Плазменные двигатели: мифы и реальность. В россии приступили к изготовлению плазменного ракетного двигателя Как работает спд
Доктор физико-математических наук А. МОРОЗОВ.
В Политехническом музее Москвы хранится уникальный экспонат - двигательная установка малой тяги с питанием от солнечных батарей, созданная в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова под руководством профессора Алексея Ивановича Морозова. Реактивную тягу этого стационарного плазменного двигателя (СПД) создает не поток газов или продуктов химической реакции топлива с окислителем, а плазма, разогнанная электромагнитным полем. Двигатели такого рода предназначены для перехода искусственных спутников Земли с одной орбиты на другую, стабилизации на орбите и других целей. Стационарные плазменные двигатели получили высокую оценку и за рубежом. СПД - единственная отечественная разработка, представленная в отделе космонавтики парижского Дома науки и техники.
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).
Наука и жизнь // Иллюстрации
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 lnM 0 /M 1 ,
где w - скорость истечения газов из сопла реактивного двигателя, M 0 - начальная масса аппарата, M 1 - 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 (M 0 /M 1 = 10), характеристическая скорость V = 2,3w . Когда это отношение масс уменьшается до 0,01, скорость возрастает только в два раза, и, даже сделав M 0 /M 1 = 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 2000 о 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 45 о) 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 10 о. Так были созданы СПД второго поколения.
Плазменные двигатели сегодня применяются в космической промышленности. Однако эти системы в отличие от жидкостных моделей могут использоваться только в вакуумной среде. Их чаще всего применяют в космической промышленности для удержания стационарного спутника на определенных координатах. Недавно российские физики испытали плазменный двигатель для самолетов. Его внедрение будет возможным только после создания генераторов энергии подходящих размеров .
Принцип действия плазменного двигателя
Плазменные системы представляют собой вариант ракетного двигателя, преобразующего топливо в ионизированный газ. В перспективе разработчики рассматривают применение этого оборудования для совершения сверхбыстрых перелетов в космическом пространстве. Первые разработки таких установок велись еще во второй половине XX века .
Двигатель этого типа работает по следующему принципу:
- На начальном этапе происходит подача газа в специальную камеру, чья внутренняя поверхность исполняет роль катода, а внешняя - анода.
- При подаче высокого напряжения магнитное поле формирует газовый разряд с последующей ионизацией газа, который превращается в плазму.
- Плазменная субстанция, повинуясь физическим законам, вырывается из рабочей зоны, создавая реактивную тягу.
Мощность оборудования напрямую зависит от силы воздействия магнитного поля и габаритов устройства. Процесс образования плазмы протекает быстрее и легче в вакуумной среде, чем в условиях атмосферы.
Перспективы новейшей разработки
Устройство нового типа, по утверждению разработчиков, существенно превосходит своих предшественников по мощности. Оно представляет собой 6 анодов, установленных вокруг катода. Под воздействием наносекундных импульсов в устройстве происходят газовые разряды, создающие ионизацию.
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.
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.
