976 году в ИАЭ сделали двигатель мощностью в 30 кВт, да и «Факел» в конце 1980-х разработал СПД-290 мощностью 25 кВт для космического буксира «Геркулес». В любом случае теория таких двигателей построена, поэтому в рамках классической схемы СПД вполне реально довести мощность до 300 кВт.А вот дальше, возможно, придется перейти к другим конструкциям. Например, к двухлинзовому ускорителю на водороде, разработанному в ИАЭ в конце 1970-х. Эта машина имела мощность 5 МВт и скорость истечения 1000 км/с. В любом случае на межпланетных кораблях будут стоять плазменные двигатели. См. также Электрический ракетный двигатель Ионный двигатель VASIMR Примечания ↑ Большая Советская Энциклопедия, Третье издание БСЭ, 1969—1978 г. Ссылки Дмитрий Мамонтов Потомки повелителя ветров: Вместо сердца — плазменный мотор!  (рус.). Популярная механика (Декабрь 2005). Проверено 22 июля 2010. Lisa Grossman Плазменный мотор: 40 дней до Марса  (рус.). Популярная механика (27.07.09). Проверено 22 июля 2010. Категории: Движители | Физика плазмы | Космонавтика | Ракетные двигатели

НАСА — Импульсные плазменные двигатели

Импульсные плазменные двигатели

Введение
Импульсные плазменные двигатели (ППТ) представляют собой маломощные электрические двигатели с высоким удельным импульсом. Импульсные плазменные двигатели идеально подходят для применения на малых космических кораблях для управления ориентацией, точного управления космическим кораблем и маневров с малой тягой. Абляционные PPT, использующие твердое топливо, обеспечивают преимущества миссии за счет простоты системы и высокого удельного импульса. Эти системы используют естественные свойства плазмы для создания тяги и высоких скоростей при очень низком расходе топлива.

Что такое плазма?

Изображение справа: PPT в работе. Предоставлено: NASA

Ион — это просто атом или молекула, обладающая электрическим зарядом. Ионизация — это процесс электрического заряда атома или молекулы путем добавления или удаления электронов. Ионы могут быть положительными (когда они теряют один или несколько электронов) или отрицательными (когда они приобретают один или несколько электронов). Газ считается ионизированным, когда некоторые или все содержащиеся в нем атомы или молекулы превращаются в ионы. Плазма — это электрически нейтральный газ, в котором все положительные и отрицательные заряды — от нейтральных атомов, отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных ионов — в сумме равны нулю. Плазма существует повсюду в природе; оно обозначается как четвертое состояние вещества (остальные — твердое, жидкое и газообразное). Он обладает некоторыми свойствами газа, но на него влияют электрические и магнитные поля, и он является хорошим проводником электричества. Плазма является строительным блоком для всех типов электрических двигателей, в которых электрические и/или магнитные поля используются для толкания электрически заряженных ионов и электронов для создания тяги. Примерами плазмы, которую можно увидеть каждый день, являются молнии и люминесцентные лампочки.

Операция PPT

PPT содержит два электрода, расположенных близко к источнику топлива. Блок накопления энергии (ЭСУ) или конденсатор, установленный параллельно электродам, заряжается до высокого напряжения от источника питания двигателя. Первым шагом для инициирования импульса PPT является зажигание. Воспламенитель двигателя, установленный близко к ракетному топливу, производит искру, которая позволяет разряду ESU между электродами создавать плазму. Эта плазма называется основным разрядом. Основной разряд абляции и ионизации поверхностной части твердого топлива, создавая плазму топлива. Затем эта плазма выбрасывается из двигателя под действием силы Лоренца. Сила Лоренца — это сила, возникающая при взаимодействии магнитного поля и электрического тока. Когда топливо расходуется, пружина выталкивает оставшееся твердое топливо вперед, обеспечивая постоянный источник топлива.

Электрическая силовая установка

Система ППТ включает в себя источник питания, блок обработки энергии (БЭУ), блок накопления энергии и сам двигатель. Источником питания может быть любой источник электроэнергии. Обычно используются солнечные элементы, поскольку двигатель работает на низких уровнях мощности. PPU преобразует мощность космического корабля для зарядки накопителя энергии PPT. Блок накопления энергии обеспечивает импульсы сильного тока через двигатель для выполнения работы.

Прошлое

Космический корабль «Зонд-2», запущенный Советским Союзом в 1964 году, стал первым использованием ППТ в космосе. В 1968 году США запустили собственную систему РРТ на борту спутника LES-6. Спутники LES-8 и 9 были запущены в 1976 г. и испытали ППТ для маневров по удержанию станции. Космический корабль Transit Improvement Program (TIP) использовал PPT для маневров коррекции сопротивления на TIP II (запущен в 1975 г.) и TIP III (запущен в 1976 г.). ВМС США разработали Военно-морские навигационные спутники (NNS), которые стали первой навигационной спутниковой системой. Три спутника NNS (Nova 1 запущен в 1981, Nova 3, запущенная в 1984 году, и Nova 2, запущенная в 1988 году) использовали PPT для маневров коррекции сопротивления.

В настоящее время

Изображение слева: EO — 1 Импульсный плазменный двигатель для полета на околоземный орбитальный аппарат. Предоставлено: NASA

Космический аппарат Earth Observing 1 (EO-1), запущенный в 2000 году, использует один двухосный PPT для управления осью тангажа и управления импульсом. EO-1 PPT был разработан в Исследовательском центре Гленна НАСА и произведен компанией Primex Aerospace. В Гленне было проведено несколько испытаний двигателя EO-1, чтобы продемонстрировать ресурс, охарактеризовать загрязнение поверхностей космического корабля и проверить его характеристики. PPT EO-1 способен развивать тягу в 860 микроньютонов (0,0002 фунта) и скорость истечения более 13 700 метров в секунду (30 600 миль в час (миль в час)), потребляя при этом всего 70 Вт мощности. Чтобы представить эти цифры в перспективе: сила этого уровня тяги космического корабля такая же, как сила, которую вы почувствовали бы, держа в руке лист бумаги размером 2 на 2 дюйма, и эта скорость истечения в космическом пространстве. среда, лишенная атмосферы, может развивать максимальную скорость почти в два раза больше, чем у космического челнока (18 000 миль в час).

Будущее

Изображение справа: Обзор работы PPT. (1) Накопитель энергии. (2) Воспламенитель. (3) Топливный стержень. (4) Ускорение плазмы Авторы и права: НАСА

Исследования НАСА в области ПТФ сосредоточены на проверке систем и компонентов для космических полетов. В Glenn проводятся испытания компонентов на срок службы в рамках совместных усилий с Unison Industries по продвижению современных технологий в области PPU, накопителей энергии и улучшенных видов топлива. По мере продолжения исследований будут разработаны более эффективные и долговечные PPT. Эти достижения позволят космическим кораблям эффективно выполнять точные маневры и выполнять расширенные миссии.

FS-2004-11-023-GRC

[Версия в формате PDF для печати]

Для получения дополнительной информации
посетите веб-сайт GRC Lorentz Force Accelerators по адресу
http://www.grc.nasa.gov/WWW/lfa

или свяжитесь с Eric Pencil

Eric Pencil
NASA Glenn Research Center
Cleveland, Ohio 44135
Эл. Огайо 44135
216–433–5573

Открытие плазменного двигателя может возвестить о «новой эре космических исследований»

Исследователи говорят, что они, возможно, нашли решение проблемы, которая долгое время препятствовала прогрессу, с помощью новой формы плазменного двигателя, который однажды сможет доставить людей на далекие планеты , и потенциально начать новую эру освоения космоса.

Геликонный двухслойный двигатель (HDLT) представляет собой прототип двигательной установки плазменного двигателя, который работает путем нагнетания газа в трубу с открытым концом, где энергия переменного тока радиочастотного диапазона, создаваемая окружающей ее антенной, электромагнитным образом ионизирует газ. Внутри этой сильно заряженной плазмы низкочастотный электромагнитный 9Геликоновая волна 0070 возбуждается электромагнитным полем антенны, дополнительно нагревая плазму.

Такие двигатели с «магнитным соплом» ускоряют плазму, которую они производят, для создания тяги для космического корабля, представляя собой форму электрического двигателя с несколькими потенциальными применениями в конструкции космического корабля. Однако в то время как потоки плазмы, возникающие естественным образом в магнитных полях, часто высвобождаются или «отделяются» — например, когда корональные выбросы исходят от Солнца — заставить плазму вести себя таким же образом в лаборатории сложнее.

Частично это связано с тем, что силовые линии магнитного поля образуют замкнутые петли, требующие механизма отделения потока плазмы от магнитного сопла для возникновения тяги. Хотя ионы легко отрываются из-за их значительного радиуса гироскопа, этого нельзя сказать о намагниченных электронах, чьи электрические поля захватывают ионы и возвращают их в структуру тяги, тем самым сводя на нет создание какой-либо фактической тяги.

Исследователи из Университета Тохоку и Австралийского национального университета объявили об экспериментальной демонстрации переноса электронов внутрь магнитного сопла в результате возбуждения магнитозвуковой волны. Результатом, по-видимому, является успешное уменьшение расходимости расширяющейся плазмы, а также нейтрализация отрывающихся ионов; результаты, которые представляют собой потенциальный прорыв в преодолении давней проблемы отделения плазмы.  

Профессор Кристин Чарльз, изобретатель двухслойного геликона и один из соавторов недавнего исследования группы, поговорила с . Дебрифинг о последствиях их открытия для улучшения характеристик HDLT. , особенно с точки зрения продвижения будущих систем космических полетов.

Профессор Кристин Чарльз, изобретатель двухслойного геликона (Источник: Австралийский национальный университет).

«В лабораторных экспериментах магнитное сопло и поток плазмы заканчиваются стенкой вакуумной камеры», — сказал д-р Чарльз Подведение итогов. Замкнутые силовые линии магнитного поля не могут быть получены внутри вакуумной камеры из-за ее конечного размера.

Однако, когда потоки плазмы сталкиваются со стенками вакуумной камеры, Чарльз говорит, что импульс, исходящий от двигателя, в конечном итоге передается туда, в результате чего на двигатель действует равная, но противоположная сила реакции.

«Поэтому мы до сих пор не знаем, что произойдет, если мы испытаем это в бесконечном пространстве», — сказал Чарльз Доклад . Тем не менее, новое исследование команды обнадеживает, поскольку в их последних лабораторных наблюдениях было показано, что электроны ведут себя совершенно иначе, чем в прошлых случаях, что привело к проблеме отрыва плазмы.

«В лаборатории настоящий эксперимент неожиданно показывает сигнал, ведущий к отрыву электрона от магнитного сопла», — сказал Чарльз The Debrief .

Обычно, когда электроны намагничиваются, это приводит к тому, что их орбиты привязываются к силовым линиям магнитного поля. Однако в своих недавних экспериментах Чарльз говорит, что перенос электронов внутрь «способствует отклонению электронной орбиты от силовых линий магнитного поля».

«Поскольку направление переноса электронов совпадает с направлением переноса ионов, электроны, рассеивающие поперечное поле, могут нейтрализовать ионы, отрывающиеся от силовых линий магнитного поля», — сказал Чарльз The Debrief.

«Таким образом, эти результаты подтверждают допустимый сценарий отрыва плазмы от магнитного сопла», — говорит она.

HDLT, изначально основанный на технологиях, разработанных Родом У. Босуэллом, также одним из соавторов статьи, использует комбинацию ускоряющего электрического поля и отсутствие необходимости в нейтрализаторе. Это делает его использование выгодным в качестве средства плазменного движения, хотя все еще есть проблемы, которые могут ограничить то, как скоро HDLT может быть реализован в реальных системах космического полета.

«Есть еще ряд инженерных проблем, которые необходимо решить для разработки летной модели, таких как радиочастотная система, тепловой расчет, выносливость и испытания на срок службы», — сказал Чарльз The Debrief .

«Мы работаем в университетской среде, которая больше подходит для создания прототипов двигателей. Чтобы сделать такую ​​большую двигательную систему пригодной для использования в космосе, нам потребуются партнеры из промышленности и/или космического агентства».

К счастью, в прошлом НАСА уже выражало желание сотрудничать с Чарльзом и Лабораторией исследования плазмы Австралийского национального университета. В то время как химические ракетные двигатели остаются текущим стандартом в космических путешествиях 21-го века из-за впечатляющей тяги, которую они генерируют, скорость горения химического топлива по-прежнему намного менее эффективна, чем плазменные двигательные установки.