Motori al plasma: miti e realtà. I fisici russi hanno testato un motore al plasma per un aereo Motore al plasma per un aereo

Sul tavolo della Fondazione per la ricerca avanzata è stata presentata una domanda, elaborata dal consiglio tecnico-scientifico della NPO Energomash e dal Centro nazionale di ricerca Istituto Kurchatov. L'applicazione è dedicata alla realizzazione di un progetto piuttosto ambizioso che consentirà la realizzazione di un motore a razzo al plasma senza elettrodi. Abbreviato come BPRD. È stato definito un chiaro ambito di lavoro, consentendo la produzione di un campione di laboratorio del motore.

Fondamentalmente, un ERE (motore a razzo elettrico) è un motore elettrico, in cui il fluido di lavoro è in grado di acquisire accelerazione in uno stato speciale di plasma. L'idea originale dei motori al plasma appartiene al fisico sovietico AI Morozov, che la propose negli anni '60. L'applicazione odierna di tali propulsori è quella di mantenere stazioni vicino ai satelliti per le comunicazioni.

Una nuova generazione di motori al plasma, che sarà prodotta presso Energomash, ha una potenza di oltre 100 kW. Possono essere utilizzati non solo per i satelliti geostazionari. Tali motori sono adatti per voli caratterizzati come interstellari.

Gli ultimi anni nel mondo sono segnati da numerosi sviluppi dei motori al plasma. Possono essere attribuiti alla nuova generazione. Si tratta di un propulsore al plasma elicoidale dell'Agenzia spaziale europea, in collaborazione con l'Agenzia spaziale iraniana e l'Università nazionale australiana. Questo è anche lo sviluppo di ingegneri canadesi e americani della Ad Astra Rocket Company. Il motore americano-canadese ha una potenza di 200 kW.

Il messaggio di Roskosmos afferma che molte opzioni per la moderna propulsione elettrica si sono dimostrate positive. Hanno una quantità di moto elevata e una bassa portata massica del fluido di lavoro. Ciò consentirà nel prossimo futuro di inviare veicoli spaziali su rotte a lunga distanza. Ma resta da risolvere il problema della bassa spinta. Limita fortemente la capacità di superare grandi distanze cosmiche. Attualmente, gli ERE vengono utilizzati per correggere le orbite di veicoli spaziali di dimensioni relativamente piccole. Un tale motore, di regola, ha una potenza non superiore a 50 kW. Nell'orbita terrestre, tali motori sono alimentati da pannelli solari.

L'unicità dell'ultimo sviluppo russo

Il motore russo a razzo al plasma senza elettrodi ha la massima efficienza energetica. In pratica, è in grado di utilizzare quasi qualsiasi sostanza come fluido di lavoro, per modificare l'entità dell'impulso specifico. I suoi parametri di potenza massima sono limitati solo dalla potenza di alimentazione del generatore ad alta frequenza. Poiché le restrizioni sull'impatto della sostanza di lavoro con gli elementi strutturali sono state rimosse, un tale motore ha nel suo potenziale un'enorme risorsa di lavoro.

La possibilità di mettere in pratica le idee innovative che stanno alla base dello sviluppo russo è apparsa grazie alle recenti scoperte nel campo della fusione termonucleare. Inoltre, gli specialisti russi hanno fatto grandi progressi nel percorso di studio delle tecnologie dei superconduttori ad alta temperatura e dei generatori ad alta frequenza. Oggi gli scienziati devono decidere come ottimizzare i processi del plasma e sviluppare un generatore ad alta frequenza. I sistemi di alimentazione elettrica del BPRD e, soprattutto, la loro gestione sono soggetti a miglioramenti. Per garantire la soluzione di tutti questi problemi ingegneristici e scientifici più complessi, è necessario creare una base sperimentale e di banco di prova.

Gli specialisti dell'Istituto Kurchatov lavorano sui motori al plasma da più di una dozzina di anni. Dal 2010, il Design Bureau of Chemical Automatics studia i problemi della propulsione elettrica. Hanno già un motore magnetoplasmodinamico con una potenza di 10 kW e un potente motore ionico ad alta frequenza (300 W).

I moderni motori a razzo fanno un buon lavoro nel mettere la tecnologia in orbita, ma sono del tutto inadatti ai viaggi spaziali a lungo termine. Pertanto, da oltre un decennio, gli scienziati lavorano alla creazione di motori spaziali alternativi che potrebbero accelerare le navi fino a raggiungere velocità record. Diamo un'occhiata a sette idee principali da quest'area.

EmDrive

Per muoverti, devi allontanarti da qualcosa: questa regola è considerata uno dei pilastri incrollabili della fisica e dell'astronautica. Da cosa esattamente spingersi - dalla terra, dall'acqua, dall'aria o da un getto di gas, come nel caso dei motori a razzo - non è così importante.

Un noto esperimento mentale: immagina che un astronauta vada nello spazio, ma il cavo che lo collega alla nave si rompe improvvisamente e l'uomo inizia lentamente a volare via. Tutto quello che ha è una cassetta degli attrezzi. Quali sono le sue azioni? Risposta corretta: deve buttare via gli attrezzi dalla nave. Secondo la legge di conservazione della quantità di moto, una persona verrà lanciata via dallo strumento esattamente con la stessa forza con cui lo strumento viene lanciato dalla persona, quindi si sposterà gradualmente verso la nave. Questa è la propulsione a reazione: l'unico modo possibile per muoversi nello spazio vuoto. È vero, EmDrive, come mostrano gli esperimenti, ha alcune possibilità di confutare questa affermazione incrollabile.

Il creatore di questo motore è l'ingegnere britannico Roger Schaer, che ha fondato la propria azienda Satellite Propulsion Research nel 2001. Il design di EmDrive è molto stravagante e ha la forma di un secchio di metallo, sigillato su entrambe le estremità. All'interno di questo secchio c'è un magnetron che emette onde elettromagnetiche, le stesse di un forno a microonde convenzionale. E risulta essere sufficiente per creare una spinta molto piccola, ma abbastanza evidente.

L'autore stesso spiega il funzionamento del suo motore attraverso la differenza di pressione della radiazione elettromagnetica alle diverse estremità del "secchio" - all'estremità stretta è inferiore che a quella larga. Questo crea una spinta diretta verso l'estremità stretta. La possibilità di tale funzionamento del motore è stata contestata più di una volta, ma in tutti gli esperimenti l'installazione di Shaer mostra la presenza di spinta nella direzione prevista.

Tra gli sperimentatori che hanno testato il “secchio” Schaer, organizzazioni come la NASA, l'Università Tecnica di Dresda e l'Accademia cinese delle Scienze. L'invenzione è stata testata in una varietà di condizioni, incluso nel vuoto, dove ha mostrato una spinta di 20 micronewton.

Questo è molto piccolo rispetto ai motori a reazione chimici. Ma, dato che il motore di Shaer può funzionare per un tempo arbitrariamente lungo, poiché non necessita di rifornimento di carburante (le batterie solari possono fornire il magnetron), è potenzialmente in grado di accelerare la navicella spaziale a velocità enormi, misurate come percentuale della velocità di luce.

Per dimostrare appieno l'efficienza del motore è necessario effettuare molte più misurazioni ed eliminare gli effetti collaterali che possono essere generati, ad esempio, dai campi magnetici esterni. Tuttavia, vengono già avanzate possibili spiegazioni alternative per la spinta anomala del motore Shaer, che, in generale, viola le consuete leggi della fisica.

Ad esempio, vengono proposte versioni secondo cui il motore può creare spinta grazie all'interazione con il vuoto fisico, che a livello quantistico ha energia diversa da zero ed è pieno di particelle elementari virtuali che nascono e scompaiono costantemente. Chi alla fine si rivelerà giusto: gli autori di questa teoria, lo stesso Shaer o altri scettici, lo scopriremo nel prossimo futuro.

vela solare

Come accennato in precedenza, la radiazione elettromagnetica esercita una pressione. Ciò significa che teoricamente può essere convertito in movimento, ad esempio con l'aiuto di una vela. Proprio come le navi delle epoche passate catturavano il vento con le loro vele, le astronavi del futuro catturerebbero il sole o qualsiasi altra luce stellare con le loro vele.

Il problema, però, è che la pressione della luce è estremamente bassa e diminuisce con l’aumentare della distanza dalla sorgente. Pertanto, per essere efficace, una vela del genere deve avere un peso molto ridotto e un'area molto ampia. E questo aumenta il rischio di distruzione dell'intera struttura quando incontra un asteroide o un altro oggetto.

Tentativi di costruire e lanciare velieri solari nello spazio hanno già avuto luogo: nel 1993 la Russia ha testato una vela solare sulla navicella spaziale Progress e nel 2010 il Giappone l'ha testata con successo nel suo viaggio verso Venere. Ma nessuna nave ha ancora utilizzato la vela come principale fonte di accelerazione. Un po' più promettente a questo riguardo è un altro progetto: una vela elettrica.

vela elettrica

Il sole emette non solo fotoni, ma anche particelle di materia caricate elettricamente: elettroni, protoni e ioni. Tutti formano il cosiddetto vento solare, che ogni secondo porta via circa un milione di tonnellate di materia dalla superficie della stella.

Il vento solare si estende per miliardi di chilometri ed è responsabile di alcuni fenomeni naturali del nostro pianeta: le tempeste geomagnetiche e l'aurora boreale. La Terra è protetta dal vento solare dal suo stesso campo magnetico.

Il vento solare, come il vento aereo, è abbastanza adatto per viaggiare, basta farlo soffiare nelle vele. Il progetto di una vela elettrica, creato nel 2006 dallo scienziato finlandese Pekka Janhunen, esteriormente ha poco in comune con quella solare. Questo motore è costituito da numerosi cavi lunghi e sottili, simili ai raggi di una ruota senza cerchione.

Grazie al cannone elettronico che emette contro la direzione di marcia, questi cavi acquisiscono un potenziale carico positivo. Poiché la massa di un elettrone è circa 1800 volte inferiore a quella di un protone, la spinta creata dagli elettroni non avrà un ruolo fondamentale. Anche gli elettroni del vento solare non sono importanti per una vela del genere. Ma le particelle caricate positivamente – protoni e radiazioni alfa – verranno respinte dai cavi, creando così una spinta a getto.

Anche se questa spinta sarà circa 200 volte inferiore a quella di una vela solare, l'Agenzia spaziale europea si è interessata. Il fatto è che una vela elettrica è molto più facile da progettare, produrre, schierare e utilizzare nello spazio. Inoltre, con l'aiuto della gravità, la vela permette anche di viaggiare verso la sorgente del vento stellare, e non semplicemente allontanarsi da essa. E poiché la superficie di tale vela è molto più piccola di quella del sole, è molto meno vulnerabile agli asteroidi e ai detriti spaziali. Forse nei prossimi anni vedremo le prime navi sperimentali a vela elettrica.

motore a ioni

Il flusso di particelle cariche di materia, cioè gli ioni, non viene emesso solo dalle stelle. Il gas ionizzato può anche essere creato artificialmente. Normalmente, le particelle di gas sono elettricamente neutre, ma quando i suoi atomi o molecole perdono elettroni, si trasformano in ioni. Nella sua massa totale, un tale gas non ha ancora carica elettrica, ma le sue singole particelle si caricano, il che significa che possono muoversi in un campo magnetico.

In un propulsore ionico, un gas inerte (solitamente viene utilizzato lo xeno) viene ionizzato da un flusso di elettroni ad alta energia. Eliminano gli elettroni dagli atomi e acquisiscono una carica positiva. Inoltre, gli ioni risultanti vengono accelerati in un campo elettrostatico a velocità dell'ordine di 200 km / s, che è 50 volte maggiore della velocità del deflusso del gas dai motori a reazione chimici. Tuttavia, i moderni propulsori ionici hanno una spinta molto piccola: circa 50-100 millinewton. Un motore del genere non sarebbe nemmeno in grado di spostarsi dal tavolo. Ma ha un vantaggio serio.

L'elevato impulso specifico può ridurre significativamente il consumo di carburante nel motore. Per ionizzare il gas viene utilizzata l'energia ottenuta dai pannelli solari, quindi il motore ionico è in grado di funzionare per un tempo molto lungo, fino a tre anni senza interruzioni. Per questo periodo avrà il tempo di accelerare la navicella spaziale a velocità che i motori chimici non avrebbero mai immaginato.

I propulsori ionici hanno vagato per il sistema solare più di una volta come parte di varie missioni, ma di solito come ausiliari, non primari. Oggi, come possibile alternativa ai motori a ioni, si parla sempre più spesso di motori al plasma.

Motore al plasma

Se il grado di ionizzazione degli atomi diventa elevato (circa il 99%), allora tale stato aggregato della materia viene chiamato plasma. Lo stato del plasma può essere raggiunto solo a temperature elevate, pertanto nei motori al plasma il gas ionizzato viene riscaldato a diversi milioni di gradi. Il riscaldamento viene effettuato utilizzando una fonte di energia esterna: pannelli solari o, più realisticamente, un piccolo reattore nucleare.

Il plasma caldo viene quindi espulso attraverso l'ugello del razzo, producendo una spinta dieci volte maggiore rispetto a quella di un propulsore ionico. Un esempio di motore al plasma è il progetto VASIMR, sviluppato dagli anni '70. A differenza dei propulsori ionici, i propulsori al plasma non sono ancora stati testati nello spazio, ma su di essi sono riposte grandi speranze. È il motore al plasma VASIMR uno dei principali candidati per i voli con equipaggio su Marte.

Motore a fusione

È dalla metà del XX secolo che si cerca di domare l’energia della fusione termonucleare, ma finora non ci sono riusciti. Tuttavia, la fusione termonucleare controllata è ancora molto attraente, perché è una fonte di enorme energia ottenuta da combustibili molto economici: isotopi di elio e idrogeno.

Al momento ci sono diversi progetti per la progettazione di un motore a reazione alimentato da fusione termonucleare. Il più promettente di questi è considerato un modello basato su un reattore con confinamento magnetico del plasma. Un reattore termonucleare in un tale motore sarebbe una camera cilindrica non pressurizzata che misura 100–300 metri di lunghezza e 1–3 metri di diametro. Il carburante deve essere fornito alla camera sotto forma di plasma ad alta temperatura che, a pressione sufficiente, entra in una reazione di fusione nucleare. Le bobine di un sistema magnetico situate attorno alla camera dovrebbero impedire al plasma di entrare in contatto con l'apparecchiatura.

La zona di reazione termonucleare si trova lungo l'asse di tale cilindro. Con l'aiuto dei campi magnetici, il plasma estremamente caldo scorre attraverso l'ugello del reattore, creando un'enorme spinta, molte volte maggiore di quella dei motori chimici.

Motore dell'antimateria

Tutta la materia che ci circonda è costituita da fermioni, particelle elementari con spin semiintero. Questi sono, ad esempio, i quark che costituiscono i protoni e i neutroni nei nuclei atomici, nonché gli elettroni. Ogni fermione ha la propria antiparticella. Per un elettrone è un positrone, per un quark è un antiquark.

Le antiparticelle hanno la stessa massa e lo stesso spin dei loro soliti "compagni", differendo nel segno di tutti gli altri parametri quantistici. In teoria, le antiparticelle sono in grado di costituire l'antimateria, ma finora l'antimateria non è stata registrata da nessuna parte nell'Universo. Per la scienza fondamentale, è una grande domanda il motivo per cui non esiste.

Ma in laboratorio puoi ottenere una certa quantità di antimateria. Ad esempio, recentemente è stato condotto un esperimento confrontando le proprietà dei protoni e degli antiprotoni immagazzinati in una trappola magnetica.

Quando l’antimateria e la materia ordinaria si incontrano, avviene un processo di reciproco annientamento, accompagnato da un’ondata di energia colossale. Quindi, se prendiamo un chilogrammo di materia e antimateria, la quantità di energia rilasciata durante il loro incontro sarà paragonabile all'esplosione della Bomba Zar, la più potente bomba all'idrogeno nella storia dell'umanità.

Inoltre, una parte significativa dell'energia verrà rilasciata sotto forma di fotoni di radiazione elettromagnetica. Di conseguenza, si desidera utilizzare questa energia per i viaggi nello spazio creando un motore fotonico simile a una vela solare, solo che in questo caso la luce sarà generata da una fonte interna.

Ma per utilizzare efficacemente le radiazioni in un motore a reazione, è necessario risolvere il problema della creazione di uno "specchio" in grado di riflettere questi fotoni. Dopotutto, la nave ha bisogno in qualche modo di spingersi per creare spinta.

Nessun materiale moderno può semplicemente resistere alla radiazione generata in caso di tale esplosione ed evaporare istantaneamente. Nei loro romanzi di fantascienza, i fratelli Strugatsky hanno risolto questo problema creando un "riflettore assoluto". Niente di simile è mai stato fatto nella vita reale. Questo compito, così come la questione della creazione di una grande quantità di antimateria e del suo stoccaggio a lungo termine, è una questione di fisica del futuro.

Per il lavoro a lungo termine nello spazio, devono essere utilizzati motori a razzo elettrici affidabili con una velocità di deflusso del plasma dell'ordine di centocinque metri al secondo o più. I motori al plasma iniziarono a essere sviluppati attivamente a metà del secolo scorso. E oggi questo lavoro continua.

Inizio della ricerca

I nostri antenati desideravano da tempo volare nello spazio. Per molto tempo, il gas è stato studiato attivamente utilizzando una scarica elettrica. È stato posto in un contenitore di vetro con elettrodi. Quindi, quando la pressione si ridusse, apparvero i raggi emanati dal catodo, che in realtà, come si scoprì successivamente, era un flusso di elettroni.

E nel 1886 si scoprì che, praticando buchi nel catodo, altri raggi si estendevano nella direzione opposta da essi: atomi ionizzati di gas. Ma poi, ovviamente, non avevano idea di cosa sarebbero stati utilizzati per ottenere

Durante l'Unione Sovietica, nei laboratori della SOAN Fisico-Tecnico furono sviluppati motori a ioni e plasma per applicare queste tecnologie ai veicoli per il volo spaziale. I lavori iniziarono negli anni Cinquanta del XX secolo. Sono stati scoperti due tipi di dispositivi:

• motore di erosione (impulso);
• motore al plasma stazionario (non a impulso).

Sono questi due tipi che vengono utilizzati fino ad oggi.

Erosivo e stazionario

Il motore al plasma oggi noto funziona grazie alla forza reattiva del getto di plasma proveniente dall'ugello. Il plasma stesso si forma mediante una scarica elettrica. Per un motore più semplice, viene selezionata una modalità pulsata (motore al plasma erosivo). La fonte di energia è 0,5 μF e la tensione è 10 kV. La sua ricarica avviene tramite un trasformatore con diodi e resistenza.

Con l'aiuto di tali dispositivi si formano spinte impulsive piccole e precise, che non possono essere ottenute con il funzionamento di altri tipi di motori a razzo. I motori al plasma pulsato furono testati con successo nel 1964 sulla stazione spaziale Zond-2.

L'SPT è una variante di un acceleratore a zona estesa e con deriva chiusa degli elettroni. Tali dispositivi possono funzionare per un lungo periodo di tempo. Due motori allo xeno furono lanciati per la prima volta nel 1972 a bordo della sovietica Meteor.

Principio di funzionamento: prototipo

Il funzionamento dell'installazione è il seguente. La tensione per il condensatore è lo spazio tra il collettore conduttore di corrente e gli elettrodi della camera di scarica. Quando la tensione raggiunge il valore di rottura, nella camera del motore appare una scarica elettrica. L'aria viene riscaldata fino a diecimila unità e acquisisce uno stato di plasma. La pressione aumenta bruscamente e il getto di plasma fuoriesce dall'ugello con grande velocità.

Il razzo, che è collegato al motore, riceve la potenza del jet. Per ottenere una rotazione morbida, il razzo è fissato con un cuscinetto a sfera e bilanciato da un contrappeso.

L'unità elettrica più complessa è il collettore che fornisce corrente. Gli spazi tra gli elettrodi non devono essere più di mezzo millimetro. Quindi non ci sarà quasi nessuna perdita di potenza dal condensatore e non verrà generato alcun attrito aggiuntivo quando il razzo inizia a ruotare.

Il razzo stesso e l'intero razzo al plasma possono avere dimensioni diverse, ma la potenza della sorgente e la dimensione del condensatore devono corrispondere. Per calcolare le unità di base e il progetto del razzo, è conveniente utilizzare lo schema dopo il calcolo con formule speciali.

Valori sperimentati con l'esempio

Utilizzando un esempio con una determinata tensione di seimila watt e una capacità del condensatore di 0,5 * 10 (-6) f, come risultato dei calcoli, l'energia rilasciata nella camera del motore è 5,4 J. E se la differenza di temperatura è 10000K, quindi il volume della camera pari a mezzo centimetro cubo.

Quindi gli elementi del circuito elettrico saranno:

• trasformatore 220 * 5000 V, con una potenza di 200 watt;
• resistenza a filo avvolto con una potenza di 100 watt.

Questo modello ha una tensione operativa di oltre mille volt, quindi è necessario prestare molta attenzione quando si lavora con esso e seguire tutte le norme di sicurezza necessarie.

Norme di sicurezza durante l'esperimento

1. Il lancio viene effettuato da una persona. Altri potrebbero trovarsi a una distanza di un metro dal dispositivo.
2. Tutte le operazioni e il contatto con le mani dell'unità possono essere eseguiti solo se questa è scollegata dall'alimentazione, dopo aver atteso almeno un minuto. Quindi il condensatore avrà il tempo di scaricarsi.
3. L'alimentatore deve essere posizionato in una custodia metallica, chiusa su tutti i lati. Durante il funzionamento, viene messo a terra mediante un filo di rame, il cui diametro deve essere di almeno un millimetro e mezzo.

I propulsori al plasma per i razzi veri devono essere migliaia di volte più potenti! Forse chi oggi sperimenta con piccoli campioni dovrà aprirsi nuove possibilità domani e

Dottore in scienze fisiche e matematiche A. MOROZOV.

Il Museo Politecnico di Mosca ha una mostra unica: un sistema di propulsione a bassa spinta alimentato da batterie solari, creato presso l'Istituto di energia atomica. I. V. Kurchatov sotto la guida del professor Alexei Ivanovich Morozov. La spinta del getto di questo motore al plasma stazionario (SPT) non è creata da un flusso di gas o prodotti di una reazione chimica del carburante con un ossidante, ma dal plasma accelerato da un campo elettromagnetico. Motori di questo tipo sono destinati alla transizione dei satelliti artificiali della Terra da un'orbita all'altra, alla stabilizzazione in orbita e ad altri scopi. I motori al plasma fissi sono stati molto apprezzati anche all'estero. L'SPD è l'unico sviluppo domestico presentato al dipartimento di astronautica della Casa della Scienza e della Tecnologia di Parigi.

Il sistema missilistico americano Saturno-Apollo, con un peso di lancio di 2.900 tonnellate, lancia nello spazio solo 129 tonnellate.

Stand nella Casa della Scienza e della Tecnologia (Parigi), dedicato ai motori al plasma stazionari e al loro creatore - AI Morozov.

MOTORE AL PLASMA. Ecco come funziona un propulsore al plasma stazionario (SPT).

Scienza e vita // Illustrazioni

INCORRETTIVITÀ DI OBIETTIVI E MEZZI

Quando si lanciano satelliti artificiali sulla Terra, si verifica costantemente la stessa situazione. Il satellite viene lanciato nell'orbita di riferimento iniziale ad un'altezza di circa 150 chilometri. Successivamente, deve essere trasferito in un'orbita di lavoro, diciamo geostazionaria, a un'altitudine di 36mila chilometri. Per fare ciò, accendere il motore, che produce la manovra desiderata, dopo aver lavorato per un po '. Il lavoro da lui svolto può essere stimato attraverso il concetto della cosiddetta velocità caratteristica. La sua essenza è la seguente.

Supponiamo che esistano due dispositivi assolutamente identici: uno, diciamo, in orbita vicino alla Terra, l'altro - nello spazio assolutamente vuoto, senza campi gravitazionali e altre influenze. Accendono contemporaneamente i motori che funzionano esattamente nella stessa modalità. Il primo apparecchio effettua manovre, atterra sulla Luna, ritorna e in generale fa tutto ciò che è necessario. E il secondo si muove in linea retta, non manovra, ma il suo motore funziona sempre nella stessa modalità del primo. Alla fine, questo apparato acquisisce una certa velocità, chiamata caratteristica. Determina l'efficienza del motore in determinate condizioni. Poiché è diverso per ogni volo, è possibile, facendo semplici calcoli, stimare immediatamente e con grande precisione quanto costerà ogni manovra.

Nel 1897 K. E. Tsiolkovsky derivò una semplice formula per il valore della velocità caratteristica:

V = w ln M 0 /M 1 ,

Dove w- la velocità del deflusso dei gas dall'ugello di un motore a reazione, M 0 - massa iniziale del dispositivo, M 1 è la sua massa finale.

Dalla formula si può vedere che per accelerare il dispositivo fino a una velocità V, una maggiore velocità di scarico w, dovuta ad un aumento della massa espulsa, è estremamente sfavorevole. Se il propellente rappresenta 0,9 dell'intera massa del razzo e, quindi, la massa finale è 0,1 della massa iniziale ( M 0 /M 1 = 10), velocità caratteristica V = 2,3w. Quando questo rapporto di massa viene ridotto a 0,01, la velocità non fa altro che raddoppiare, e anche dopo la creazione M 0 /M 1 \u003d 0,001, sarà possibile ottenere il totale V = 6,9w: il valore del logaritmo aumenta molto lentamente. Pertanto, durante il volo, bisogna ridurre catastroficamente la massa del veicolo: ricordiamo come si presenta un veicolo di lancio pesante alla partenza e un veicolo di discesa alla fine del volo. In linea di principio questo è possibile, ma praticamente impossibile per le alte velocità.

Resta la seconda opzione: aumentare la velocità di deflusso dei gas reattivi. La velocità caratteristica dipende da essa linearmente, cioè proporzionalmente. Crescerà tante volte quanto aumenterà la velocità del deflusso dei gas.

I moderni motori a reazione funzionano, di regola, grazie alla reazione chimica della combinazione di componenti di carburante e ossidante. Maggiore è l'energia rilasciata nel corso di questa reazione, maggiore è la velocità di deflusso dall'ugello del motore dei suoi prodotti gassosi della stessa massa. L'energia quasi limitante è fornita dalla reazione dell'ossigeno con l'idrogeno (solo il fluoro, soprattutto atomico, con l'idrogeno dà di più; ma sia l'agente ossidante stesso che l'acido fluoridrico sono incredibilmente attivi chimicamente e aggressivi). Tuttavia non è nemmeno in grado di creare flussi con velocità superiori a 4-5 km/s. In molti casi, questo non è sufficiente per la moderna tecnologia spaziale.

Per mettere un satellite in orbita circolare, la portante deve sviluppare una velocità di circa 8 km/s; allontanarsi dalla Terra nello spazio - più di 11 km/s; le velocità caratteristiche corrispondenti saranno superiori del 30%. E se la velocità del deflusso dei gas è dell'ordine della velocità caratteristica per una data manovra, la massa finale dell'apparecchio sarà commisurata alla massa iniziale. Può essere inferiore, anche se di due o tre volte, e non di decine e centinaia, come avviene oggi. Ciò richiede altri motori basati non su reazioni chimiche, ma su altri processi. Richiederanno nuove fonti di energia, perché maggiore è la velocità di scadenza della sostanza di lavoro, maggiore è l'energia richiesta per unità di spinta:

P/F = w/2η,

Dove R- potenza del motore in watt, F- forza di trazione in newton, wè la velocità di deflusso in m/s, η è il fattore di efficienza.

Ci sono solo due fonti di energia nello spazio: il Sole e le reazioni nucleari.

L'energia intranucleare è ottenuta dalle reazioni di fissione di elementi pesanti o dalla sintesi di elementi leggeri. La reazione di fusione è in grado di produrre una quantità colossale di energia, ma è improbabile che imparino a controllarla nel prossimo futuro. Rimangono reattori basati sulla fissione e per piccoli dispositivi: batterie isotopiche. L’energia nucleare, tuttavia, è diventata fortemente compromessa e ha accumulato molti oppositori.

Nelle orbite interne, il Sole può fungere da fonte di energia. C'era, ad esempio, un progetto per utilizzare specchi concentratori di bordo che raccolgono l'energia solare su uno scambiatore di calore a idrogeno. Il gas riscaldato a 2000 o fluirà dall'ugello del motore a reazione ad una velocità di circa 10 km / s, che è già abbastanza per le manovre nello spazio vicino alla Terra. Tuttavia, un sistema del genere è macchinoso e inaffidabile, quindi i pannelli solari rimangono la principale fonte di elettricità a bordo. Se negli anni '60 si prelevava un kilowatt di potenza da un pannello del peso di circa un centesimo, oggi apparecchi “da record” danno la stessa potenza da 20 chilogrammi di massa. In generale, le batterie di bordo forniscono una potenza totale non superiore a 20 kW e rimangono efficaci solo relativamente vicino al Sole, all'interno dell'orbita di Marte o della fascia degli asteroidi. L'intensità della luce diminuisce fortemente con la distanza ( IO~R-2), e per i voli verso pianeti lontani, volenti o nolenti, dovrai usare i reattori. Perché il passaggio a velocità di deflusso del gas commisurate a quelle caratteristiche è un percorso assolutamente inevitabile per lo sviluppo dell'astronautica.

ENERGIA ELETTRICA INVECE CHE CHIMICA

Per sollevare un'enorme navicella spaziale dalla Terra e accelerarla alla prima velocità cosmica, sono necessari milioni e decine di milioni di kilowatt di potenza. In questa fase non esistono ancora alternative reali ai motori a reazione alimentati con combustibili chimici. Ma se il dispositivo è già stato messo in orbita, è del tutto possibile controllarlo con l'aiuto di motori a bassa potenza. Possono mantenere l'orientamento del satellite, stabilizzarlo in orbita, trasferirlo da un'orbita all'altra.

Esistono diversi modelli di tali motori. Attualmente, ad esempio, sono stati creati buoni modelli dei cosiddetti motori elettrici per il riscaldamento. Il gas - ammoniaca o idrazina - viene fatto passare attraverso un catalizzatore, che lo decompone in molecole, e riscaldato con una fonte di calore isotopica o una stufa elettrica. Le molecole hanno una massa molto più piccola e, una volta riscaldate, acquisiscono una velocità maggiore. Ma c'è un altro modo: ottenere un flusso diretto non di molecole, ma di ioni o plasma, disperdendoli con l'aiuto di campi elettrici e magnetici.

Questo percorso è estremamente promettente. Calcoli elementari mostrano che uno ione idrogeno, dopo aver superato una differenza potenziale di 4,5 volt (la tensione della batteria Krona è due volte più alta), acquisirà una velocità di 30 km / s, molto più di quanto possa dare una reazione chimica. Non sorprende che all'inizio degli anni '60, dopo il lancio del primo satellite artificiale della Terra, i lavori per la creazione di motori di propulsione elettrica furono avviati contemporaneamente in molti paesi, ma l'URSS e gli Stati Uniti rimasero i leader. Nel nostro Paese si sono creati gruppi di ricerca molto forti, tra i quali spicca in particolare un gruppo dell'Istituto per l'Energia Atomica. È riuscita a trovare soluzioni scientifiche interessanti, grazie alle quali manteniamo ancora una posizione di leadership in questo campo, e i propulsori stazionari al plasma (SPT) da lei creati sono riconosciuti come i migliori al mondo.

COME FUNZIONA L'SPD

L'accelerazione degli ioni nei campi consente di ottenere velocità che risolvono tutti i problemi del prossimo futuro dell'astronautica. Restava da implementare questa possibilità fondamentale nel metallo. Ci sono due modi per farlo.

Puoi prendere due elettrodi e applicare loro una tensione costante. Lascia che uno abbia una tensione di +4,5 volt e il potenziale del secondo (catodo) sarà considerato zero. L'elettrodo positivo (anodo) è collegato allo ionizzatore di gas. Gli ioni che escono attraverso il foro dell'anodo inizieranno ad accelerare nel campo elettrico, precipitandosi verso l'elettrodo con potenziale zero. Se vi viene praticato un foro, gli ioni voleranno attraverso di esso nello spazio ad una velocità di 30 km/s. E gli elettroni rimanenti nello ionizzatore passano attraverso il circuito elettrico e la fonte di energia fino al catodo. Questo sistema è chiamato propulsore ionico: solo gli ioni si trovano nella zona della sua accelerazione.

In effetti, non esistono motori agli ioni di idrogeno da 4,5 volt. La ragione è una sola: è impossibile ottenere un'elevata densità di particelle nello spazio in accelerazione. Gli ioni creano al suo interno una carica spaziale piuttosto grande, che protegge rapidamente il potenziale dell'elettrodo zero e "blocca" il flusso. Per fornire una corrente sufficientemente grande, è necessario creare un'elevata intensità di campo spostando gli elettrodi il più lontano possibile. Ma la distanza massima tra loro è limitata a frazioni di millimetro: in uno spazio troppo stretto si verificherà una rottura. Inoltre è impossibile aumentare la velocità: ciò comporta un aumento dei costi energetici per unità di spinta. Pertanto, in un tale motore vengono utilizzate particelle pesanti: ioni xeno, mercurio o cesio, funzionano a una tensione dell'ordine di mille volt e ricevono una corrente abbastanza decente e una spinta relativamente grande.

Il secondo modo sono i motori al plasma, dove nella zona di accelerazione sono presenti sia elettroni che ioni. Diamo uno sguardo più da vicino a come funzionano.

Lo svantaggio più significativo dei propulsori ionici è la comparsa di una carica spaziale nello spazio in accelerazione. Sembrerebbe che ciò possa essere evitato inserendovi degli elettroni e ottenendo un plasma quasi neutro. Tuttavia, gli elettroni più leggeri inizieranno immediatamente ad accelerare in un campo elettrico, raggiungendo velocità di migliaia e decine di migliaia di chilometri al secondo. Questo è centinaia di volte più del necessario.

Per superare la mobilità degli elettroni, è necessario che siano "attaccati" a qualcosa. Questo può essere fatto facilmente creando un campo magnetico nello spazio perpendicolare al campo elettrico. In un campo magnetico, le particelle cariche ruotano su un'orbita circolare, la cosiddetta orbita di Larmor. Per gli elettroni, il suo diametro nelle nostre condizioni è di decimi di millimetro e per gli ioni è di circa un metro. Gli ioni praticamente non avvertono il campo magnetico, si muovono solo sotto l'influenza del campo elettrico e lasciano il motore ad alta velocità. Pertanto, il sistema si trasforma in un acceleratore di ioni, in cui non vi è alcuna carica spaziale che interferisce.

A prima vista, il motore al plasma è un dispositivo molto semplice. Si tratta di un elettromagnete anulare, nell'intercapedine del quale è posta una camera (è anche chiamata canale) costituita da materiale dielettrico. L'anodo si trova nella profondità della camera. All'esterno, vicino al taglio della camera, è presente un neutralizzatore catodico. La sostanza di lavoro (xeno) entra nel canale e viene ionizzata vicino all'anodo. Gli ioni vengono accelerati nel campo elettrico e volano fuori dal motore, creando una spinta a getto. E gli elettroni, come nel motore ionico, arrivano all'anodo, passano attraverso il circuito fino al neutralizzatore del catodo ed entrano nel flusso ionico, neutralizzando sia esso che il motore. È assolutamente necessario farlo, altrimenti il ​​satellite, espellendo ioni positivi dal motore, acquisirebbe un grande potenziale negativo.

SPD A TERRA E NELLO SPAZIO

Il nostro Paese continua a essere all’avanguardia nella progettazione di sistemi missilistici elettrici. Su quasi sessanta satelliti russi sono installati motori al plasma fissi come motori di correzione. Regolano la posizione del satellite in orbita e, in linea di principio, possono trasferirlo, ad esempio, da un'orbita di riferimento ad un'altitudine di 150-200 chilometri a un'orbita geostazionaria ad un'altezza di 36.000 chilometri. Questa operazione richiederà dai tre ai quattro mesi di lavoro continuo, durante i quali verranno buttati fuori solo dieci chilogrammi di sostanza. Gli esperti ritengono che nei prossimi due o tre anni inizierà un vero boom nell'uso dei motori a razzo elettrici sia per correggere le orbite dei satelliti artificiali della Terra sia per i voli verso altri pianeti. Per tutte queste opere sono indispensabili gli SPD; verranno inoltre installati nella stazione automatica che, nell'ambito del programma dell'Accademia russa delle scienze, sarà lanciata sul satellite di Marte Phobos all'inizio del terzo millennio. Ma per l'orientamento del veicolo spaziale sono troppo potenti, per questo sono necessarie strutture molto in miniatura.

E per risolvere problemi puramente terrestri, il campo di attività dei motori al plasma è enorme. Già ora gli SPT nel design appropriato vengono utilizzati per la lavorazione di varie superfici: dal metallo, al vetro, ai semiconduttori. Ma, a quanto pare, la portata della loro applicazione, o meglio, i principi in essi stabiliti, sarà incomparabilmente più ampia, soprattutto perché la potenza di tali sistemi può essere aumentata migliaia di volte. Ciò è dovuto principalmente al loro elemento strutturale fondamentalmente nuovo: elettrodi magnetoelettronici trasparenti, che in molti casi possono sostituire gli elettrodi a stato solido.

Dettagli per i curiosi

STORIA DEI MOTORI AL PLASMA

I primi prerequisiti per la creazione di motori agli ioni di plasma sono sorti più di cento anni fa.

Alla fine del secolo scorso iniziò un intenso lavoro sullo studio dei gas mediante scarica elettrica. Il gas analizzato a bassa pressione è stato posto in un tubo di vetro con elettrodi saldati: un anodo e un catodo. Con un'ulteriore diminuzione della pressione nel tubo, i raggi emanati dal catodo diventavano visibili. Uno studio dettagliato ha dimostrato che questi "raggi catodici" sono un flusso di elettroni.

Nel 1886 fu scoperto un altro fenomeno interessante. Se in un catodo piatto vengono praticati dei fori ("canali"), altri raggi, chiamati raggi canale, si estenderanno attraverso di essi nella direzione opposta. Questi erano flussi di atomi di gas ionizzati. Tuttavia, a quel tempo, ovviamente, nessuno pensava che potessero essere utilizzati per ottenere la propulsione a reazione.

Il primo efficiente propulsore ionico fu creato dall'americano G. Kaufman negli anni '60 e utilizzato nell'esperimento spaziale Sert-II. I motori di questo tipo hanno una camera di ionizzazione con uno spinterometro elettrico e un elettrodo di accelerazione sotto forma di piastra forata. Il gas di lavoro (ad esempio lo xeno) entra nella camera, dove i suoi atomi decadono in elettroni e ioni caricati positivamente. Il flusso ionico lascia la camera e accelera sotto l'azione di una tensione applicata all'elettrodo bucato. Gli elettroni attraversano il circuito di alimentazione del motore ed entrano nel neutralizzatore, che ostacola il fascio ionico. Gli ioni, allontanandosi dal motore, li trasportano con sé.

Più o meno nello stesso periodo, nel nostro paese è stato creato un motore ad erosione al plasma progettato da A. M. Andrianov. Divenne il primo dispositivo di questo tipo lanciato nello spazio: nel 1964 fu installato sull'apparato Zond-2 come propulsore di orientamento alimentato da batterie solari.

Il motore è realizzato sotto forma di due elettrodi coassiali cilindrici separati da un isolante. All'elettrodo centrale è collegato un ago di accensione collegato ad un banco di condensatori. Quando il condensatore si scarica, si verifica una scarica tra l'ago e l'elettrodo, provocandone l'evaporazione (erosione) e la ionizzazione. Questo plasma "seme" entra nello spazio tra gli elettrodi, che sono alimentati dall'alta tensione del banco di condensatori principale. La comparsa del plasma avvia una scarica superficiale, che vaporizza il materiale dell'isolante e ionizza le sue molecole. Il riscaldamento e l'interazione della corrente con il proprio campo magnetico accelerano il plasma.

Verso la metà degli anni '60 nel nostro Paese erano stati ottenuti risultati incoraggianti nello sviluppo di vari tipi di motori al plasma. Ma il successo più grande è arrivato a un gruppo dell'Istituto di energia atomica. I. V. Kurchatov, guidato da A. I. Morozov e G. Ya. Shchepkin. Nel maggio 1969, questa squadra aveva creato un layout funzionante del sistema di propulsione. Dopo una revisione del progetto presso il Fakel Design Bureau, il motore fu installato sul satellite Meteor negli ultimi giorni del 1970 e lanciato in orbita. Sono passati quasi trent'anni da allora, ma questo propulsore stazionario al plasma (SPT) non ha ancora concorrenti: altri schemi si sono rivelati meno efficienti e non sono diventati parte integrante dei veicoli spaziali.

A metà degli anni '80, il lavoro sull'SPD fu trasferito dall'Istituto di energia atomica all'Istituto di radioingegneria, elettronica e automazione di Mosca (MIREA) e continuò nel laboratorio della professoressa Antonina Ivanovna Bugrova. Nel 1992, il vicepresidente della compagnia spaziale franco-europea SEP, Boulanger, visitò il laboratorio. Si è offerto di concludere un contratto per la creazione di un modello SPT esente da brevetto con caratteristiche migliorate.

Il fatto è che i motori presentano due inconvenienti significativi: una grande divergenza del raggio plasma (fino a 45 °) e un'efficienza di circa il 50%, che era inferiore alle loro capacità. E avevano una stranezza: la spinta più forte è stata ottenuta con la geometria dei campi, dal punto di vista della teoria, tutt'altro che ottimale. Una volta comprese le ragioni di questo comportamento, il personale del laboratorio MIREA ha modificato la configurazione del canale, dell'anodo e del campo magnetico. Ciò ha dato immediatamente risultati sorprendenti: l'efficienza è aumentata fino a quasi il 70% e la divergenza del raggio è diventata inferiore a 10°. Nascono così gli SPD di seconda generazione.

Meteor-10, lanciato il 29 dicembre 1971 in un'orbita condizionatamente sincrona (che consentiva di passare sugli stessi punti sulla superficie terrestre a determinati intervalli di tempo), era il satellite meteorologico più comune. Ma solo a prima vista: oltre al consueto sistema di controllo dell'assetto, a bordo c'erano altri due motori sperimentali.

Uno di loro, che porta il nome del dio greco del vento occidentale - "Zefiro", ha funzionato solo per circa un'ora e non ha ricevuto ulteriori sviluppi. Ma il secondo, che prende il nome dal signore dei venti - "Eol-1", sviluppato da un gruppo di dipendenti dell'IAE (Istituto di energia atomica) sotto la guida di Alexei Ivanovich Morozov e prodotto dal Kaliningrad Design Bureau "Fakel" , gettò le basi per un'intera direzione spaziale: i motori al plasma.

La storia dei motori al plasma iniziò nel 1950, quando un laureato della Facoltà di Fisica dell'Università Statale di Mosca, Alexei Morozov, fu incaricato dal comitato del partito di insegnare meccanica ed ingegneria elettrica presso la scuola tecnica del villaggio industriale di Lyudinovo nel sud-est della regione di Kaluga. Il motivo è semplice: il padre di Morozov è stato represso e nessuno ha tenuto conto né della sua specializzazione (teoria quantistica dei campi) né delle ripetute richieste del suo supervisore, il preside della Facoltà di fisica Arseniy Alexandrovich Sokolov, di lasciarlo al dipartimento.

In quegli anni agli insegnanti di fisica veniva spesso chiesto di tenere lezioni sull'energia atomica e Morozov non faceva eccezione. Un giorno del 1953 stava tornando a Lyudinovo da una conferenza simile tenuta nel villaggio di Cherny Potok. “Poco prima avevo letto il libro di Goodman sui fondamenti dell'energia nucleare. C'era un diagramma di un razzo nucleare: il gas passava attraverso il nucleo e si riscaldava. Sono rimasto colpito da quanto sia inefficiente questo progetto: da un lato l'energia atomica e dall'altro è solo un motore termico! - ricorda Alexei Ivanovich. - E mentre camminavo per 12 km lungo le traversine fino a Lyudinovo, mi sono ricordato degli esperimenti con la forza di Ampere e la bobina di Thomson, che ho mostrato agli studenti a scuola, e mi è venuta in mente un'idea: perché non accelerare il corpo che lavora con un campo magnetico?

I calcoli teorici hanno dimostrato che ciò è del tutto possibile e Morozov ha deciso di condurre un esperimento. Dopo aver realizzato un "mattone" di cemento-amianto, vi ha praticato due fori trasversali. In uno, ha inserito due aste di carbonio provenienti da batterie da lati diversi e ha posizionato due poli di un potente elettromagnete sopra e sotto la barra. Nello stato normale, il plasma formatosi durante la combustione dell'arco volava fuori con un leggero sibilo da entrambi i lati del secondo foro, ma non appena l'elettromagnete veniva acceso, il flusso cominciava a battere in una direzione con un terribile ruggito .

SPT è un elettromagnete anulare con una camera ceramica posta nell'intercapedine. Un anodo si trova all'estremità della camera. All'esterno, in prossimità del taglio del canale motore, sono presenti due catodi-neutralizzatori. Lo xeno funzionante viene immesso nella camera e ionizzato vicino all'anodo. Gli ioni sono accelerati in el. campo e vola fuori dal motore, creando una spinta a getto. La loro carica spaziale viene neutralizzata dagli elettroni forniti dal neutralizzatore del catodo.

Nel 1955, Morozov scrisse un articolo “Sulla possibilità di creare motori a reazione elettrici al plasma”, ma il suo supervisore, dopo averlo letto, diede un buon consiglio: “Un articolo del genere verrà immediatamente classificato. È meglio cambiare il nome in qualcosa di più neutro." Di conseguenza, un articolo è stato pubblicato nel ZhETF (Journal of Experimental and Theoretical Physics) con il titolo "Sull'accelerazione del plasma da parte di un campo magnetico". È stato esaminato da Lev Artsimovich, capo del dipartimento di ricerca sul plasma dell'IAE. La teoria presentata nell'articolo di Morozov fu successivamente riflessa nell'articolo di Artsimovich sul cannone a rotaia (solo Morozov aveva un campo magnetico costante, mentre Artsimovich aveva un campo elettrodinamico).

La pubblicazione ha suscitato una grande risonanza tra gli specialisti, è stata addirittura discussa due volte in una riunione dell'American Physical Society.

Nel 1955 Morozov difese la sua tesi e nel 1957 fu invitato a lavorare all'IAE. Alla fine degli anni Cinquanta, il successo dell’URSS nello spazio ispirò i progettisti a puntare su diversi progetti spaziali su larga scala. Era previsto anche un volo su Marte e quindi, il 2 luglio 1959, Lev Artsimovich convocò i dipendenti a una riunione. L'argomento della discussione era la possibilità di costruire motori per una nave marziana. Artsimovich propose le seguenti caratteristiche per un tale sistema: una spinta di circa 10 kgf, una velocità di scarico di 100 km/s e una potenza del motore di 10 MW.

Lo staff dell'IAE ha proposto diversi progetti: un motore a impulsi al plasma (A.M. Andrianov), un analogo del plasma magnetico dell'ugello di Laval (A.I. Morozov) e un motore basato su una sorgente ionica a singola fessura, praticamente la stessa utilizzata per la separazione isotopica elettromagnetica (Pavel Matveevich Morozov, omonimo di Alexei Ivanovich).

A proposito, tutti questi progetti sono stati successivamente implementati in una forma o nell'altra. Erosione al plasma (opzione pulsata) Il motore di Andrianov di potenza molto inferiore fu installato su uno dei satelliti e lanciato nello spazio nel 1964, e il motore a ioni P.M. Morozov sotto il nome "Zefir" (anche lui a bassa potenza) si trovava proprio sul satellite "Meteor-10". Esperimenti con un analogo magnetico dell'ugello Laval con un corpo centrale (gli stessi sviluppatori lo chiamavano "coassiale") sono stati condotti dal 1960, ma lo schema si è rivelato complicato ed è stato costruito solo nel 1980 dagli sforzi congiunti dell'IAE, dell'Istituto di fisica e tecnologia di Kharkov, TRINITI e dell'Istituto di fisica della Bielorussia. La potenza di questo mostro era di 10 GW!

Tuttavia, questi progetti non erano adatti al programma marziano per un semplice motivo: i progettisti allora non disponevano di alimentatori di potenza adeguata. Questo problema è ancora attuale: il massimo su cui si può contare è di decine di kilowatt. Era necessario spostarsi su piccola scala.

Georgy Grodzovsky (TsAGI) è stato uno dei primi a progettare motori a razzo elettrici a bassa potenza nel nostro paese. Dal 1959, i suoi motori ionici sono stati testati nello spazio (anche se non sui satelliti, ma sui missili balistici). Nel 1957 M.S. Ioffe e E.E. Yushmanov iniziò la ricerca su una trappola magnetica (il cosiddetto specchio) per il plasma. Per riempirlo di plasma caldo (10 milioni di gradi), hanno sfruttato l'accelerazione degli ioni in campi elettrici e magnetici incrociati. Questo lavoro è servito come base per la creazione di numerosi motori al plasma.

Nel 1962, Alexey Morozov propose il proprio progetto di un propulsore al plasma a bassa potenza, chiamato SPT (propulsore al plasma stazionario). Una caratteristica di fondamentale importanza dell'SPT era che l'entità del campo magnetico aumentava verso l'uscita del canale del motore, ciò assicurava la creazione di un campo elettrico sfuso nel plasma. L'intera idea del motore è stata costruita proprio sull'esistenza di un tale campo.

I più semplici motori a razzo elettrici riscaldano il gas prima del deflusso con un arco elettrico (arcjet) o un filo di corrente incandescente - resistojet. Si trovano anche ai nostri tempi: il loro design è semplice, economico e affidabile. È vero, l'efficienza, la velocità di scarico e la spinta sono piccole. L'americano G. Kaufman è considerato il pioniere dei motori a ioni. Il suo design utilizza la ionizzazione a scarica d'arco e gli ioni vengono quindi accelerati da un campo elettrostatico in un sistema ionico-ottico.

“Per la prima volta, Townsend indicò la possibilità dell’esistenza di campi elettrici nel plasma nel 1910, ma per 50 anni i tentativi di creare un tale campo non hanno avuto successo. A quel tempo si credeva che, poiché il plasma è un conduttore, non è possibile creare un campo al suo interno. In effetti, è davvero impossibile creare un campo elettrico volumetrico in un plasma senza campo magnetico: è schermato dagli elettroni liberi. Ma in presenza di un campo magnetico che influenza il movimento degli elettroni, possono esistere campi elettrici di massa nel plasma.

Gruppo A.I. Morozova iniziò a lavorare con l'SPD nel 1962. Per quasi cinque anni il motore esisteva in una versione da laboratorio: nel 1967 il modello era ancora dotato di raffreddamento ad acqua. Era giunto il momento di iniziare i test di volo e spaziali, ma a questo punto gli sviluppatori si sono trovati di fronte a un problema inaspettato. I progettisti dei veicoli spaziali si rifiutarono categoricamente di mettere a bordo qualsiasi cosa elettrica! Il direttore dell'IAE, l'accademico Alexandrov, ha incontrato più volte i progettisti di vari veicoli spaziali e alla fine è riuscito a mettersi d'accordo con Iosifyan, il capo progettista dei satelliti della serie Meteor.

Tuttavia, i problemi non finirono qui. Nel 1969, Iosifyan diede un incarico tecnico al team di sviluppo, secondo il quale avrebbero dovuto realizzare non il motore stesso, ma l'intera installazione, compreso il sistema di alimentazione, l'alimentazione dello xeno, ecc. Allo stesso tempo, era necessario rispettare limiti molto severi: spinta 2 g, efficienza 30-40%, consumo energetico 400 W, peso 15 kg, risorsa 100 ore. E tutto questo doveva essere fatto in 5 mesi! Il gruppo di Morozov ha lavorato letteralmente giorno e notte, ma è riuscito a farlo. La produzione del sistema di propulsione fu affidata alla Kaliningrad OKB Fakel, il cui direttore a quel tempo era il talentuoso designer Roald Snarsky. Pochi giorni dopo il lancio del Meteor iniziarono gli esperimenti con i motori. "Eol-1" è stato installato sul satellite in modo tale che l'asse della sua spinta non passasse attraverso il centro di massa del dispositivo. Quando il motore veniva acceso, si formava una certa coppia, che poteva essere compensata dal sistema di orientamento, mentre fungeva anche da misuratore di spinta dell'Eola.

L'esperimento è stato seguito da vicino non solo dai creatori del motore, ma anche dagli scettici, di cui ce n'erano abbastanza. "Eol-1" avrebbe dovuto funzionare solo per pochi minuti, quindi spegnersi automaticamente (i progettisti temevano che il getto di plasma bloccasse il segnale radio). Il motore ha funzionato e si è spento. Dopo aver effettuato il monitoraggio radio dell'orbita, si è scoperto che i risultati corrispondono esattamente ai dati di laboratorio. È vero, gli scettici non si sono calmati e hanno avanzato l'ipotesi che il cambiamento di orbita sia causato dal solito deflusso di gas attraverso una valvola aperta. Ma questa ipotesi non è stata confermata: dopo il secondo avvio su comando dalla Terra, il motore ha funzionato per altre 170 ore, sollevando l'orbita del Meteor-10 di 15 km. Design Bureau "Fakel" ha svolto un ottimo lavoro con il suo compito: la risorsa è stata quasi raddoppiata.

Quest'anno l'American Electric Rocket Propulsion Society (ERPS) ha deciso di celebrare un secolo di ricerca in questo campo (1906-2006) e ha istituito un premio speciale: la medaglia "Per risultati eccezionali nel campo della propulsione a razzo elettrica". Alexey Ivanovich Morozov è stato tra i primi sei premiati. I restanti cinque sono E. Stulinger, G. Kaufman e R. Jan (USA), G. Loeb (Germania) e K. Kuriki (Giappone).

All'inizio degli anni '80, Fakel iniziò a produrre in serie i motori SPD-70, discendenti degli Eol. Il primo satellite con questo motore, Geyser No. 1, fu lanciato nel 1982 e nel 1994 il satellite per comunicazioni Hals-1 fu equipaggiato con il nuovo modello SPD-100. Tuttavia, sebbene il rapporto sui test di successo del motore al plasma Eol nel 1974 sia stato pubblicato abbastanza apertamente sulla rivista Space Research, i progettisti stranieri consideravano l'SPT solo un interessante sviluppo teorico. Pertanto, nel 1991, la dimostrazione del funzionamento dei motori Fakel ai rappresentanti della NASA e del JPL e il messaggio che i satelliti seriali erano equipaggiati con simili provocò loro un vero shock (gli americani fondamentalmente seguirono la strada dello sviluppo di motori ionici).

Non a caso, Fakel è oggi considerato il principale produttore mondiale di motori al plasma a propulsione elettrica. "Un satellite russo su tre ha il nostro motore e tre dei cinque maggiori produttori di veicoli spaziali occidentali acquistano SPD da noi", ha affermato Vyacheslav Mikhailovich Murashko, direttore e progettista generale di OKB Fakel. “Sono, ad esempio, dotati di satelliti MBSat-1, Intelsat-X-02, Inmarsat-4F1”. Per inviare il satellite SMART-1 sulla Luna, l'Agenzia spaziale europea ha scelto come motori i motori al plasma PPS-1350, uno sviluppo congiunto della società francese Snecma Moteurs, OKB Fakel e MIREA.

Cosa ci aspetta nel prossimo futuro? Negli anni '80, un gruppo della MIREA sviluppò il motore di nuova generazione, l'SPD Aton. La divergenza del raggio plasma nell'SPT-100 è di +/- 45 gradi, l'efficienza è del 50% e le caratteristiche corrispondenti dell'Aton SPT sono di +/-15 gradi e 65%! Non è ancora richiesto, come l'altro nostro motore, l'SPD Max a due stadi con una geometria del campo modificata: i progettisti se la cavano ancora con il più semplice SPD-100. Lo spazio profondo richiede motori con scale di 10-100 kW o addirittura MW. Esistono già sviluppi simili: nel 1976 l'IAE realizzò un motore con una capacità di 30 kW e alla fine degli anni '80 Fakel sviluppò un SPT-290 con una capacità di 25 kW per il rimorchiatore spaziale Hercules. In ogni caso, la teoria di tali motori è stata costruita, quindi, nell'ambito del classico schema SPT, è del tutto possibile aumentare la potenza a 300 kW. Ma poi potresti dover passare ad altri progetti. Ad esempio, a un acceleratore di idrogeno a due lenti sviluppato presso l’IAE alla fine degli anni ’70. Questa macchina aveva una potenza di 5 MW e una velocità di scarico di 1000 km/s. In ogni caso, le navi interplanetarie avranno motori al plasma.

Recensione basata su: Meccanica popolare

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