Немцы испытали высокочастотный плазменный двигатель. Плазменные двигатели
мифы и реальность :: SYL.ru
Наверняка каждый человек согласится с тем, что космос манит. И он уже исследуется! Вот только очень медленно. Потому что крайне сложно создать космический аппарат, который мог бы быстро преодолеть внушительные, исчисляемые сотнями тысяч километров расстояния.
Вся суть в топливе! Оно не бесконечное. Нужны современные агрегаты с другим принципом работы, и помощнее. Да, есть ядерные ракетные двигатели (ЯРД). Но их максимальный предел – 100 км/сек. К тому же их рабочее тело нагревается в ядерном реакторе.
А вот плазменные двигатели – это перспектива, которая заслуживает внимания.
Краткий экскурс в физику
Для начала стоит отметить, что любому ракетному двигателю свойственно выбрасывание из сопла слабо ионизированной плазмы. Вне зависимости от его вида. Но «классическими», настоящими плазменными двигателями являются те, которые ускоряют плазму благодаря электромагнитным силам, оказывающим воздействие на заряженные частицы.
Процесс сложный. Любое электрическое поле, которое ускоряет в плазме заряды, придаёт электронам и ионам равные по модулю суммарные импульсы. Вдаваться в эти подробности необязательно. Достаточно знать, что импульс – это величина измерения механического движения тела.
Поскольку плазма является электрически нейтральной, то сумма всех положительных зарядов равна по модулю сумме отрицательных. Есть определённый отрезок времени – он бесконечно мал. За эти считаные мгновения все положительные ионы получают мощный импульс. Такой же направляется в обратную сторону - к отрицательным. Что получается? Суммарный импульс в итоге равен нулю. А значит, тяги не возникает.
Такой вывод: для электрического «разгона» плазмы необходимо разделение разноименных зарядов. Положительные будут разгоняться тогда, когда отрицательные выведены из зоны действия. Сделать это сложно, так как кулоновские силы притяжения восстанавливают электрическое равновесие, возникая между плазменными разноимённо заряженными сгустками.
И как же удалось воплотить этот принцип работы в плазменном ракетном двигателе? За счёт магнитных и электростатических полей. Только вот во втором случае агрегат традиционно именуется ионным, а в первом – именно плазменным.
Концепт из 60-х
Порядка пятидесяти лет тому назад советский физик Алексей Иванович Морозов предложил концепт плазменного ракетного двигателя. Его с успехом испытали в 70-х.
В нём для разделения пресловутых зарядов использовалось радиальное магнитное поле. Получается, что электроны, поддаваясь воздействию силы Лоренца, будто бы по спирали навиваются на силовые линии магнитного поля, которое их «выдёргивает» из плазмы.
Что при этом происходит? Массивные ионы инерционно проходят магнитное поле, набирая ускорение в продольном направлении электрического поля.
Да, данная схема имеет преимущества перед той, которая реализована в плазменно-ионных двигателях, однако есть и минус. Она не даёт возможности добиться большей тяги, что отражается на скорости.
Реален ли путь к звёздам?
На плазменные ракетные двигатели возлагалось немало надежд. Однако какими бы инновационными они ни казались, полёт до далёких небесных тел в рамках одной человеческой жизни обеспечить не могут.
Чтобы придать аппарату достаточный для этого тяговый импульс (а это как минимум 10 000 000 м/сек), нужно создать магнитное поле нереальной на данный момент мощности в 10 000 Тесла. Это возможно лишь с помощью взрывомагнитных генераторов А.Д. Сахарова и прочих современных аппаратов, работающих по тому же принципу.
Но опять-таки, такие мощные поля существуют на протяжении катастрофически малого временного отрезка, измеряемого в микросекундах. Чтобы добиться лучшего результата, приходилось бы утилизировать энергию ядерного взрыва силой в 10 кт. Для справки – последствия такого «явления» выражаются в 4-километрового диаметра облаке высотой в 2 км. А «гриб» и вовсе достигает вверх 7 км.
Так вот, при массе корабля в 100 тонн потребовался бы миллион подобных импульсов. И это лишь для увеличения его скорости на 100 километров в секунду! К тому же только при условии, что заряды не понадобилось бы брать в путь на борт. В вероятности они могли бы быть размещены в космическом пространстве на участке разгона.
Но целый миллион ядерных бомб? Нереально. Это тысячи тонн плутония! А его за всё время существования ядерного оружия произвели чуть больше 300 тонн. Так что плазменный ракетный двигатель с принципом работы, основанным на магнитном разделении зарядов, путь к далёким звёздам не обеспечит.
Холловский двигатель
Это вариант плазменного агрегата, для которого нет ограничений, что налагаются объёмным зарядом. Их отсутствие обеспечивает большую плотность тяги. А это значит, что холловский плазменный двигатель может увеличить скорость космических аппаратов в разы, если сравнивать, например, с ионным агрегатом того же размера.
В основе работы аппарата лежит эффект, который открыл американский физик Эдвин Холл в 1879 году. Он продемонстрировал, как в проводнике с взаимно перпендикулярным магнитным и электрическим полем образуется электроток. Причём в направлении, которое им обоим перпендикулярно.
Проще говоря, в холловском агрегате плазма образуется зарядом между анодом (+) и катодом (-). Действие несложное - разряд отделяет электроны от нейтральных атомов.
Стоит отметить, что на околоземных орбитах сосредоточено порядка 200 спутников с холловскими плазменными двигателями. Для космических аппаратов его мощности хватает вполне. К слову, именно такой агрегат использовался Европейским космическим агентством в целях экономичного разгона SMART-1 – его первой автоматической станции для исследования Луны.
АИПД
Теперь можно поговорить про абляционные импульсные плазменные двигатели (АИПД). Они подходят для применения в малых космических аппаратах, которые имеют неплохой спектр функциональных возможностей. Для его расширения просто необходим высокоэффективный малогабаритный агрегат, способный корректировать и поддерживать орбиту. АИПД – перспективный аппарат с рядом достоинств, к которым можно отнести:
- Постоянную готовность к работе.
- Впечатляющий ресурс.
- Минимальную инерционность.
- Возможность точно дозировать импульс.
- Отсутствие импульса последействия.
- Зависимость тяги от потребляемой мощности.
Импульсные плазменные двигатели данного типа изучены в деталях. Исследователи, конечно, сталкивались и с проблемами. В частности – с поддержанием длительной работы агрегата, препятствием для которого является науглероживание поверхности.
Ещё в рамках одного из исследований, посвящённого изучению АИПД-ИТ, было выяснено, что у этого агрегата основной разряд горит на выходе из канала. А это характерная черта для двигателей намного более внушительной энергии.
Пример установки АИПД - спутник Earth Observer 1. Но претендовать на двигатель коррекции МКА он не может, поскольку потребляет слишком много энергии (60 Вт). К тому же у него низкий суммарный импульс.
Стационарный двигатель
Об этом изобретении тоже стоит сказать пару слов. Стационарный плазменный двигатель имеет особенность в виде малой вырабатываемой мощности и компактности.
Он может использоваться в космической технике как исполнительный орган электрореактивной установки. Или же в рамках научных исследований. С помощью данного изобретения вполне реально моделировать направленные плазменные потоки.
По сути, такой плазменный двигатель – это магнетрон, широко применяемый в промышленности. Он, в свою очередь, представляет собой технологическое устройство, с помощью которого тонкие плёнки материала наносятся на подложку катодным распылением мишени в плазме. Но не нужно путать данное устройство с вакуумными магнетронами. Они выполняют совершенно другую функцию – генерацию СВЧ-колебаний.
С 1995 года стационарные плазменные двигатели задействованы в системах коррекции серии связных геостационарных KA. Потом, начиная с 2003 г., данные устройства стали применять в зарубежных геостационарных спутниках. К началу 2012 года уже 352 двигателя было установлено на аппаратах, которые вышли в открытый космос.
MPD-Thruster
Это ещё один концепт плазменного агрегата. С ним связано немало надежд на космические технологии.
В чём идея? Создаётся заряд плазмы между катодом и анодом, который способствует индуцированию кольцевого магнитного поля. В действие вступает сила Лоренца, при помощи которой поле воздействует на движущиеся заряды тока, вследствие чего определённая их часть отклоняется в продольном направлении. В результате возникает плазменный сгусток, истекающий «вправо». Именно он формирует тяговый толчок.
Данный двигатель осуществляет работу в импульсном режиме, поскольку кратковременные паузы между разрядами необходимы – так копится заряд на электродах.
Чем перспективен MPD-Thruster? Он работает без разделения разноименных зарядов. Так как они в зарядном токе двигаются встречно. Это значит, что и силы Лоренца имеют идентичное направление.
В теории у данного концепта очень выдающиеся показатели. Он может развивать впечатляющую тягу. Но и нюансы тоже есть. Магнитному полю не подвластен «разгон» электрических зарядов. Всё из-за того, что сила Лоренца оказывает воздействие, перпендикулярное их скорости. То есть не изменяет кинетические показатели. MPD-Thruster только немного изменяет направления, по которым следуют заряды – для того чтобы плазма вылетала наружу продольно.
В идеале ток между катодом и анодом должен быть в разы плотнее. Это обязательно для создания тяги. И требует больших затрат электрической энергии. Которая, впрочем, не уступает мощности плазменной струи.
Если удельный импульс составит 1000 километров в секунду, а тяга – 100 кг, то на потребление будут уходить сотни мегаватт. Которые генерировать в космосе практически невозможно. Даже если допустить такую вероятность, корабль с MPD-Thruster, имеющий нетто-массу в 100 тонн, разгонится до отметки в 10 000 км/сек. лишь за 317 лет! И это при запредельно астрономическом стартовом весе, составляющем 2,2 миллиона тонн.
При таких показателях даже невозможно представить расход газа в агрегате, пропускающем электронные заряды. И никаких подсчётов не нужно делать, дабы понять – никакие электроды не способны выдержать столь весомых химических и тепловых нагрузок.
Квантовый аппарат EmDrive
Это изобретение Роджера Шоера из Британии, над которым чуть ли не в открытую смеялось всё международное научное сообщество. Почему? Потому что его квантовый вакуумный плазменный двигатель считался невозможным. Ибо его принцип противоречит законам, которые являются фундаментом физики!
Но, как оказалось, этот плазменный космический двигатель работает, причём весьма успешно! Выяснить данный факт удалось в ходе испытаний NASA.
Агрегат прост по своей конструкции. Тяга создаётся посредством микроволновых колебаний вокруг вакуумного контейнера. А электроэнергия, необходимая для их выработки, добывается из солнечного света. Говоря простым языком – мотор не требует использования топлива и способен работать если не вечно, то как минимум до момента поломки.
Испытатели были в шоке. Двигатель тестировался учёным Гвидо Фетта и командой из NASA Eagleworks, которой руководил Гарольд Уайт – специалисты из космического центра им. Линдона Джонсона. После детального изучения изобретения была опубликована статья, в которой испытатели заверили читателей – аппарат работает и успешно создаёт тягу, пусть это и является необъяснимым противоречием закону о сохранении импульса.
И всё же учёные заявили, что данный агрегат предполагает взаимодействие с так называемым квантовым вакуумом виртуальной плазмы.
Проблема эффективного разделения зарядов
Многие физики пессимистично уверяют – она нерешаема. Есть передовые проекты, в рамках которых разрабатываются инновационные плазменные агрегаты с мощностью в 5 МВт и импульсом в 1000 км/сек., однако их тяга всё равно остаётся слишком маленькой для преодоления больших расстояний.
Разработчики понимают эту проблему и ищут другие подходы. Один из самых перспективных проектов в наше время – это VASIMR. Его удельный импульс равен 50 км/сек., а тяга составляет 6 ньютонов. Вот только VASIMR на самом деле плазменным агрегатом не является. Потому что он вырабатывает высокотемпературную плазму. Она берёт разгон в сопле Лаваля – без использования электроэнергии, только благодаря газодинамическим эффектам. А ускоряется плазма так же, как и газовая струя набирает скорость на выходе из привычного ракетного агрегата.
Заключение
В завершение хотелось бы сказать, что ни один плазменный двигатель для космических кораблей из существующих в наше время не способен доставить ракету даже к ближайшим звёздам. Это касается как экспериментально проверенных аппаратов, так и теоретически просчитанных.
Многие учёные приходят к пессимистичному заключению – разрыв между нашей планетой и звёздами фатально непреодолим. Даже до системы Альфа Центавра, некоторые компоненты которой видны невооружённым глазом с Земли, а ведь расстояние составляет 39,9 триллиона километров. Даже на космическом аппарате, способном передвигаться со скоростью света, преодоление данного расстояния составило бы около 4,2-4,3 лет.
Так что плазменные агрегаты звездолётов – это, скорей, из сферы научной фантастики. Но это ничуть не преуменьшает их значимость! Их используют в качестве маневровых, вспомогательных и корректирующих орбиты двигателей. Поэтому изобретение вполне оправдано.
А вот ядерный импульсный агрегат, который утилизирует энергию взрывов, имеет вероятный потенциал развития. Во всяком случае, как минимум в теории отправка автоматического зонда в ближайшую звёздную систему является возможной.
www.syl.ru
Физики испытали плазменный двигатель для самолетов — Naked Science
Плазменный двигатель — разновидность электрического ракетного двигателя, расходуемое вещество которого получает ускорение в состоянии плазмы (ионизированного газа). В отличие от жидкостных двигателей, такие системы не предназначены для вывода грузов на орбиту, поскольку могут работать только в вакууме, и сейчас используются, например, для удержания спутников на точке стояния. Кроме того, за счет уменьшения запасов рабочего тела при сравнительно высокой скорости его истечения, они рассматриваются как возможный способ совершения быстрых космических перелетов. Разработка плазменных установок ведется с середины XX века, а первый прототип был испытан NASA в 1961 году.
Принцип работы плазменного двигателя заключается в следующем. Газ, например ксенон, подается в рабочую камеру, внутренняя часть которой играет роль катода, а внешняя — анода. При подаче постоянного напряжения в сотни вольт за счет магнитного поля в рабочей камере возникает газовый разряд, и газ ионизируется (его атомы теряют электроны), превращаясь в плазму. Затем под действием силы Лоренца плазма вылетает из газоразрядной камеры, чем создает реактивную тягу. Тяговый импульс подобного двигателя полностью зависит от мощности магнитного поля и габаритов. При этом в вакууме генерация плазмы требует значительно меньше энергии для разделения ионов и электронов, чем при нормальном давлении.
Схема установки / ©B. Göksel et al., The Journal of Physics: Conference Series, 2017
В существующих плазменных двигателях индукция магнитного поля составляет сотые доли тесла. Чтобы ускорить космический аппарат массой 100 тонн в вакууме по меньшей мере на 100 километров в час показатель должен достигать примерно 10 тысяч тесла (в объеме всего нескольких кубометров) при суммарном импульсе около 10 миллионов килоньютонов. По словам авторов, их прототип существенно превосходит аналоги по показателю тяги. Согласно расчетам, при масштабировании до размеров стандартного авиационного двигателя установка, в зависимости от напряжения, сможет обеспечить импульс в 50–150 килоньютонов. Пока испытания проводились на прототипе диаметром 14 миллиметров и длиной 80 миллиметров.
Устройство состоит из шести анодов, размещенных вокруг катода. При подаче напряжения наносекундными импульсами (это позволило работать при давлении 0,1–1 бар) до 16 киловольт между катодом и анодом возникали газовые разряды, которые приводили к ионизации. Оценка тяги проводилась с помощью 15-граммового маятника. Исходя из напряжения, подаваемого на катод и анод, его отклонение варьировалось от 5 до 25 градусов. Ученые отмечают, что потенциально такие установки можно использовать в различных аппаратах, в том числе самолетах. Внедрение технологии, однако, станет актуальным только после создания компактных и мощных источников энергии, например портативных термоядерных реакторов.
Статья опубликована в The Journal of Physics: Conference Series.
Ранее сообщалось, что китайские исследователи успешно испытали прототип «невозможного» двигателя EmDrive с чрезвычайно высокой тягой. Свой статус система получила за, предположительно, нарушение закона сохранения импульса.
Видеозапись испытаний / ©Electrofluidsystems Ingenieurbüro Göksel
naked-science.ru
Плазменные двигатели: миф и реальность
Экстремально сложная проблема создания космического аппарата, способного за разумное время (сравнимое с человеческой жизнью) преодолеть межзвездные расстояния, обусловлена парадигмой традиционной ракеты. Которая несет на борту запас топлива и, как следствие, расходует на его разгон почти всю извлекаемую из топлива энергию! Математическим выражением этого проклятия является т.н. формула Циолковского, вытекающая из закона сохранения импульса:
Здесь не учитываются затраты топлива на подъем с Земли и выход на орбиту, где начинается разгон до крейсерской скорости. Однако очевидно, что прежде чем отправиться в далекое путешествие, корабль будет собран из модулей на околоземной или окололунной орбите.
Ионный двигатель
На сегодняшний день отсутствует ясное представление о том, как именно космические аппараты когда-нибудь преодолеют рубеж скорости в 10 000 км/cек. Это — примерно 130 лет полета до ближайшей звездной системы Альфы Центавра. Нет смысла рассматривать бесплодные фантазии вроде фотонного звездолета. Нелепа сама идея использовать для создания тяги фотоны с их ничтожным по сравнению с энергией импульсом ! В качестве реальной возможности рассматривается двигатель, использующий энергию термоядерного синтеза. Однако предлагаемые методы синтеза в малом масштабе, сводящиеся к поджиганию таблеток из дейтерия + гелия-3 лучами лазеров или пучками ионов/электронов, едва ли когда-нибудь будут реализованы на борту космического судна http://extremal-mechanics.org/?p=423#more-423. Надежды на солнечные паруса безнадежны, т.к. по мере удаления от Солнца их тяга стремится к нулю. При площади паруса в 1000 кв. км и фантастической массе аппарата с парусом в 1 тонну, через год будет пройдено 107.7 млрд. км, а скорость парусника достигнет 1714 км/сек. И это практический предел, поскольку даже через 700 лет полета, когда аппарат достигнет системы Альфа-Центавра, скорость не превысит 1715 км/сек. Полубезумные проекты парусов размером с Европу, которые приводятся в движение миллионами лазеров с Луны, наглядно демонстрируют бессилие идеи космического парусника. Хотя для полетов в Солнечной системе, не слишком далеко от Солнца, она имеет определенную перспективу.
Среди испытанных конструкций, способных дать существенную тягу, вне конкуренции ядерные двигатели с теплоносителем (ЯРД). В СССР был разработан и испытан превосходный образец такой установки — РД0410 http://www.kbkha.ru/?p=8&cat=11&prod=66 . Скорость истечения рабочего тела из сопла, т.е. удельный импульс ЯРД может составлять 9 — 10 км/сек. Это более, чем вдвое превышает показатели любых химических ракетных двигателей. При разумном ограничении стартовой массы в 10 000 тонн и скромной нетто-массе 100 т (без учета топлива и рабочего тела), предельная скорость корабля
км/сек.
Отлично для полетов в Солнечной системе, но не годится для путешествия в систему Альфа Центавра, которое продлилось бы около 29 000 лет ! Двухступенчатая схема даст вдвое большую скорость, но стартовая масса вырастет на порядок. Для нашего корабля с ЯРД и нетто-массой 100 т, который разогнался до скорости 200 км/сек, стартовая масса приблизилась бы к 50 миллиардам тонн ! Скорости км/сек отвечает не столь кошмарный, но тоже впечатляющий запас рабочего тела, который превышает 2 миллиона тонн. Таким образом 100 км/сек — это трудно достижимый, практический предел для ракет с ЯРД, по мере приближения к которому начинается гигантомания. Из формулы Циолковского вытекает, на первый взгляд, простое решение проблемы. Нужно на порядки увеличить удельный импульс , и тогда не придется экспоненциально наращивать расход рабочего тела. Для этого принципиально не годится ЯРД — в связи с тем, что рабочее тело нагревается в ядерном реакторе. Необходимую скорость истечения струи может обеспечить т.н. плазменный двигатель. Данный термин можно отнести к большому семейству устройств, различным образом оперирующих с плазмой, включая ионные двигатели.
Классические плазма-моторы
Любой ракетный двигатель выбрасывает из сопла слабоионизированную плазму, но плазменным, ионным, электрореактивным обычно называется лишь тот, который ускоряет плазму за счет электромагнитных сил, действующих на заряженные частицы. Однако сделать это очень сложно, поскольку любое электрическое поле, ускоряющее заряды в плазме, придаст равные по модулю суммарные импульсы ионам и электронам. В самом деле, изменение импульса заряда за время равно , где – сила, действующая на заряд (в поле с напряженностью ). Поскольку плазма в целом электрически нейтральна, сумма всех положительных зарядов равна по модулю сумме отрицательных . За бесконечно малое время вся масса положительных ионов получит импульс . Такой же по величине импульс, направленный в обратную сторону, получит вся масса отрицательных зарядов. Поэтому суммарный импульс равен нулю и, следовательно, тяги не возникнет.
Таким образом, для электрического разгона плазмы необходимо как-то разделить разноименные заряды, чтобы разогнать заряды одного знака, в то время как заряды другого знака выведены из зоны действия ускоряющего поля. Однако эффективно разделить заряды крайне сложно! Этому препятствуют мощные кулоновские силы притяжения, возникающие между разноименно заряженными сгустками плазмы и немедленно восстанавливающие электрическое равновесие. Применяемые в существующих плазменных двигателях методы разделения положительных ионов с электронами используют электростатическое или магнитное поле. В первом случае двигатель традиционно называется ионным, а во втором — плазменным.
 |
| Схема электростатического ионного двигателя. |
Функциональная схема «классического» ионного двигателя»:
1 — подвод рабочего тела; 2 — ионизатор; 3 — пучок ионов; 4 — фокусирующий электрод; 5 — ускоряющий электрод; 6 — блокирующий электрод; 7 — нейтрализатор; 8 — основной источник энергии; 9 — вспомогательный источник энергии.В сравнительно узком интервале между сетчатыми анодом 4 и катодом 5 происходит разгон положительных ионов газа (ксенон, аргон, водород и т.д.), являющегося рабочим телом двигателя. При этом свободные электроны, образующиеся в процессе ионизации, притягиваются к аноду, после чего выводятся в истекающую наружу струю положительно заряженного газа, для его нейтрализации. Катод 6 блокирует притягивание к аноду электронов, покидающих нейтрализатор 7. Анодом является не только электрод 4, но и вся внешняя оболочка камеры, в которой происходит ионизация газа. Анод имеет наибольший потенциал ~1 000 В, в то время как потенциал катода 5 составляет ~100 В, а у катода 6 он еще ниже.
Скорость струи газа, ускорившейся в промежутке между сетками 4 и 5, может доходить до 200 км/cек. Однако тяга ионного двигателя ничтожно мала, в лучшем случая достигая ~ 0.1 ньютона. Это прямо связано с проблемой разделения ионов и электронов. Которая в этом, как и во всех других плазменных двигателях решается крайне неэффективно. Оптимистически предположим, что тягу ионного двигателя с удельным импульсом 200 км/cек удалось довести до 1 ньютона (100 грамм). Тогда корабль со стартовой массой около 15 000 тонн, из которых 14 900 т приходится на рабочее тело (газ), сумеет разогнаться до 1 000 км/сек (по формуле Циолковского . Время разгона выражается формулой , где — полученный кораблем импульс и — сила тяги. В данном случае имеем = 100 000 кг ⋅ 1 000 000 м/сек / 1 Н = 100 млрд. секунд, что составляет примерно 3 200 лет ! И это — только нижняя оценка, а фактическое время разгона будет значительно больше вследствие того, что в числитель дроби нужно добавить также импульс, который получило рабочее тело до того, как прошло через двигатель и вылетело из сопла.
Мощность такого двигателя равна = 200 000 Ватт. Реально работающие образцы имеют на порядок меньше. Чтобы сократить время разгона до крейсерской скорости , т.е., увеличить тягу, следует повысить потребляемую электрическую мощность и, соответственно, габариты двигателя. Предположим, что таким образом мы увеличили тягу в 1 000 раз и сократили время разгона до разумных 3.2 года. Неплохо для скорости км/cек, хотя до Альфы Центавра пришлось бы лететь еще 1 300 лет. Однако потребляемая мощность составит сотни мегаватт, что соответствует мощности энергоблока средней АЭС. Это означает, что не существует разумных источников энергии для космических ионных двигателей с тягой хотя бы в десятки килограмм.
Еще в 60-х годах А.И. Морозов предложил свой концепт плазменного двигателя, который был успешно испытан в 70-х. Здесь заряды разделяются радиальным магнитным полем, которое прикладывается в зоне разгона положительных ионов продольным электрическим полем. Значительно более легкие электроны, под действием сил Лоренца, спирально навиваются на силовые линии магнитного поля и как бы «выдергиваются» магнитным полем из плазмы. При этом массивные ионы по инерции проскакивают магнитное поле, ускоряясь электрическим в продольном направлении. Механизм нейтрализации работает также, как в ионном двигателе. Данная схема, имея перед ним определенные преимущества, не позволяет добиться существенно большей тяги при сравнимой мощности. Магнитный метод разделения зарядов далек от эффективного решения проблемы и не позволяет создавать плазменные двигатели, которые могли бы быть использованы для межзвездных путешествий.
Чтобы убедиться в этом предположим, что 1 грамм ионов удалось разделить с электронами и последние скопились на выходе из сопла, навиваясь на силовые линии поперечного магнитного поля с индукцией Тс. Тогда этот избыточный отрицательный заряд составит примерно -95 000 Кл. Легко проверить, что соответствующие «избыточные» ионы с общей массой 1 г за несколько фемтосекунд разгонятся до ~10 000 км/сек. При этом электроны избыточного заряда не приобретут равного импульса навстречу ионам, что нивелировало бы реактивный эффект, т.к. за магнитное поле завернет эти электроны на круговые траектории с радиусами порядка 1 метр. Таким образом, для придачи аппарату тягового импульса 10 000 кг ⋅ м / сек = 0.001 кг ⋅ 10 000 000 м/cек придется в объеме нескольких кубометров создать сверхмощное магнитное поле порядка 10 000 Тесла. Такие экстремальные поля создаются только взрывомагнитными генераторами А.Д. Сахарова и их современными вариациями, причем они существуют лишь микросекунды и в объемах, измеряемых кубическими дециметрами. При этом энергия магнитного поля будет иметь порядок 10 ТераДжоулей. С учетом того, что кумулятивные генераторы способны преобразовать до 20 – 30 % энергии химического взрыва, для придания космическому аппарату тягового импульса ~10 000 кг⋅м/сек пришлось бы эффективно утилизировать энергию ядерного взрыва мощностью ~10 Кт.
При массе корабля в 100 т потребуется миллион таких импульсов, чтобы увеличить его скорость всего на 100 км/cек. И то лишь при условии, что ядерные заряды не пришлось везти на борту и они были заблаговременно размещены в космосе на участке разгона. Но миллион ядерных бомб — это несколько тысяч тонн плутония, которого за весь период существования ядерного оружия было произведено немногим более 300 тонн. Таким образом, имея лишь плазменным мотор с магнитным разделением зарядов, о полете к звездам лучше забыть.
Что делать с плазмой ?
По-видимому, проблема эффективного разделения зарядов в плазменных двигателях принципиально неразрешима. Существуют передовые проекты плазменных двигателей с мощностью 5 МВт и удельным импульсом 1 000 км/cек, но их тяга была бы равна 5 000 000 Вт / 1 000 000 м/сек = 5 Н, поэтому проблема сокращения времени разгона остается непреодолимой. Не говоря уже о том, что в космосе трудно добыть мегаватты потребляемой электрической мощности.
Понимая эти проблемы, разработчики плазменных моторов ищут другие подходы. Заметный энтузиазм вызывает новый концепт VASIMR, который в лаборатории показывает лучшие среди плазменных движков результаты: удельный импульс 50 км/cек, тяга 6 ньютонов и КПД 60 — 70 % (тест VX-200). Строго говоря VASIMR даже не является плазменным двигателем, потому что он генерирует высокотемпературную плазму, которая разгоняется в сопле Лаваля — за счет газодинамических эффектов и без электричества.
Через трубку 1 под давлением подается газ, который сначала разогревается и слегка ионизируется микроволновым излучением от 3. Затем поток плазмы, изолированный от стенок магнитным полем катушек 4, дополнительно разогревается антенной 5, которая излучает радиоволны на циклотронной частоте (это частота винтового вращения электрона вокруг силовой линии продольного магнитного поля) . Такой резонансный нагрев повышает температуру плазмы до миллионов градусов, после чего она истекает в магнитное сопло Лаваля 6. Последнее предохраняет стенки от контакта с горячей плазмой и преобразовывает энергию теплового движения ионов в энергию поступательного движения газовой струи. В сущности VASIMR позволяет получить очень горячую, высоко ионизированную плазму посредством микроволнового нагрева. Ускорение плазмы происходит вполне аналогично тому, как ускоряется газовая струя на выходе из обычного ракетного двигателя. Сжиганием химического топлива такую температуру плазмы получить нельзя, но за счет ядерного взрыва это сделать можно. Результаты VASIMR демонстрируют некоторый прогресс, но они по-прежнему бесконечно далеки от потребностей межзвездных экспедиций и явно не имеют перспектив развития в этом направлении. Что касается удельного импульса, то VASIMR является шагом назад.
Источник: http://spaceflight.nasa.gov/shuttle/support/researching/aspl/images/vasimr.jpg
Есть еще один, сравнительно новый концепт плазменного двигателя — MPD thruster, с которым связывают большие надежды. Идея заключается в следующем. Создается такой плазменный разряд между анодом и катодом, чтобы соответствующий электрический ток индуцировал кольцевое магнитное поле . Силой Лоренца поле действует на движущиеся заряды тока , отклоняя часть из них в продольном направлении. Так возникает истекающий «вправо» сгусток плазмы, который создает тяговый толчок. Двигатель работает в импульсном режиме, т.к. необходимы короткие паузы между разрядам для скапливания зарядов на электродах.
MPD — thruster не нуждается в разделении разноименных зарядов, потому что в разрядном токе они движутся во встречных направлениях и, соответственно, силы Лоренца имеют одинаковые направления. Теоретически этот концепт имеет выдающиеся показатели на фоне других плазменных моторов, потому что может развивать килограммы тяги. Однако магнитное поле в принципе не способно разгонять электрические заряды, потому что сила Лоренца действует перпендикулярно скорости заряда и, стало быть, не меняет его кинетическую энергию. MPD — thruster лишь отклоняет направление движения зарядов так, что плазма вылетает наружу в продольном направлении. Но для того, чтобы ток между анодом и катодом был достаточно плотным для создания тяги, придется затратить много электрической энергии. Во всяком случае, потребляемая электрическая мощность не уступает мощности плазменной струи. При удельном импульсе ~1 000 км/сек и тяге в 100 кг потребляемая мощность составит сотни мегаватт, что практически невозможно генерировать в космосе. Но даже при таких, возможных пока лишь теоретически показателях MPD — thruster-а, оснащенный им корабль с нетто-массой 100 т разгонится до 10 000 км/сек за 317 лет (!) при нереальной стартовой массе 2 200 000 тонн. Кроме того, невозможно вообразить себе расход миллионов тонн газа в двигателе, пропускающем через него мощные электрические разряды. Очевидно, что никакие электроды не выдержат таких тепловых и химических нагрузок.
Принципиальная Схема MPD — thruster, Источник: http://www.emeraldinsight.com/journals.htm?articleid=877310&show=html
Таким образом ясно, что ни один из экспериментально проверенных или теоретически просчитанных плазменных двигателей не способен доставить космический корабль к ближайшим звездам хотя бы за время человеческой жизни. И этот разрыв, по-видимому, является фатально непреодолимым, так что плазменные двигатели звездолетов навсегда останутся в сфере научной фантастики. Однако плазменные моторы имеют важные применения в качестве маневровых, корректирующих орбиты и т.п. вспомогательных двигателей космических аппаратов, поэтому усилия по их разработке вполне оправданы. Что касается ядерных ракетных двигателей, то они также не годятся для межзвездных полетов, но прекрасно подходят для межпланетных путешествий в Солнечной системе. При этом ядерный импульсный двигатель, утилизирующий энергию ядерных взрывов, возможно имеет потенциал развития в контексте отправки автоматического зонда в одну из ближайших звездных систем.
Дополнение к статье, сделанное 5 января 2018
Если согласиться со временем ожидания прибытия зонда к Альфе-Центавра в 1 000 — 1 500 лет, то ионный двигатель может оказаться подходящим. Хотя такой проект технически крайне сложен, он выглядит осуществимым при сегодняшнем уровне науки и технологий.
Предположим, что удалось добиться тяги ионного двигателя в Н при удельном импульсе км/сек. Такой мотор был бы очень хорош! Их может быть и несколько, объединенных в двигательную установку с общей тягой 10 Н (1 кгс приблизительно).
Согласно формуле Циолковского, автоматический зонд с разумной нетто-массой 1 000 тонн, израсходовав 1 750 тонн рабочего тела (пусть это будет газ — неон с атомной массой 20), разгонится до почти 1 100 км/сек. Тогда время полета до Альфы-Центавра составит 1 200 — 1 250 лет с учетом разгона. Впрочем, нужно учесть еще скорость покидания Солнечной системы около 42 км/сек под углом углом 61 градус к плоскости эклиптики http://extremal-mechanics.org/wp-content/uploads/2012/11/LongShot.pdf (приблизительно 15 км/сек из этой скорости даст Земля — эффект пращи). Затем включится маршевый ионный двигатель, которому предстоит непрерывно проработать около 100 лет. Таким образом, крейсерская скорость составит около 1 150 км/сек, но время в пути сократится меньше, чем на 50 лет.
Время разгона примем лет. Это — реалистичное время, в течение которого должна проработать энергосистема корабля в режиме полной тяги. Для сравнения, радиоизотопные термо-электрогенераторы Вояджеров работают на уже почти 40 лет и их мощность выше 70% от начальной. При этом период полураспада плутония-238 равен 87.7 года.
Однако, радиоизотопные источники не способны обеспечить нужную электрическую мощность (ниже мы увидим, что она имеет порядок 350 МВт). Для сравнения, на Вояджерах мощность энергоустановки около 500 Вт. Для выработки 350 МВт потребуются тысячи тонн плутония! И это — без общей массы огромного числа термопар. По-видимому, такой способ получения энергии нельзя считать реалистичным.
Ядерный реактор подходит больше, хотя крайне сложно добиться его непрерывной работы в замкнутом цикле в течение века. Здесь ведь нужно решать проблему периодической замены ТВЭЛов, а также постепенного «отравления» активной зоны реактора. Но можно предположить, что 100 лет безотказной работы реактора с турбоустановкой технически достижимы.
Тогда импульс струи, выбрасываемой из сопла за 1 сек, грубо оценим, как
кг*м/сек,
где — конечный импульс зонда и — импульс 1 750 тонн рабочего тела при скорости 1 100 км/сек (так мы учитываем импульс рабочего тела, приобретаемый им до вылета из двигателя в виде плазмы).
Отсюда массовый расход рабочего тела (ионизированный неон) грамма/сек. Умножая это число на сек (= 1 век, считая все годы по 365 дней), получим 2 060 тонн, что несколько больше предполагаемых 1 750 тонн, поскольку оценка времени разгона была довольно грубой. Одновременно мы видим, что эта погрешность незначительна, поэтому реальное время разгона будет несущественно отличаться от 100 лет (может быть 110 или 90 лет, к примеру).
Считая неоновую плазму однократно ионизированной (однозарядные ионы), получим силу тока в струе ионов до их нейтрализации на выходе из «сопла»:
Aмпер,
где — масса и — заряд протона. Поскольку для разгона ионов до 1 000 км/сек потребуется поле с напряжением килоВольт, мощность системы разгона плазменной струи MBт.
Здесь не учитываются тепловые потери в цепи ионного двигателя, по которой будет протекать ток в 3 килоАмпер, а также затраты энергии на ионизацию рабочего тела (хотя последние, наверное, будут сравнительно малы).
Таким образом, можно оценить снизу электрическую мощность энергоустановки в 350 МВт. Потребуется весьма мощный турбоагрегат, сравнимый с энергоблоком АЭС! Удастся ли поддерживать его непрерывную работу около века при массе зонда в 1 000 тонн? — это большой вопрос. Но выглядит все это, тем не менее, не фантастически.
Никакой возможности затормозить у такого зонда не будет. А без этого нет смысла ждать его прибытия 1 250 лет! Чтобы иметь возможность торможения для выхода на орбиту в системе Альфа-Центавра, нужно увеличить стартовую массу до порядка 10 000 тонн как минимум. Такой корабль с тягой ионных двигателей в несколько кгс должен быть собран на околоземной орбите и разогнан до скорости покидания Солнечной системы в направлении Альфа-Центавра ( км/сек) с помощью, например, ядерного импульсного двигателя типа Ориона.
extremal-mechanics.org
В России Приступили к Изготовлению Плазменного Ракетного Двигателя
На стол фонда перспективных исследований легла заявка, оформленная научно-техническим советом НПО «Энергомаш» и НИЦ «Курчатовский институт». Заявка посвящена реализации довольно амбициозного проекта, который позволит создать безэлектродный плазменный ракетный двигатель. Сокращенно БПРД. Определен четкий состав работ, позволяющих выпустить лабораторный образец двигателя.
По своей сути ЭРД (электрический ракетный двигатель) является электрическим двигателем, у которого рабочее тело способно приобретать ускорение в особом состоянии плазмы. Оригинальная идея плазменных двигателей принадлежит советскому физику Морозову А. И. Он выдвинул ее еще в 60-х. Сегодняшнее применение таких двигателей — поддерживать точки стояния у спутников связи.
Новое поколение плазменных двигателей, которые собираются изготавливать на «Энергомаше», обладают мощностью свыше 100 кВт. Их можно будет использовать не для одних геостационарных спутников. Такие двигатели подходят для полетов, которые характеризуются как межзвездные.
Последние годы в мире отмечены несколькими разработками плазменных двигателей. Их можно отнести к новому поколению. Это геликонный плазменный двигатель от Европейского космического агентства, сотрудничающего с Иранским космическим агентством и Австралийским национальным университетом. Это также разработка канадских инженеров и американцев из Ad Astra Rocket Company. Американо-канадский двигатель имеет мощность в 200 кВт.
В сообщении «Роскосмоса» говорится, что множество вариантов современных ЭРД зарекомендовали себя с положительной стороны. Они обладают высоким импульсом и малым массовым расходом рабочего тела. Это позволит уже в недалеком будущем отправить космические аппараты на дальние маршруты. Но предстоит решить проблему малой тяги. Она серьезным образом ограничивает возможности преодоления больших космических расстояний. В настоящее время ЭРД используют корректируя орбиты космических аппаратов сравнительно небольших по величине. У такого двигателя, как правило, мощность не превышает 50 кВТ. На околоземной орбите такие двигатели подпитываются с помощью солнечных батарей.
Уникальность новейшей российской разработки
Российский безэлектродный плазменный ракетный двигатель обладает высочайшей энергоэффективностью. Он способен на практике почти любое вещество использовать в качестве рабочего тела, менять величины удельного импульса. Его максимальные параметры мощности ограничены единственно мощностью подпитки высокочастотного генератора. Так как ограничения на воздействие рабочего вещества с конструктивными элементами сняты, то подобный двигатель в своем потенциале имеет огромный рабочий ресурс.
Возможность реализации новаторских идей, которые положены в основу российской разработки, появилась благодаря недавним открытиям в области термоядерного синтеза. Также российские специалисты далеко продвинулись по пути изучения технологий высокотемпературных сверхпроводников и высокочастотных генераторов. Сегодня ученым предстоит решить, как оптимизировать плазменные процессы и разработать высокочастотный генератор. Совершенствованию подлежат системы питания БПРД и, особенно, их управления. Чтобы обеспечить решение всех этих сложнейших инженерно-научных задач, необходимо создать экспериментальную и испытательную стендовую базу.
Специалисты Курчатовского института работают над плазменными двигателями уже не один десяток лет. «Конструкторское бюро химавтоматики» с 2010 года изучает проблематику ЭРД. На их счету уже есть магнитоплазмодинамический двигатель, мощность которого 10 кВт и мощный (300 Вт) высокочастотный ионный двигатель.
militaryarms.ru
Немцы испытали высокочастотный плазменный двигатель
Разряд между анодами и катодом в плазменном двигателе
Berkant Göksel / Technical University of Berlin
Исследователи из Берлинского технического университета разработали и испытали новую версию плазменного двигателя, способного, в отличие от других прототипов, работать при нормальном, а не низком, атмосферном давлении. Работа ученых опубликована в Journal of Physics: Conference Series, а краткое ее изложение приводит New Scientist. Новая силовая установка относится к типу магнитоплазмодинамических двигателей, которые потенциально могут быть использованы на самых разных классах летательных аппаратов.
Плазменный двигатель представляет собой разновидность электрического ракетного двигателя. В нем рабочее тело приобретает ускорение, находясь в состоянии плазмы. Разработка таких двигательных установок с переменным успехом ведется разными исследовательскими организациями с 1950-х годов. В частности, первый рабочий прототип плазменного двигателя был создан и испытан Исследовательским центром имени Льюиса (ныне Исследовательский центр Гленна) в 1961 году.
В плазменном двигателе газ подается в рабочую кольцевую зону, внешняя часть которой представляет анод, а внутренняя, расположенная ближе к выходу, — катод. При подаче на анод и катод постоянного напряжения в сотни вольт, в рабочей зоне возникает ионизирующий разряд и образуется плазма. Затем эта плазма под действием силы Лоренца начинает двигаться в сторону выхода из рабочей зоны, создавая тягу. Для работы плазменного двигателя требуется большое количество энергии.
Как утверждают разработчики, их магнитоплазмодинамический двигатель по своей тяге значительно превосходит существовавшие до сих пор прототипы. Испытанный их прототип, будучи масштабированным до размеров обычного авиационного двигателя, как утверждается, сможет развивать тягу от 50 до 150 килоньютонов в зависимости от подаваемого напряжения. Испытанный прототип представляет собой установку длиной 80 миллиметров и диаметром 14 миллиметров.
Прототип плазменного двигателя состоит из шести медных анодов, расположенных вокруг медного же катода на расстоянии двух миллиметров. Конец катода выполнен в виде конуса. Во время испытаний исследователи через высокочастотный высоковольтный импульсный генератор подавали на анод и катод напряжение до 16 киловольт. Подаваемое напряжение зависело от заряда конденсаторов перед генератором. Конденсаторы заряжались 300, 400 и 500 вольтами.
При подаче напряжения на анод и катод импульсами между ними возникали разряды с частотой 3,5 килогерца. Благодаря им в двигателе и образовывалась плазма. То, что силовая установка способна выдавать заметную тягу, исследователи проверили с помощью маятника длиной 55 миллиметров и массой 15 граммов. В зависимости от подаваемого на аноды и катод двигателя напряжения отклонение маятника от сопла составляло от пяти до 25 градусов.
Исследователи полагают, что в будущем такие магнитоплазмодинамические двигатели можно будет устанавливать на самолеты, причем силовые установки будут эффективно работать на всех этапах: от взлета до полета на высоте 50 тысяч метров. При этом исследователи отмечают, что плазменные двигатели нуждаются в большом количестве энергии, запасти которую при помощи аккумуляторов невозможно. Разработчики полагают, что новые плазменные двигатели будут востребованы тогда, когда будут созданы компактные термоядерные реакторы.
Следует отметить, что сами по себе электрические ракетные двигатели уже существуют и даже используются на спутниках. Они создают относительно небольшую тягу, а потому пригодны для использования только в космосе. К электрическим ракетным двигателям (ионный тип) относится, в частности, двигатель Холла, устанавливаемые на некоторые модели спутников. Испытания модернизированной версии двигателя Холла проводились американцами на орбитальном беспилотнике X-37B.
Двигатель Холла является разновидностью ионного двигателя, однако отличается от последнего большей тягой и меньшим расходом рабочего тела. В качестве рабочего тела в силовой установке используется ксенон. Силовая установка представляет собой кольцевую камеру, расположенную между анодом и катодом. В нее подается рабочее тело, которое ионизируется катодом и анодом и разгоняется электростатическим полем в осевом направлении.
Василий Сычёв
nplus1.ru
КОСМИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОВОЗ | Наука и жизнь
Американский ракетный комплекс "Сатурн - Аполлон" при стартовой массе 2900 тонн выводит в космос только 129 тонн.
Стенд в Доме науки и техники (Париж), посвященный стационарным плазменным двигателям и их создателю - А. И. Морозову.
ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ. Так устроен стационарный плазменный двигатель (СПД).
‹
›
НЕСОРАЗМЕРНОСТЬ ЗАДАЧ И СРЕДСТВ
При запусках искусственных спутников Земли постоянно возникает одна и та же ситуация. Спутник выводится на первоначальную, опорную орбиту высотой около 150 километров. Далее его нужно перевести на рабочую орбиту, скажем, геостационарную, на высоту 36 тысяч километров. Для этого включают двигатель, который и производит нужный маневр, проработав некоторое время. Оценить произведенную им работу можно через понятие так называемой характеристической скорости. Суть его заключается в следующем.
Предположим, что имеются два абсолютно одинаковых аппарата: один, скажем, на орбите возле Земли, другой - в абсолютно пустом пространстве, без полей тяготения и других воздействий. Они одновременно включают двигатели, работающие в совершенно одинаковом режиме. Первый аппарат совершает маневры, садится на Луну, возвращается и вообще делает все, что требуется. А второй движется по прямой, не маневрирует, но его двигатель все время работает в том же режиме, что и у первого. В конце концов этот аппарат приобретает некую скорость, которая и называется характеристической. Она-то и определяет эффективность двигателя в данных условиях. Поскольку для каждого полета она своя, можно, сделав несложные расчеты, сразу и с большой точностью оценить, во сколько обойдется каждый маневр.
В 1897 году К. Э. Циолковский вывел для величины характеристической скорости несложную формулу:
V = w lnM0/M1,
где w - скорость истечения газов из сопла реактивного двигателя, M0 - начальная масса аппарата, M1 - его конечная масса.
Из формулы видно, что разгонять аппарат до скорости V, большей скорости истечения w, за счет увеличения выбрасываемой массы крайне невыгодно. Если на долю топлива приходится 0,9 всей массы ракеты и, следовательно, конечная масса составляет 0,1 массы начальной (M0/M1 = 10), характеристическая скорость V = 2,3w. Когда это отношение масс уменьшается до 0,01, скорость возрастает только в два раза, и, даже сделав M0/M1 = 0,001, удастся получить всего V = 6,9w: величина логарифма растет очень медленно. Поэтому во время полета приходится катастрофически уменьшать массу аппарата: вспомним, как выглядят тяжелая ракета-носитель на старте и спускаемый аппарат в конце полета. Этот путь в принципе возможен, но для высоких скоростей практически неосуществим.
Остается второй вариант: увеличить скорость истечения реактивных газов. Характеристическая скорость зависит от нее линейно, то есть пропорционально. Она вырастет во столько же раз, во сколько увеличится скорость истечения газов.
Современные реактивные двигатели работают, как правило, за счет химической реакции соединения компонентов топлива и окислителя. Чем больше энергии выделяется в ходе этой реакции, тем выше скорость истечения из сопла двигателя ее газообразных продуктов одинаковой массы. Почти предельную энергию обеспечивает реакция кислорода с водородом (больше дает только фтор, особенно атомарный, с водородом; но и сам окислитель, и фтористый водород невероятно химически активны и агрессивны). Однако и она неспособна создать потоки со скоростями больше 4-5 км/с. Для современной космической техники этого во многих случаях недостаточно.
Чтобы вывести спутник на круговую орбиту, носитель должен развить скорость около 8 км/с; чтобы отойти от Земли в космическое пространство - более 11 км/с; соответствующие характеристические скорости будут процентов на тридцать выше. И если скорость истечения газов сделать порядка характеристической скорости для данного маневра, конечная масса аппарата будет соизмерима с массой начальной. Она может быть меньше пусть даже в два-три раза, а не в десятки и сотни, как сегодня. Для этого нужны другие двигатели, основанные не на химических реакциях, а на других процессах. Они потребуют новых источников энергии, ибо, чем выше скорость истечения рабочего вещества, тем больше энергии требуется на единицу тяги:
P/F = w/2η,
где Р - мощность двигателя в ваттах, F - сила тяги в ньютонах, w - скорость истечения в м/с, η - коэффициент полезного действия.
В космосе есть только два источника энергии - Солнце и ядерные реакции.
Внутриядерную энергию получают либо из реакций деления тяжелых элементов, либо путем синтеза элементов легких. Реакция синтеза способна дать колоссальное количество энергии, но управлять ею в ближайшее время вряд ли научатся. Остаются реакторы, основанные на делении, а для маленьких аппаратов - изотопные батареи. Ядерная энергетика, однако, себя сильно скомпрометировала и нажила множество противников.
На внутренних орбитах источником энергии может служить Солнце. Был, например, проект использовать бортовые зеркала-концентраторы, собирающие солнечную энергию на теплообменнике с водородом. Нагретый до 2000о газ потечет из сопла реактивного двигателя со скоростью порядка 10 км/с, что уже вполне достаточно для маневра в околоземном пространстве. Однако такая система громоздка и ненадежна, поэтому основным источником электроэнергии на борту пока остаются солнечные батареи. Если в 60-х годах киловатт мощности снимался с панели массой около центнера, то сегодня "рекордные" устройства дают ту же мощность с 20 килограммов массы. В целом же бортовые батареи дают суммарную мощность не выше 20 кВт и остаются достаточно эффективными только сравнительно недалеко от Солнца - внутри орбиты Марса или пояса астероидов. Интенсивность света сильно падает с расстоянием (I ~ R-2), и для полетов к удаленным планетам волей-неволей придется использовать реакторы. Ибо переход на скорости истечения газов, соизмеримые с характеристическими, - абсолютно неизбежный путь развития космонавтики.
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ ВМЕСТО ХИМИЧЕСКОЙ
Чтобы поднять с Земли и разогнать до первой космической скорости огромный космический аппарат, требуются мощности в миллионы и десятки миллионов киловатт. На этом этапе никаких реальных альтернатив реактивным двигателям на химическом топливе пока нет. Но если аппарат уже выведен на орбиту, им вполне можно управлять при помощи двигателей малой мощности. Они могут поддерживать ориентацию спутника, стабилизировать его на орбите, переводить с одной орбиты на другую.
Существует несколько конструкций таких двигателей. В настоящее время, например, созданы хорошие модели так называемых электронагревных двигателей. Газ - аммиак или гидразин - пропускают через катализатор, который его разлагает на молекулы, и нагревают изотопным источником тепла или электрической печкой. Молекулы имеют гораздо меньшую массу и при нагреве приобретают более высокую скорость. Но есть и другой путь: получить направленный поток не молекул, а ионов или плазмы, разогнав их при помощи электрических и магнитных полей.
Путь этот чрезвычайно перспективен. Элементарные расчеты показывают, что ион водорода, пройдя разность потенциалов 4,5 вольта (напряжение батарейки "Крона" в два раза выше), приобретет скорость 30 км/с - гораздо большую, чем может дать химическая реакция. Неудивительно, что в начале 60-х годов, после запуска первого искусственного спутника Земли, работы по созданию электрореактивных двигателей развернулись сразу во многих странах, но ведущими оставались СССР и США. В нашей стране были созданы очень сильные научные коллективы, среди которых особенно выделилась группа из Института атомной энергии. Ей удалось найти интересные научные решения, благодаря которым мы до сих пор удерживаем лидирующее положение в этой области, а созданные ею стационарные плазменные двигатели (СПД) признаны лучшими в мире.
КАК РАБОТАЕТ СПД
Ускорение ионов в полях позволяет получить скорости, которые решают все проблемы обозримого будущего космонавтики. Оставалось эту принципиальную возможность реализовать в металле. Для этого есть два пути.
Можно взять два электрода и приложить к ним постоянное напряжение. Пусть на одном будет напряжение +4,5 вольта, а потенциал второго (катода) будем считать нулевым. Положительный электрод (анод) соединен с ионизатором газа. Ионы, вышедшие из него через отверстие в аноде, начнут ускоряться в электрическом поле, устремляясь к электроду с нулевым потенциалом. Если в нем сделать отверстие, ионы пролетят сквозь него в пространство со скоростью 30 км/с. А электроны, оставшиеся в ионизаторе, уходят через электрическую цепь и источник питания на катод. Эта система получила название ионный двигатель: в зоне его ускорения находятся только ионы.
На самом же деле водородных ионных двигателей на 4,5 вольта нет. Причина этого одна: в ускоряющем промежутке невозможно получить высокую плотность частиц. Ионы создают в нем довольно большой объемный заряд, который быстро экранирует потенциал нулевого электрода и "запирает" поток. Чтобы обеспечить достаточно большой ток, нужно создать высокую напряженность поля, как можно сильнее сдвинув электроды. Но предельное расстояние между ними ограничено долями миллиметра: в слишком узком зазоре возникнет пробой. Скорость наращивать тоже нельзя: это ведет к повышению энергетических затрат на единицу тяги. Поэтому в таком двигателе используют тяжелые частицы - ионы ксенона, ртути или цезия, работают при напряжении порядка тысячи вольт и получают довольно приличный ток и сравнительно большую тягу.
Второй путь - плазменные двигатели, где в зоне ускорения имеются и электроны, и ионы. Рассмотрим подробнее, как они работают.
Наиболее существенный недостаток ионных двигателей - появление объемного заряда в ускоряющем промежутке. Казалось бы, этого можно избежать, поместив в него электроны и получив квазинейтральную плазму. Однако в электрическом поле сразу же начнут ускоряться более легкие электроны, причем до скоростей в тысячи и десятки тысяч километров в секунду. Это в сотни раз больше, чем нам нужно.
Чтобы преодолеть подвижность электронов, их нужно к чему-то "привязать". Это легко сделать, создав в промежутке магнитное поле, перпендикулярное электрическому. В магнитном поле заряженные частицы вращаются по круговой, так называемой ларморовской, орбите. У электронов ее диаметр в наших условиях - десятые доли миллиметра, а у ионов - порядка метра. Ионы практически не чувствуют магнитного поля, движутся только под действием поля электрического и с большой скоростью покидают двигатель. Таким образом, система превращается в ускоритель ионов, в котором мешающего объемного заряда нет.
На первый взгляд плазменный двигатель - очень простое устройство. Это кольцевой электромагнит, в зазор которого помещена камера (ее называют также каналом) из диэлектрического материала. В глубине камеры расположен анод. Снаружи, возле среза камеры, расположен катод-нейтрализатор. Рабочее вещество (ксенон) поступает в канал и вблизи анода ионизуется. Ионы ускоряются в электрическом поле и вылетают из двигателя, создавая реактивную тягу. А электроны, как и в ионном двигателе, попадают на анод, проходят по цепи до катода-нейтрализатора и поступают в ионный поток, нейтрализуя и его, и двигатель. Делать это абсолютно необходимо - в противном случае спутник, выбрасывая положительные ионы из двигателя, приобрел бы отрицательный потенциал большой величины.
СПД НА ЗЕМЛЕ И В КОСМОСЕ
Наша страна продолжает лидировать в области конструирования электроракетных систем. Стационарные плазменные двигатели стоят почти на шестидесяти отечественных спутниках в качестве двигателей коррекции. Они подстраивают положение спутника на орбите и в принципе могут перевести его, скажем, с опорной орбиты на высоте 150 - 200 километров на геостационарную орбиту высотой 36 тысяч километров. Для этой операции понадобятся три-четыре месяца непрерывной работы, за которые будет выброшено всего-навсего десять килограммов вещества. Специалисты считают, что в ближайшие два-три года начнется настоящий бум использования электроракетных двигателей и для коррекции орбит искусственных спутников Земли, и для полетов на другие планеты. Для всех этих работ СПД незаменимы; они будут стоять и на автоматической станции, которую по программе Российской академии наук запустят к спутнику Марса Фобосу в самом начале третьего тысячелетия. А вот для ориентации космического аппарата они слишком мощны, для этого нужны совсем миниатюрные конструкции.
И для решения чисто земных задач поле деятельности плазменных двигателей огромно. Уже сейчас СПД в соответствующем исполнении используются для обработки различных поверхностей - из металла, стекла, полупроводников. Но, по-видимому, область их применения, а точнее - принципов, в них заложенных, будет несравненно шире, тем более, что мощность подобных систем может быть увеличена в тысячи раз. И в первую очередь связано это с принципиально новым их конструктивным элементом - прозрачными магнито-электронными электродами, которые во многих случаях могут заменить электроды твердотельные.
Подробности для любознательных
ИСТОРИЯ ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Первые предпосылки для создания плазменно-ионных двигателей возникли более ста лет назад.
В конце прошлого века начались интенсивные работы по изучению газов при помощи электрического разряда. Исследуемый газ под невысоким давлением помещался в стеклянную трубку с впаянными электродами - анодом и катодом. При дальнейшем снижении давления в трубке стали видны лучи, исходящие из катода. Детальное исследование показало, что эти "катодные лучи" - поток электронов.
В 1886 году обнаружилось еще одно интересное явление. Если в плоском катоде проделать отверстия ("каналы"), то через них в обратном направлении протянутся другие лучи, которые назвали каналовыми. Это были потоки ионизованных атомов газа. Однако в то время, разумеется, никто не предполагал, что их можно использовать для получения реактивной тяги.
Первый эффективный ионный двигатель был создан американцем Г. Кауфманом в 60-х годах и использован в космическом эксперименте Sert-II. В двигателях этого типа имеются ионизационная камера с электрическим разрядником и ускоряющий электрод в виде пластины с отверстиями. Рабочий газ (скажем, ксенон) поступает в камеру, где его атомы распадаются на электроны и положительно заряженные ионы. Поток ионов выходит из камеры и ускоряется под действием напряжения, приложенного к дырчатому электроду. Электроны проходят по цепи питания двигателя и поступают на нейтрализатор, стоящий на пути ионного пучка. Ионы, удаляясь от двигателя, увлекают их за собой.
Примерно в это же время в нашей стране был создан плазменно-эрозионный двигатель конструкции А. М. Андрианова. Он стал первым устройством такого типа, выведенным в космос: в 1964 году его установили на аппарате "Зонд-2" в качестве двигателя ориентации с питанием от солнечных батарей.
Двигатель выполнен в виде двух цилиндрических коаксиальных электродов, разделенных изолятором. К центральному электроду подведена поджигающая игла, соединенная с конденсаторной батареей. При разряде конденсатора между иглой и электродом происходит разряд, вызывающий их испарение (эрозию) и ионизацию. Эта "затравочная" плазма поступает в промежуток между электродами, на которые подано высокое напряжение основной конденсаторной батареи. Появление плазмы инициирует поверхностный разряд, который испаряет материал изолятора и ионизует его молекулы. Нагрев и взаимодействие тока с собственным магнитным полем ускоряют плазму.
К середине 60-х годов в нашей стране были получены обнадеживающие результаты по разработке плазменных двигателей разных типов. Но наибольший успех пришел к группе из Института атомной энергии им. И. В. Курчатова, которой руководили А. И. Морозов и Г. Я. Щепкин. Этот коллектив к маю 1969 года создал работающий макет двигательной установки. После конструкторской доработки в ОКБ "Факел" двигатель в последних числах 1970 года был установлен на спутнике "Метеор"и выведен на орбиту. С тех пор прошло почти тридцать лет, но этот стационарный плазменный двигатель (СПД) все еще не имеет конкурентов - другие схемы оказались менее эффективными и штатной принадлежностью космических аппаратов не стали.
В середине 80-х годов работы над СПД из Института атомной энергии были переведены в Московский институт радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА) и продолжены в лаборатории профессора Антонины Ивановны Бугровой. В 1992 году лабораторию посетил вице-президент франко-европейской космической фирмы SEP г-н Буланже. Он предложил заключить контракт на создание патентно чистой модели СПД с улучшенными характеристиками.
Дело в том, что двигатели имеют два существенных недостатка: большую расходимость плазменного пучка (до 45о) и кпд порядка 50%, что было меньше их возможностей. И была у них одна странность: наиболее сильная тяга получалась при геометрии полей, с точки зрения теории далекой от оптимальной. Когда причины такого поведения удалось понять, сотрудники лаборатории МИРЭА изменили конфигурацию канала, анода и магнитного поля. Это сразу же дало удивительные результаты: кпд вырос почти до 70%, а расходимость пучка стала меньше 10о. Так были созданы СПД второго поколения.
www.nkj.ru
Плазменный ракетный двигатель - это... Что такое Плазменный ракетный двигатель?
Пла́зменный дви́гатель (также плазменный инжектор) — ракетный двигатель, рабочее тело которого приобретает ускорение, находясь в состоянии плазмы.[1]
Существует множество типов плазменных двигателей. В настоящее время наиболее широкое распространение — в качестве двигателей для поддержания точек стояния геостационарных спутников связи — получили стационарные плазменные двигатели, идея которых была предложена А. И. Морозовым в 1960-х гг. Первые лётные испытания состоялись в 1972 г.[2] Плазменные двигатели не следует путать с ионными. Они не предназначены для вывода грузов на орбиту, и могут работать только в вакууме.
Принцип работы
Нейтральный газ ксенон подается через металлический кольцевой анод с отверстиями в двустенную (кольцевую) керамическую газоразрядную камеру, на выходе которой установлен полый газоразрядный (работающий также на ксеноне) катод-компенсатор для эмиссии электронов. В керамической газоразрядной камере внутренний и наружный полюса электромагнита создают радиальное магнитное поле в несколько сотен Гаусс, нарастающее вдоль камеры и быстро спадающее за её пределами. Если между анодом и катодом-компенсатором приложить постоянное напряжение в несколько сотен Вольт, то в газоразрядном канале зажигается разряд и ксенон ионизируется, создавая плазму. Тяжёлые ионы ксенона ускоряются электрическим полем вдоль канала, почти не отклоняясь слабым магнитным полем, и набирают энергию несколько меньшую, чем приложенное напряжение. Электроны же, напротив, не могут свободно перемещаться вдоль канала, поскольку их ларморовский радиус очень мал. Впрочем, из-за коллективных процессов в плазме электроны всё же составляют небольшую часть разрядного тока. Основной же ток разряда переносят ионы ксенона. Поток ускоренных ионов, вылетающих из газоразрядной камеры, создаёт реактивную тягу двигателя. Вместе с ионами из плазменного двигателя уходит равный им по величине поток электронов из катода-компенсатора.[3]
См. также
Примечания
- ↑ Большая Советская Энциклопедия, Третье издание БСЭ, 1969—1978 г.
- ↑ Журнал Космические исследования, том XII, в.3, стр.461
- ↑ Журнал Технической физики, том XLII, в.1, стр.54
Ссылки
dic.academic.ru
