March 9th, 2013

Проблема перемещения в космосе стоит перед человечеством с момента начала орбитальных полетов. Ракета взлетая с земли расходует практически все свое топливо, плюс заряды ускорителей и ступеней. И если ракету еще можно оторвать от земли, заправив её огромным количеством топлива, на космодроме, то в открытом космосе заправляться попросту негде и нечем. А ведь после выхода на орбиту нужно двигаться дальше. А топлива нет.

И в этом то и состоит основная проблема современной космонавтики. Выбросить на орбиту корабль с запасом топлива до луны еще можно, под эту теорию строятся планы создать на луне базу дозаправки «дальнобойных» космических кораблей, летящих например на Марс. Но это все слишком сложно.

А решение проблемы было создано очень давно, еще в 1955 году, когда Алексей Иванович Морозов опубликовал статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». В ней он описывал концепцию принципиально нового космического двигателя.

Устройство ионно плазменного двигателя

Принцип действия плазменного двигателя состоит в том, что рабочим телом выступает не сгорающее топливо, как в реактивных двигателях, а разогнанный магнитным полем до безумных скоростей поток ионов.

Источником ионов служит газ, как правило это аргон или водород, бак с газом стоит в самом начале двигателя, оттуда газ подается в отсек ионизации, получается холодная плазма, которая разогревается в следующем отсеке посредством ионного циклотронного резонансного нагрева. После нагрева, высокоэнергетическая плазма подается в магнитное сопло, где она формируется в поток посредством магнитного поля, разгоняется и выбрасывается в окружающую среду. Таки образом достигается тяга.

С тех пор плазменные двигатели прошли большой путь и разделились на несколько основных типов, это электротермические двигатели, электростатические двигатели, сильноточные или магнитодинамические двигатели и импульсные двигатели.

В свою очередь электростатические двигатели делятся на ионные и плазменные (ускорители частиц на квазинейтральной плазме).

В данной статье мы напишем про современные ионные двигатели и их перспективные разработки, так как на наш взгляд именно за ними будущее космического флота.

Ионный двигатель использует в качестве топлива ксенон или ртуть. Первый ионный двигатель назывался сетчатый электростатический ионный двигатель.

Принцип его действия таков:

В ионизатор подается ксенон , который сам по себе нейтрален, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны.

Положительные же ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2 или 3 сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против – 225 на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона.

Российские ионные двигатели. На всех хорошо видны катодные трубки, направленные в сторону сопла

Электроны, пойманные в катодную трубку выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается по двум причинам:

Во первых чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным, а во вторых чтобы ионы «нейтрализованные» таким образом не притягивались обратно к кораблю.

Чтобы ионный двигатель работал нужны всего две вещи – газ и электричество. С первым все просто отлично, двигателю американского межпланетного аппарата Dawn, который стартовал осенью 2007-го, для полета в течении почти 6 лет потребуется всего 425 килограммов ксенона. Для сравнения для корректировки орбиты МКС с помощью обычных ракетных двигателей каждый год затрачивается 7,5 тонн горючего.

Одно плохо – ионные двигатели имеют очень небольшую тягу, порядка 50–100 миллиньютонов, что абсолютно недостаточно при перемещении в атмосфере Земли. Но в космосе, где нет практически никаких сопротивлений, ионный двигатель при длительном разгоне может достигнуть значительных скоростей. Общее приращение скорости за всё время миссии Dawn составит порядка 10 километров в секунду.

Тест ионного двигателя для корабля Deep Space

Недавние испытания проведенные американской компанией Ad Astra Rocket, проведенные в вакуумной камере показали, что их новый Магнитоплазменный двигатель с переменным удельным импульсом” (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) VASIMR VX-200может дать тягу уже в 5 ньютонов.

Второй вопрос – электричество. Тот же VX-200 потребляет 201 кВт энергии. Солнечных батарей такому двигателю просто мало. Следовательно необходимо изобретать новые способы получения энергии в космосе. Тут есть два пути – заправляемые батареи например тритиевые, выводимые на орбиту вместе с кораблем, либо автономный атомный реактор, который и будет питать кораблю на протяжении всего полета.

Еще в 2006 году Европейское космическое агентство (European Space Agency) и Австралийский национальный университет (Australian National University) успешно провели испытания нового поколения космических ионных двигателей, достигнув рекордных показателей.

Двигатели, в которых заряженные частицы ускоряются в электрическом поле - давно известны. Они применяются для ориентации, коррекции орбиты на некоторых спутниках и межпланетных аппаратах, а в ряде космических проектов (как уже осуществившихся, так и только задуманных - читайте , и ) - даже в качестве маршевых.

С ними специалисты связывают дальнейшее освоение Солнечной системы. И хотя все разновидности так называемых электроракетных двигателей сильно уступают химическим в максимальной тяге (граммы против килограммов и тонн), зато кардинально превосходят их в экономичности (расходе топлива на каждый грамм тяги за секунду). А эта экономичность (удельный импульс) прямо пропорционально зависит от скорости выбрасываемой реактивной струи.

Так вот, в опытном двигателе, названном «Двухступенчатый с четырьмя решётками» (Dual-Stage 4-Grid - DS4G), построенном по контракту ESA в Австралии, скорость эта достигла рекордных 210 километров в секунду.

Это, к примеру, раз в 60 выше, чем скорость выхлопа у хороших химических двигателей, и в 4-10 раз больше, чем у прежних «ионников».

Как ясно из названия разработки, такая скорость достигнута двухступенчатым процессом разгона ионов при помощи четырёх последовательных решёток (вместо традиционных одной стадии и трёх решёток), а также высоким напряжением - 30 киловольт. Кроме того, расхождение выходного реактивного пучка составило всего 3 градуса, против примерно 15 градусов - у прежних систем.

А вот информация последних дней.

Ионный двигатель (ИД) работает просто: газ из бака (ксенон, аргон и пр.) ионизируется и разгоняется электростатическим полем. Поскольку масса иона мала, а заряд он может получить значительный, ионы вылетают из двигателя со скоростями до 210 км/с. Химические двигатели могут достичь… нет, ни чего-то подобного, а всего лишь в двадцать раз меньшей скорости истечения продуктов сгорания лишь в исключительных случаях. Соответственно, расход газа в сравнении с расходом химического топлива крайне мал.

Именно поэтому на ИД полностью или частично работали и работают такие «дальнобойные» зонды, как Hayabusa , Deep Space One и Dawn . И если вы собираетесь не просто по инерции лететь до далёких небесных тел, но и активно маневрировать близ них, то без таких двигателей не обойтись.

В 2014 году ионные двигатели справляют полувековой юбилей в космосе. Всё это время проблему эрозии не удавалось решить даже в первом приближении. (Здесь и ниже илл. NASA, Wikimedia Commons.)

Как и всё хорошее, ИД любит, чтобы его питали: на один ньютон тяги нужно до 25 кВт энергии. Представим, что нам поручили запустить 100-тонный космический корабль к Плутону (вы уж простите нас за мечтательность!). В идеале даже для Юпитера нам потребуется 1 000 ньютонов тяги и 10 месяцев, а до Нептуна на той же тяге - полтора года. В общем, давайте про Плутоны всё-таки не будем, а то грустно как-то…

Ну а чтобы получить эти пока умозрительные 1 000 ньютонов, нам потребуется 25 мегаватт. В принципе, ничего технически невозможного - 100-тонный корабль мог бы принять атомный реактор. Кстати, в настоящее время НАСА и Министерство энергетики США работают над проектом Fission Surface Power . Правда, речь идёт о базах на Луне и Марсе, а не о кораблях. Но масса реактора не так уж высока - всего пять тонн, при размерах в 3×3×7 м…

Ну ладно, помечтали и хватит, скажете вы, и тут же вспомните частушку, якобы придуманную Львом Толстым во время Крымской войны. В конце концов, такой большой поток ионов, проходящий через двигатель (а это ключевое препятствие), вызовет его эрозию, и значительно быстрее, чем за десять месяцев или полтора года. Причём это не проблема выбора конструкционного материала - благо разрушаться в таких условиях будут и титан, и алмаз, - а неотъемлемая часть конструкции ионного двигателя per se.

Александр Лосев

Быстрое развитие ракетно-космической техники в XX веке было обусловлено военно-стратегическими, политическими и, в определенной степени, идеологическими целями и интересами двух сверхдержав - СССР и США, а все государственные космические программы являлись продолжением их военных проектов, где главной задачей была необходимость обеспечить обороноспособность и стратегический паритет с вероятным противником. Стоимость создания техники и затраты на эксплуатацию тогда не имели принципиального значения. На создание ракет-носителей и космических аппаратов выделялись колоссальные ресурсы, а 108 минут полета Юрия Гагарина в 1961 году и телетрансляция Нила Армстронга и Базза Олдрина с поверхности Луны в 1969 году были не просто триумфами научно-технической мысли, они еще рассматривались как стратегические победы в битвах «Холодной войны».

Но после того как Советский Союз распался и выбыл из гонки за мировое лидерство, у его геополитических противников, прежде всего у США, исчезла необходимость реализовывать престижные, но крайне затратные космические проекты, чтобы доказывать всему миру превосходство западной экономической системы и идеологических концепций.
В 90-х годах основные политические задачи прошлых лет утратили актуальность, блоковое противостояние сменилось глобализацией, в мире возобладал прагматизм, поэтому большинство космических программ было свернуто или отложено, от масштабных проектов прошлого осталась, как наследие, только МКС. К тому же западная демократия поставила все дорогостоящие государственные программы в зависимость от электоральных циклов.
Поддержка избирателей, необходимая для получения или сохранения власти, заставляет политиков, парламенты и правительства склоняться к популизму и решать сиюминутные задачи, поэтому траты на исследования космоса сокращаются год от года.
Большинство фундаментальных открытий было сделано еще в первой половине ХХ века, а в наши дни наука и технологии достигли определенных пределов, к тому же во всем мире снизилась популярность научных знаний, и ухудшилось качество преподавания математики, физики и других естественных наук. Это и стало причиной застоя, в том числе и в космической сфере, последних двух десятилетий.
Но сейчас становится очевидным, что мир приближается к концу очередного технологического цикла, основанного на открытиях прошлого века. Поэтому любая держава, которая будет обладать принципиально новыми перспективными технологиями в момент смены глобального технологического уклада, автоматически обеспечит себе мировое лидерство как минимум на следующие пятьдесят лет.

Принципиальное устройство ЯРД с водородом в качестве рабочего тела

Это осознают и в Соединенных Штатах, где взят курс на возрождение американского величия во всех сферах деятельности, и в Китае, бросающем вызов американской гегемонии, и в Евросоюзе, который всеми силами пытается сохранить свой вес в глобальной экономике.
Там существует промышленная политика и всерьез занимаются развитием собственного научно-технического и производственного потенциала, а космическая сфера может стать наилучшим полигоном для отработки новых технологий и для доказательства или опровержения научных гипотез, способных заложить основу для создания принципиально иной более совершенной техники будущего.
И вполне естественно ожидать, что США будет первой страной, где возобновятся проекты исследования дальнего космоса с целью создания уникальных инновационных технологий как в области вооружений, транспорта и конструкционных материалов, так и в биомедицине и в сфере телекоммуникаций
Правда, ни даже Соединенным Штатам, успех на пути создания революционных технологий не гарантирован. Есть высокий риск оказаться в тупике, совершенствуя ракетные двигатели полувековой давности на основе химического топлива, как это делает компания SpaceX Илона Маска, или, создавая системы жизнеобеспечения длительного перелета похожие на те, что уже реализованы на МКС.
Может ли Россия, чья стагнация в космической сфере с каждым годом становится заметнее, совершить рывок в гонке за будущее технологическое лидерство, чтобы оставаться в клубе сверхдержав, а не в списке развивающихся стран?
Да, безусловно, Россия может, и более того, заметный шаг вперед уже сделан в ядерной энергетике и в технологиях ядерных ракетных двигателей, несмотря на хроническое недофинансирование космической отрасли.
Будущее космонавтики - это использование ядерной энергии. Чтобы понять, как связаны ядерные технологии и космос, необходимо рассмотреть основные принципы реактивного движения.
Итак, основные типы современных космических двигателей созданы на принципах химической энергетики. Это твердотопливные ускорители и жидкостные ракетные двигатели, в их камерах сгорания компоненты топлива (горючее и окислитель) вступая в экзотермическую физико-химическую реакцию горения, формируют реактивную струю, ежесекундно выбрасывающую из сопла двигателя тонны вещества. Кинетическая энергия рабочего тела струи преобразуется в реактивную силу, достаточную для движения ракеты. Удельный импульс (отношение создаваемой тяги к массе используемого топлива) таких химических двигателей зависит от компонентов топлива, давления и температуры в камере сгорания, а также от молекулярной массы газообразной смеси, выбрасываемой через сопло двигателя.
И чем выше температура вещества и давление внутри камеры сгорания, и чем ниже молекулярная масса газа, тем выше удельный импульс, а значит и эффективность двигателя. Удельный импульс - это количество движения, и его принято измерять в метрах в секунду, также как и скорость.
В химических двигателях наибольший удельный импульс дают топливные смеси кислород-водород и фтор-водород (4500–4700 м/с), но самыми популярными (и удобными в эксплуатации) стали ракетные двигатели, работающие на керосине и кислороде, например двигатели «Союзов» и ракет «Falcon» Маска, а также двигатели на несимметричном диметилгидразине (НДМГ) с окислителем в виде смеси тетраоксида азота и азотной кислоты (советский и российский «Протон», французский «Ариан», американский «Титан»). Их эффективность в 1.5 раза ниже, чем у двигателей на водородном топливе, но и импульса в 3000 м/с и мощности вполне достаточно, для того, чтобы было экономически выгодно выводить тонны полезной нагрузки на околоземные орбиты.
Но полеты к другим планетам требуют намного большего размера космических кораблей, чем все, что были созданы человечеством ранее, включая модульную МКС. В этих кораблях необходимо обеспечивать и длительное автономное существование экипажей, и определенный запас топлива и ресурс работы маршевых двигателей и двигателей для маневров и коррекции орбит, предусмотреть доставку космонавтов в специальном посадочном модуле на поверхность иной планеты, и возврат их на основной транспортный корабль, а затем и возвращение экспедиции на Землю.
Накопленные инженерно-технические знания и химическая энергетика двигателей позволяют вернуться на Луну и достигнуть Марса, поэтому велика вероятность, что в следующем десятилетии человечество побывает на Красной планете.
Если опираться только на имеющиеся космические технологии, то минимальная масса обитаемого модуля для пилотируемого полета к Марсу или к спутникам Юпитера и Сатурна составит примерно 90 тонн, что в 3 раза больше, чем лунные корабли начала 1970-х, а значит, ракеты-носители для их выведения на опорные орбиты для дальнейшего полета к Марсу будут намного превосходить «Сатурн-5» (стартовая масса 2965 тонн) лунного проекта «Аполлон» или советский носитель «Энергия» (стартовая масса 2400 тонн). Потребуется создать на орбите межпланетный комплекс массой до 500 тонн. Полет на межпланетном корабле с химическими ракетными двигателями потребует от 8 месяцев до 1 года времени только в одну сторону, потому что придется делать гравитационные маневры, используя для дополнительного разгона корабля силу притяжения планет, и колоссального запаса топлива.
Но используя химическую энергию ракетных двигателей дальше орбиты Марса или Венеры человечество не улетит. Нужны другие скорости полета космических кораблей и иная более мощная энергетика движения.

Современный проект ядерного ракетного двигателя Princeton Satellite Systems

Для освоения дальнего космоса необходимо значительно повысить тяговооруженность и эффективность ракетного двигателя, а значит увеличить его удельный импульс и ресурс работы. А для этого необходимо внутри камеры двигателя нагреть газ или вещество рабочего тела с низкой атомной массой до температур, в несколько раз превосходящих температуру химического горения традиционных топливных смесей, и сделать это можно с помощью ядерной реакции.
Если вместо обычной камеры сгорания внутрь ракетного двигателя поместить ядерный реактор, в активную зону которого будет подаваться вещество в жидком или газообразном виде, то оно, разогреваясь под большим давлением до нескольких тысяч градусов, начнет выбрасываться через канал сопла, создавая реактивную тягу. Удельный импульс такого ядерного реактивного двигателя будет в несколько раз больше, чем у обычного на химических компонентах, а значит многократно увеличится эффективность как самого двигателя, так и ракеты-носителя в целом. Окислитель для горения топлива при этом не потребуется, а в качестве вещества, создающего реактивную тягу, может быть использован легкий газ водород, мы же знаем, что чем меньше молекулярная масса газа, тем выше импульс, а это позволит намного уменьшить массу ракеты при лучших характеристиках мощности двигателя.
Ядерный двигатель будет лучше обычного, поскольку в зоне реактора легкий газ может нагреваться до температур, превышающих 9 тысяч градусов Кельвина, и струя такого перегретого газа обеспечит намного больший удельный импульс, чем могут дать обычные химические двигатели. Но это в теории.
Опасность даже не в том, что при старте ракеты-носителя с такой ядерной установкой может произойти радиоактивное загрязнение атмосферы и пространства вокруг пусковой площадки, основная проблема, что при высоких температурах может расплавиться сам двигатель вместе с космическим кораблем. Конструкторы и инженеры это понимают и уже несколько десятилетий пытаются найти подходящие решения.
У ядерных ракетных двигателей (ЯРД) есть уже своя история создания и эксплуатации в космосе. Первые разработки ядерных двигателей начались в середине 1950-х годов, то есть еще до полета человека в космос, и практически одновременно и в СССР и в США, а сама идея использовать ядерные реакторы для нагрева рабочего вещества в ракетном двигателе родилась вместе с первыми ректорами в середине 40-х годов, то есть больше 70 лет назад.
В нашей стране инициатором создания ЯРД стал ученый-теплофизик Виталий Михайлович Иевлев. В 1947 году он представил проект, который был поддержан С. П. Королевым, И. В. Курчатовым и М. В. Келдышем. Изначально планировалось использовать такие двигатели для крылатых ракет, а затем ставить и на баллистические ракеты. Разработкой занялись ведущие оборонные КБ Советского Союза, а также научно-исследовательские институты НИИТП, ЦИАМ, ИАЭ, ВНИИНМ.
Советский ядерный двигатель РД-0410 был собран в середине 60-х воронежском «Конструкторском бюро химавтоматики», где создавалось большинство жидкостных ракетных двигателей для космической техники.
В качестве рабочего тела в РД-0410 использовался водород, который в жидком виде проходил через «рубашку охлаждения», отводя лишнее тепло от стенок сопла и не давая ему расплавиться, а затем поступал в активную зону реактора, где нагревался до 3000К и выбрасывался через канал сопла, преобразуя, таким образом, тепловую энергию в кинетическую и создавая удельный импульс в 9100 м/с.
В США проект ЯРД был запущен в 1952 году, а первый действующий двигатель был создан в 1966 году и получил название NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). В 60-х - 70-х годах Советский Союз и США старались не уступать друг другу.
Правда и наш РД-0410, и американский NERVA были твердофазными ЯРД, (ядерное топливо на основе карбидов урана находилось в реакторе в твердом состоянии), и их рабочая температура была в пределах 2300–3100К.
Чтобы увеличить температуру активной зоны без риска взрыва или расплавления стенок реактора, необходимо создать такие условия ядерной реакции, при которых топливо (уран) переходит в газообразное состояние или превращается в плазму и удерживается внутри реактора за счет сильного магнитного поля, не касаясь при этом стенок. А дальше водород, поступающий в активную зону реактора, «обтекает» находящийся в газовой фазе уран, и превращаясь в плазму, с очень высокой скоростью выбрасывается через канал сопла.
Этот тип двигателя получил название газофазного ЯРД. Температуры газообразного уранового топлива в таких ядерных двигателях могут находиться в диапазоне от 10 тысяч до 20 тысяч градусов Кельвина, а удельный импульс достигать 50000 м/с, что в 11 раз выше, чем у самых эффективных химических ракетных двигателей.
Создание и использование в космической технике газофазных ЯРД открытого и закрытого типов - это наиболее перспективное направление развития космических ракетных двигателей и именно то, что необходимо человечеству для освоения планет Солнечной системы и их спутников.
Первые исследования по проекту газофазного ЯРД начались в СССР в 1957 году в НИИ тепловых процессов (НИЦ имени М. В. Келдыша), а само решение о разработке ядерных космических энергоустановок на основе газофазных ядерных реакторов было принято в 1963 году академиком В. П. Глушко (НПО Энергомаш), а затем утверждено постановлением ЦК КПСС и Совета министров СССР.
Разработка газофазного ЯРД велась в Советском Союзе два десятилетия, но, к сожалению, так и не была завершена из-за недостаточного финансирования и необходимости дополнительных фундаментальных исследований в области термодинамики ядерного горючего и водородной плазмы, нейтронной физики и магнитной гидродинамики.
Советские ученые-ядерщики и инженеры-конструкторы столкнулись с рядом проблем, таких как достижение критичности и обеспечение устойчивости работы газофазного ядерного реактора, снижение потерь расплавленного урана при выбросе водорода, разогретого до нескольких тысяч градусов, теплозащита сопла и генератора магнитного поля, накопление продуктов деления урана, выбор химически стойких конструкционных материалов и пр.
А когда для советской программы «Марс-94» первого пилотируемого полета на Марс начала создаваться ракета-носитель «Энергия», проект ядерного двигателя был отложен на неопределенный срок. Советскому Союзу не хватило совсем немного времени, а главное политической воли и эффективности экономики, чтобы осуществить высадку наших космонавтов на планету Марс в 1994 году. Это было бы бесспорным достижением и доказательством нашего лидерства в высоких технологиях в течение следующих нескольких десятилетий. Но космос, как и многое другое, был предан последним руководством СССР. Историю уже не изменить, ушедших ученых и инженеров не вернуть, а утраченные знания не восстановить. Очень многое придется создавать заново.
Но космическая ядерная энергетика не ограничивается только сферой твердо- и газофазных ЯРД. Для создания нагретого потока вещества в реактивном двигателе можно использовать электрическую энергию. Эту идею первым высказал Константин Эдуардович Циолковский еще в 1903 году в своей работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами».
А первый электротермический ракетный двигатель в СССР был создан в 1930-х годах Валентином Петровичем Глушко - будущим академиком АН СССР и руководителем НПО «Энергия».
Принципы работы электрические ракетных двигателей могут быть различными. Обычно их принято делить на четыре типа:

• электротермические (нагревные или электродуговые). В них газ нагревается до температур 1000–5000К и выбрасывается из сопла точно также как и в ЯРД.
• электростатические двигатели (коллоидные и ионные), в которых сначала происходит ионизация рабочего вещества, а затем положительные ионы (атомы, лишенные электронов) ускоряются в электростатическом поле и также выбрасываются через канал сопла, создавая реактивную тягу. К электростатическим относятся также и стационарные плазменные двигатели.
• магнитоплазменные и магнитодинамические ракетные двигатели. Там газовая плазма ускоряется за счет силы Ампера в пересекающихся перпендикулярно магнитном и электрическом полях.
• импульсные ракетные двигатели, в которых используется энергия газов, возникающих при испарении рабочего тела в электрическом разряде.

Плюсом этих электрических ракетных двигателей является низкий расход рабочего тела, КПД до 60% и высокая скорость потока частиц, что позволяет значительно сократить массу космического аппарата, но есть и минус - малая плотность тяги, а соответственно низкая мощность, а также дороговизна рабочего тела (инертные газы или пары щелочных металлов) для создания плазмы.
Все перечисленные типы электродвигателей реализованы на практике и многократно использовались в космосе и на советских и на американских аппаратах начиная с середины 60-х годов, но из-за своей малой мощности применялись в основном в качестве двигателей коррекции орбит.
С 1968 по 1988 годы в СССР была запущена целая серия спутников «Космос» с ядерными установками на борту. Типы реакторов носили названия: «Бук», «Топаз» и «Енисей».
Реактор проекта «Енисей» обладал тепловой мощностью до 135 кВт и электрической мощностью порядка 5 кВт. Теплоносителем являлся натрий-калиевый расплав. Этот проект был закрыт в 1996 году.
Для настоящего маршевого ракетного электродвигателя требуется очень мощный источник энергии. И лучшим источником энергии для таких космических двигателей является ядерный реактор.
Ядерная энергетика - одна из высокотехнологичных отраслей, где наша страна сохраняет лидирующие позиции. И принципиально новый ракетный двигатель в России уже создается и этот проект близок к успешному завершению в 2018 году. Летные испытания намечена на 2020 год.
И если газофазный ЯРД - это тема будущих десятилетий к которой предстоит вернуться после проведения фундаментальных исследований, то его сегодняшняя альтернатива - это ядерная энергодвигательная установка мегаваттного класса (ЯЭДУ), и она уже создается предприятиями Росатома и Роскосмоса с 2009 года.
В создании ядерного энергодвигателя и транспортно-энергетического модуля принимают участие НПО «Красная звезда», которое на сегодняшний день является единственным в мире разработчиком и изготовителем космических ядерных энергетических установок, а также Исследовательский центр им. М. В. Келдыша, НИКИЭТ им. Н. А. Доллежаля, «НИИ НПО «Луч», «Курчатовский институт», ИРМ, ФЭИ, НИИАР и НПО Машиностроения.
Ядерная энергодвигательная установка включает в себя высокотемпературный газоохлаждаемый ядерный реактор на быстрых нейтронах с системой турбомашинного преобразования тепловой энергии в электрическую, систему холодильников-излучателей для отвода избыточного тепла в космос, приборно-агрегатный отсек, блок маршевых плазменных или ионных электродвигателей и контейнер для размещения полезной нагрузки.
В энергодвигательной установке ядерный реактор служит источником электроэнергии для работы электрических плазменных двигателей, при этом газовый теплоноситель реактора, проходящий через активную зону, попадает в турбину электрогенератора и компрессора и возвращается обратно в реактор по замкнутому контуру, а не выбрасывается в пространство как в ЯРД, что делает конструкцию более надежной и безопасной, а значит пригодной для пилотируемой космонавтики.
Планируется, что ядерная энергодвигательная установка будет применяться для многоразового космического буксира для обеспечения доставки грузов при освоении Луны или создания многоцелевых орбитальных комплексов. Плюсом будет являться не только многоразовое использование элементов транспортной системы (чего пытается добиться Илон Маск в своих космических проектах SpaceX), но и возможность доставки в три раза большей массы грузов, чем на ракетах с химическими реактивными двигателями сопоставимой мощности за счет уменьшения стартовой массы транспортной системы. Особая конструкция установки делает ее безопасной для людей и окружающей среды на Земле.
В 2014 году на ОАО «Машиностроительный завод» в г. Электросталь был собран первый тепловыделяющий элемент (твэл) штатной конструкции для этой ядерной электродвигательной установки, а в 2016 проведены испытания имитатора корзины активной зоны реактора.
Сейчас (в 2017 году) ведутся работы по изготовлению элементов конструкции установки и тестирование узлов и агрегатов на макетах, а также автономные испытания систем турбомашинного преобразования энергии и прототипов энергоблоков. Завершение работ запланировано на конец следующего 2018 года, правда, с 2015 года начало накапливаться отставание от графика.
Итак, как только эта установка будет создана, Россия станет первой в мире страной обладающей ядерными космическими технологиями, которые лягут в основу не только будущих проектов освоения Солнечной системы, но и земной и внеземной энергетики. Космические ядерные энергетические установки можно будет использовать для создания систем дистанционной передачи электроэнергии на Землю или на космические модули с помощью электромагнитного излучения. И это тоже станет передовой технологией будущего, где наша страна будет иметь лидирующие позиции.
На основе разрабатываемых плазменных электродвигателей будут созданы мощные двигательные установки для дальних полетов человека в космос и в первую очередь для освоения Марса, достичь орбиты которого можно будет всего за 1,5 месяца, а не за год с лишним, как при использовании обычных химических реактивных двигателей.
А будущее всегда начинается с революции в энергетике. И никак иначе. Энергетика первична и именно величина энергопотребления влияет на технический прогресс, на обороноспособность и на качество жизни людей.

Экспериментальный плазменный ракетный двигатель NASA

Советский астрофизик Николай Кардашёв еще в 1964 году предложил шкалу развития цивилизаций. Согласно этой шкале уровень технологического развития цивилизаций зависит от количества энергии, которое население планеты использует для своих нужд. Так цивилизация I типа использует все доступные ресурсы, имеющиеся на планете; цивилизация II типа - получает энергию своей звезды, в системе которой находится; а цивилизация III типа пользуется доступной энергией своей галактики. Человечество пока не доросло до цивилизации I типа по этой шкале. Мы используем лишь 0.16% всего объема потенциального энергетического запаса планеты Земля. А значит, и России и всему миру есть куда расти, и эти ядерные технологии откроют нашей стране дорогу не только в космос, но и будущее экономическое процветание.
И, возможно, единственный вариант для России в научно-технической сфере - это совершить сейчас революционный прорыв в ядерных космических технологиях для того чтобы одним «прыжком» преодолеть многолетнее отставание от лидеров и оказаться сразу у истоков новой технологической революции в очередном цикле развития человеческой цивилизации. Такой уникальный шанс выпадает той или иной стране лишь один раз в несколько столетий.
К сожалению, Россия, не уделявшая в последние 25 лет должного внимания фундаментальным наукам и качеству высшего и среднего образования, рискует навсегда упустить этот шанс, если программа окажется свернутой, а на смену нынешним ученым и инженерам не придет новое поколение исследователей. Геополитические и технологические вызовы, с которыми столкнется Россия уже через 10–12 лет, будут очень серьезными, сопоставимыми с угрозами середины ХХ века. Чтобы сохранить суверенитет и целостность России в будущем уже сейчас необходимо срочно начинать подготовку специалистов, способных на эти вызовы отвечать и создавать что-то принципиально новое.
Есть лишь примерно 10 лет на то, чтобы превратить Россию в мировой интеллектуально-технологический центр, и без серьезного изменения качества образования это сделать невозможно. Для научно-технологического прорыва необходимо вернуть системе образования (и школьной и ВУЗовской) системность взглядов на картину мира, научную фундаментальность и мировоззренческую целостность.
А что касается нынешнего застоя в космической отрасли, то это не страшно. Физические принципы, на которых основаны современные космические технологии будут еще долго востребованы сектором обычных спутниковых услуг. Вспомним, что человечество использовало парус на протяжении 5.5 тысяч лет, а эпоха пара длилась почти 200 лет, и лишь в ХХ веке мир начал стремительно меняться, потому что произошла очередная научно-техническая революция, запустившая волну инноваций и смену технологических укладов, что в итоге изменило и мировую экономику и политику. Главное, оказаться у истоков этих изменений[email protected] ,
сайт: https://delpress.ru/information-for-subscribers.html

Подписаться на электронную версию журнала «Арсенал Отечества» можно по ссылке .
Стоимость годовой подписки -
10 800 руб.

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.

1) электрический ракетный двигатель, в котором рабочее тело плазма;2) то же, что электромагнитный ракетный двигатель …

1) электрический ракетный двигатель, в котором рабочее тело плазма; 2) то же, что электромагнитный ракетный двигатель. * * * ПЛАЗМЕННЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЛАЗМЕННЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, 1) электрический ракетный двигатель (см. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ… … Энциклопедический словарь

Реактивный двигатель, источник энергии и рабочее тело которого находится в самом средстве передвижения. Ракетный двигатель единственный практически освоенный для вывода полезной нагрузки на орбиту искусственного спутника Земли и применения в… … Википедия

Варианты конструкции ТЯРД Термоядерный ракетный двигатель (ТЯРД) перспективный ракетный двигатель для космических полётов, в котором для создания тяги предполагаетс … Википедия

Плазменный двигатель, электрический ракетный двигатель, в к ром превращённое в плазму рабочее тело разгоняется с помощью электромагн. поля. Уд. импульс Э. р. д. может достигать неск. сотен км/с. Впервые испытан в полёте на сов. КА Зонд 2 . См.… … Большой энциклопедический политехнический словарь

- (плазменный, магнитогидродинамический), электрический ракетный двигатель, в котором рабочее тело находится в состоянии плазмы и разгоняется с помощью воздействующего на него электромагнитного поля. Удельный импульс 15 100 км/с. * * *… … Энциклопедический словарь

- (плазменный магнитогидродинамический), электрический ракетный двигатель, в котором рабочее тело находится в состоянии плазмы и разгоняется с помощью воздействующего на него электромагнитного поля. Удельный импульс 15 100 км/с … Большой Энциклопедический словарь

Электромагнитный ракетный двигатель, плазменный ракетный двигатель, ЭРД электрический ракетный двигатель, создающий тягу за счёт разгона в электромагнитном поле рабочего тела, превращённого в плазму. Принципы работы ЭРД состоит из двух основных… … Википедия

Плазменные двигатели: миф и реальность

Проклятие Циолковского

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

Н а 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 . 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 Я РД может состав лять9 - 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

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. О днако 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 .

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.

Ист очник: 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 нагрузо к.

Принципиальная Схема MPD — thruster,