Motoare cu plasmă: mituri și realitate. Fizicienii ruși au testat un motor cu plasmă pentru avioane Motor cu plasmă pentru o aeronavă
O cerere a fost pusă pe masa Fundației de Cercetare Avansată, întocmită de consiliul științific și tehnic al NPO Energomash și Centrul Național de Cercetare Institutul Kurchatov. Aplicația este dedicată implementării unui proiect destul de ambițios care va permite crearea unui motor de rachetă cu plasmă fără electrod. Abreviat ca BPRD. A fost definit un domeniu clar de lucru, permițând producerea unui eșantion de laborator al motorului.
În esență, un ERE (motor rachetă electric) este un motor electric, în care fluidul de lucru este capabil să dobândească accelerație într-o stare specială de plasmă. Ideea originală a motoarelor cu plasmă aparține fizicianului sovietic AI Morozov, care a propus-o încă din anii 60. Aplicația de astăzi a unor astfel de propulsoare este menținerea stațiilor în apropierea sateliților de comunicații.
O nouă generație de motoare cu plasmă, care urmează să fie fabricată la Energomash, are o putere de peste 100 kW. Ele pot fi folosite nu numai pentru sateliții geostaționari. Astfel de motoare sunt potrivite pentru zboruri care sunt caracterizate ca fiind interstelare.
Ultimii ani în lume sunt marcați de mai multe dezvoltări ale motoarelor cu plasmă. Ele pot fi atribuite noii generații. Acesta este un propulsor cu plasmă helicon de la Agenția Spațială Europeană, în colaborare cu Agenția Spațială Iraniană și Universitatea Națională Australiană. Aceasta este și dezvoltarea inginerilor canadieni și a americanilor de la Ad Astra Rocket Company. Motorul american-canadian are o putere de 200 kW.
Mesajul lui Roskosmos spune că multe opțiuni pentru propulsia electrică modernă s-au dovedit pozitiv. Au un impuls mare și un debit masic scăzut al fluidului de lucru. Acest lucru va permite în viitorul apropiat trimiterea navelor spațiale pe rute pe distanțe lungi. Dar problema împingerii scăzute rămâne de rezolvat. Limitează sever capacitatea de a depăși distanțe cosmice mari. În prezent, ERE-urile sunt folosite pentru a corecta orbitele navelor spațiale de dimensiuni relativ mici. Un astfel de motor, de regulă, are o putere care nu depășește 50 kW. Pe orbita Pământului, astfel de motoare sunt alimentate de panouri solare.
Unicitatea ultimei dezvoltări rusești
Motorul rusesc de rachetă cu plasmă fără electrozi are cea mai mare eficiență energetică. În practică, el este capabil să folosească aproape orice substanță ca fluid de lucru, pentru a schimba magnitudinea impulsului specific. Parametrii săi de putere maximă sunt limitați doar de puterea de alimentare a generatorului de înaltă frecvență. Deoarece au fost eliminate restricțiile privind impactul substanței de lucru cu elementele structurale, un astfel de motor are o resursă de lucru uriașă în potențialul său.
Posibilitatea implementării ideilor inovatoare care stau la baza dezvoltării ruse a apărut datorită descoperirilor recente în domeniul fuziunii termonucleare. De asemenea, specialiștii ruși au avansat mult pe calea studierii tehnologiilor supraconductoarelor de înaltă temperatură și generatoarelor de înaltă frecvență. Astăzi, oamenii de știință trebuie să decidă cum să optimizeze procesele cu plasmă și să dezvolte un generator de înaltă frecvență. Sistemele de alimentare cu energie electrică ale BPRD și, mai ales, managementul acestora sunt supuse îmbunătățirii. Pentru a asigura rezolvarea tuturor acestor probleme de inginerie și științifice cele mai complexe, este necesar să se creeze o bază experimentală și de banc de testare.
Specialiștii Institutului Kurchatov lucrează la motoarele cu plasmă de mai bine de o duzină de ani. Din 2010, Biroul de Proiectare al Automatizării Chimice studiază problemele propulsiei electrice. Au deja un motor magnetoplasmoddinamic cu o putere de 10 kW și un motor puternic (300 W) cu ioni de înaltă frecvență.
Motoarele de rachete moderne fac față bine sarcinii de a lansa echipamentele pe orbită, dar sunt complet nepotrivite pentru călătoriile spațiale pe termen lung. Prin urmare, de mai bine de un deceniu, oamenii de știință au lucrat la crearea unor motoare spațiale alternative care ar putea accelera navele la viteze record. Să ne uităm la șapte idei principale din acest domeniu.
EmDrive
Pentru a vă mișca, trebuie să vă îndepărtați de ceva - această regulă este considerată unul dintre stâlpii de neclintit ai fizicii și ai astronauticii. De ce anume să împingi - de pe pământ, apă, aer sau un jet de gaz, ca în cazul motoarelor cu rachete - nu este atât de important.
Un experiment de gândire binecunoscut: imaginați-vă că un astronaut a intrat în spațiul cosmic, dar cablul care îl lega de navă s-a rupt brusc și omul începe să zboare încet. Tot ce are este o cutie de instrumente. Care sunt acțiunile lui? Răspuns corect: trebuie să arunce uneltele departe de navă. Conform legii conservării impulsului, o persoană va fi aruncată departe de unealtă cu exact aceeași forță ca și instrumentul de la persoană, așa că se va deplasa treptat către navă. Aceasta este propulsia cu reacție - singura modalitate posibilă de a vă deplasa în spațiul gol. Adevărat, EmDrive, după cum arată experimentele, are unele șanse să infirme această afirmație de nezdruncinat.
Creatorul acestui motor este inginerul britanic Roger Schaer, care și-a fondat propria companie Satellite Propulsion Research în 2001. Designul EmDrive este foarte extravagant și are forma unei găleți de metal, sigilat la ambele capete. În interiorul acestei găleți se află un magnetron care emite unde electromagnetice - la fel ca într-un cuptor cu microunde convențional. Și se dovedește a fi suficient pentru a crea o tracțiune foarte mică, dar destul de vizibilă.
Autorul însuși explică funcționarea motorului său prin diferența de presiune a radiației electromagnetice la diferite capete ale „găleții” - la capătul îngust este mai mică decât la cel lat. Acest lucru creează o împingere îndreptată spre capătul îngust. Posibilitatea unei astfel de funcționari a motorului a fost contestată de mai multe ori, dar în toate experimentele, instalația lui Shaer arată prezența împingerii în direcția dorită.
Printre experimentatorii care au testat „găleată” Schaer, organizații precum NASA, Universitatea Tehnică din Dresda și Academia Chineză de Științe. Invenția a fost testată într-o varietate de condiții, inclusiv în vid, unde a arătat o forță de 20 micronewtoni.
Acesta este foarte mic în comparație cu motoarele cu reacție chimice. Dar, având în vedere că motorul lui Shaer poate funcționa pentru o perioadă de timp arbitrar, deoarece nu are nevoie de o sursă de combustibil (bateriile solare pot furniza magnetronul), este potențial capabil să accelereze navele spațiale la viteze enorme, măsurate ca procent din viteza. de lumina.
Pentru a demonstra pe deplin eficiența motorului, este necesar să se efectueze mai multe măsurători și să scape de efectele secundare care pot fi generate, de exemplu, de câmpurile magnetice externe. Cu toate acestea, sunt deja prezentate explicații alternative posibile pentru forța anormală a motorului Shaer, care, în general, încalcă legile obișnuite ale fizicii.
De exemplu, sunt prezentate versiuni în care motorul poate crea forță datorită interacțiunii cu vidul fizic, care la nivel cuantic are energie diferită de zero și este umplut cu particule elementare virtuale care se nasc și dispar în mod constant. Cine se va dovedi în cele din urmă a avea dreptate - autorii acestei teorii, Shaer însuși sau alți sceptici, vom afla în viitorul apropiat.
velă solară
După cum am menționat mai sus, radiația electromagnetică exercită presiune. Aceasta înseamnă că teoretic poate fi transformat în mișcare - de exemplu, cu ajutorul unei pânze. Așa cum navele din vremurile trecute prindeau vântul în pânzele lor, nava spațială a viitorului ar prinde soarele sau orice altă lumină a stelelor în pânzele lor.
Problema este însă că presiunea luminii este extrem de scăzută și scade odată cu creșterea distanței de la sursă. Prin urmare, pentru a fi eficientă, o astfel de velă trebuie să aibă o greutate foarte mică și o suprafață foarte mare. Și acest lucru crește riscul de distrugere a întregii structuri atunci când întâlnește un asteroid sau alt obiect.
Încercările de a construi și lansa nave solare în spațiu au avut deja loc - în 1993 Rusia a testat o velă solară pe nava spațială Progress, iar în 2010 Japonia a testat-o cu succes în drumul său către Venus. Dar nicio navă nu a folosit încă vela ca principală sursă de accelerație. Ceva mai promițător în acest sens este un alt proiect - o velă electrică.
vela electrica
Soarele emite nu numai fotoni, ci și particule de materie încărcate electric: electroni, protoni și ioni. Toate formează așa-numitul vânt solar, care în fiecare secundă transportă aproximativ un milion de tone de materie de pe suprafața stelei.
Vântul solar se extinde pe miliarde de kilometri și este responsabil pentru unele dintre fenomenele naturale de pe planeta noastră: furtunile geomagnetice și aurora boreală. Pământul este protejat de vântul solar prin propriul său câmp magnetic.
Vântul solar, ca și vântul aerian, este destul de potrivit pentru călătorii, trebuie doar să-l faci să sufle în pânze. Proiectul unei pânze electrice, creat în 2006 de omul de știință finlandez Pekka Janhunen, în exterior are puține în comun cu cel solar. Acest motor este format din mai multe cabluri lungi și subțiri, similare spițelor unei roți fără jantă.
Datorită tunului de electroni care emite împotriva direcției de mers, aceste cabluri dobândesc un potențial încărcat pozitiv. Deoarece masa unui electron este de aproximativ 1800 de ori mai mică decât masa unui proton, forța creată de electroni nu va juca un rol fundamental. Nici electronii vântului solar nu sunt importanți pentru o astfel de velă. Dar particulele încărcate pozitiv - protoni și radiații alfa - vor fi respinse din cabluri, creând astfel împingerea jetului.
Deși această forță va fi de aproximativ 200 de ori mai mică decât cea a unei vele solare, Agenția Spațială Europeană a devenit interesată. Faptul este că o velă electrică este mult mai ușor de proiectat, fabricat, implementat și operat în spațiu. În plus, cu ajutorul gravitației, vela vă permite și să călătoriți la sursa vântului stelar, și nu doar departe de aceasta. Și, deoarece suprafața unei astfel de pânze este mult mai mică decât cea a soarelui, este mult mai puțin vulnerabilă la asteroizi și resturile spațiale. Poate că vom vedea primele nave experimentale pe o velă electrică în următorii câțiva ani.
motor ionic
Fluxul de particule încărcate de materie, adică ionii, este emis nu numai de stele. Gazul ionizat poate fi creat și artificial. În mod normal, particulele de gaz sunt neutre din punct de vedere electric, dar atunci când atomii sau moleculele sale pierd electroni, se transformă în ioni. În masa sa totală, un astfel de gaz încă nu are încărcătură electrică, dar particulele sale individuale devin încărcate, ceea ce înseamnă că se pot mișca într-un câmp magnetic.
Într-un propulsor ionic, un gaz inert (de obicei este folosit xenon) este ionizat de un flux de electroni de înaltă energie. Ei scot electronii din atomi și dobândesc o sarcină pozitivă. În plus, ionii rezultați sunt accelerați într-un câmp electrostatic la viteze de ordinul a 200 km/s, care este de 50 de ori mai mare decât viteza de ieșire a gazului din motoarele cu reacție chimice. Cu toate acestea, propulsoarele moderne de ioni au o tracțiune foarte mică - aproximativ 50-100 de milinewtoni. Un astfel de motor nici nu s-ar putea deplasa de pe masă. Dar are un plus serios.
Impulsul specific ridicat poate reduce semnificativ consumul de combustibil al motorului. Pentru ionizarea gazului se folosește energia obținută din panouri solare, astfel încât motorul ionic este capabil să funcționeze foarte mult timp - până la trei ani fără întrerupere. Pentru o astfel de perioadă, va avea timp să accelereze nava spațială la viteze la care motoarele chimice nu au visat niciodată.
Propulsoarele ionice au cutreierat sistemul solar de mai multe ori ca parte a diferitelor misiuni, dar de obicei ca auxiliare, nu primare. Astăzi, ca o posibilă alternativă la motoarele ionice, se vorbește din ce în ce mai mult despre motoarele cu plasmă.
Motor cu plasmă
Dacă gradul de ionizare al atomilor devine ridicat (aproximativ 99%), atunci o astfel de stare agregată a materiei se numește plasmă. Starea plasmei poate fi atinsă numai la temperaturi ridicate, prin urmare, în motoarele cu plasmă, gazul ionizat este încălzit la câteva milioane de grade. Încălzirea se realizează folosind o sursă de energie externă - panouri solare sau, mai realist, un mic reactor nuclear.
Plasma fierbinte este apoi aruncată prin duza rachetei, producând o forță de zece ori mai mare decât într-un propulsor ionic. Un exemplu de motor cu plasmă este proiectul VASIMR, care se dezvoltă încă din anii 1970. Spre deosebire de propulsoarele cu ioni, propulsoarele cu plasmă nu au fost încă testate în spațiu, dar se pun mari speranțe în ele. Este motorul cu plasmă VASIMR care este unul dintre principalii candidați pentru zborurile cu echipaj pe Marte.
Motor de fuziune
Oamenii au încercat să îmblânzească energia fuziunii termonucleare încă de la mijlocul secolului al XX-lea, dar până acum nu au reușit să o facă. Cu toate acestea, fuziunea termonucleară controlată este încă foarte atractivă, deoarece este o sursă de energie enormă obținută din combustibil foarte ieftin - izotopi de heliu și hidrogen.
În prezent, există mai multe proiecte de proiectare a unui motor cu reacție alimentat prin fuziune termonucleară. Cel mai promițător dintre ele este considerat a fi un model bazat pe un reactor cu plasmă magnetică. Un reactor termonuclear într-un astfel de motor ar fi o cameră cilindrică nepresurizată, care măsoară 100–300 de metri lungime și 1–3 metri în diametru. Combustibilul trebuie furnizat în cameră sub formă de plasmă la temperatură înaltă, care, la o presiune suficientă, intră într-o reacție de fuziune nucleară. Bobinele unui sistem magnetic situat în jurul camerei ar trebui să împiedice această plasmă de contactul cu echipamentul.
Zona de reacție termonucleară este situată de-a lungul axei unui astfel de cilindru. Cu ajutorul câmpurilor magnetice, plasma extrem de fierbinte curge prin duza reactorului, creând o forță extraordinară, de multe ori mai mare decât cea a motoarelor chimice.
Motor de antimaterie
Toată materia din jurul nostru este formată din fermioni - particule elementare cu un spin semiîntreg. Acestea sunt, de exemplu, cuarcii care formează protoni și neutroni în nucleele atomice, precum și electroni. Fiecare fermion are propria sa antiparticulă. Pentru un electron este un pozitron, pentru un cuarc este un antiquarc.
Antiparticulele au aceeași masă și același spin ca „tovarășii” lor obișnuiți, diferind în semnul tuturor celorlalți parametri cuantici. Teoretic, antiparticulele sunt capabile să alcătuiască antimaterie, dar până acum, antimateria nu a fost înregistrată nicăieri în Univers. Pentru știința fundamentală, este o mare întrebare de ce nu există.
Dar în laborator, puteți obține o anumită cantitate de antimaterie. De exemplu, recent a fost efectuat un experiment care compară proprietățile protonilor și antiprotonilor care au fost stocați într-o capcană magnetică.
Când antimateria și materia obișnuită se întâlnesc, are loc un proces de anihilare reciprocă, însoțit de un val de energie colosală. Deci, dacă luăm un kilogram de materie și antimaterie, atunci cantitatea de energie eliberată în timpul întâlnirii lor va fi comparabilă cu explozia Bombei țarului, cea mai puternică bombă cu hidrogen din istoria omenirii.
Mai mult, o parte semnificativă a energiei va fi eliberată sub formă de fotoni ai radiației electromagnetice. În consecință, există dorința de a folosi această energie pentru călătoriile în spațiu prin crearea unui motor fotonic similar cu o velă solară, doar în acest caz lumina va fi generată de o sursă internă.
Dar pentru a utiliza eficient radiația într-un motor cu reacție, este necesar să se rezolve problema creării unei „oglinzi” care să poată reflecta acești fotoni. La urma urmei, nava trebuie cumva să se îndepărteze pentru a crea forță.
Niciun material modern nu poate rezista pur și simplu la radiațiile născute în cazul unei astfel de explozii și se evaporă instantaneu. În romanele lor science-fiction, frații Strugatsky au rezolvat această problemă creând un „reflector absolut”. Nu s-a mai făcut așa ceva în viața reală. Această sarcină, precum și problemele de creare a unei cantități mari de antimaterie și stocarea sa pe termen lung, este o chestiune pentru fizica viitorului.
Pentru lucrul pe termen lung în spațiu, trebuie utilizate motoare de rachetă electrice fiabile, cu o viteză de ieșire a plasmei de ordinul a o sută cinci metri pe secundă sau mai mult. Motoarele cu plasmă au început să fie dezvoltate activ la mijlocul secolului trecut. Și astăzi această muncă continuă.
Începutul cercetării
Strămoșii noștri își doreau de mult să zboare în spațiu. Multă vreme, gazul a fost studiat în mod activ folosind o descărcare electrică. A fost plasat într-un recipient de sticlă cu electrozi. Apoi, când presiunea a fost redusă, au apărut raze emanate de catod, care de fapt, după cum s-a aflat mai târziu, era un flux de electroni.
Și în 1886, s-a descoperit că, făcând găuri în catod, alte raze s-au întins în direcția opusă față de ele - atomi ionizați de gaze. Dar apoi, desigur, nu aveau idee că vor fi folosiți pentru a obține
În timpul Uniunii Sovietice, în laboratoarele SOAN fizico-tehnice au fost dezvoltate motoare cu ioni și cu plasmă pentru a aplica aceste tehnologii în vehiculele pentru zborurile în spațiu. Lucrările au început în anii cincizeci ai secolului al XX-lea. Au fost descoperite două tipuri de dispozitive:
- motor de eroziune (puls);
- motor cu plasmă staționar (non-impuls).
Aceste două tipuri sunt folosite până astăzi.
Eroziv și staționar
Motorul cu plasmă cunoscut astăzi funcționează datorită forței reactive a jetului de plasmă de la duză. Plasma în sine este formată prin intermediul unei descărcări electrice. Pentru un motor mai simplu, este selectat un mod pulsat (motor cu plasmă erozivă). Sursa de energie este de 0,5 μF, iar tensiunea este de 10 kV. Încărcarea acestuia vine de la transformator cu diode și o rezistență.
Cu ajutorul unor astfel de dispozitive se formează impulsuri mici și precise, care nu pot fi obținute prin funcționarea altor tipuri de motoare rachete. Motoarele cu plasmă pulsată au fost testate cu succes în 1964 pe stația spațială Zond-2.
SPT este o variantă a unui accelerator cu o zonă extinsă și cu o deriva închisă de electroni. Astfel de dispozitive pot funcționa pentru o perioadă lungă de timp. Două motoare cu xenon au fost lansate pentru prima dată în 1972 la bordul sovieticului Meteor.
Principiul de funcționare: prototip
Funcționarea instalației este următoarea. Tensiunea pentru condensator este decalajul dintre colectorul conducător de curent și electrozii camerei de descărcare. Când tensiunea atinge valoarea de avarie, în camera motorului apare o descărcare electrică. Aerul de acolo este încălzit până la zece mii de unități și capătă o stare de plasmă. Presiunea crește brusc, iar jetul de plasmă curge din duză cu viteză mare.
Racheta, care este conectată la motor, primește putere de la jet. Pentru a obține o rotație moale, racheta este atașată cu un rulment cu bile și echilibrată de o contragreutate.
Cea mai complexă unitate electrică este colectorul care furnizează curent. Spațiile dintre electrozi nu trebuie să depășească o jumătate de milimetru. Atunci nu va exista aproape nicio pierdere de putere de la condensator și nu va fi generată nicio frecare suplimentară atunci când racheta începe să se rotească.
Racheta în sine și întreaga rachetă cu plasmă pot avea dimensiuni diferite, dar puterea sursei și dimensiunea condensatorului trebuie să se potrivească. Pentru a calcula unitățile de bază și designul rachetei, este convenabil să folosiți schema după calculul prin formule speciale.
Valori experimentate prin exemplu
Folosind un exemplu cu o tensiune dată de șase mii de wați și o capacitate a condensatorului de 0,5 * 10 (-6) f, ca rezultat al calculelor, energia care este eliberată în camera motorului este de 5,4 J. Și dacă diferența de temperatură este 10000K, apoi volumul camerei egal cu o jumătate de centimetru cub.
Atunci elementele circuitului electric vor fi:
- transformator 220 * 5000V, avand o putere de 200 wati;
- rezistor bobinat cu o putere de 100 wați.
Acest model are o tensiune de funcționare de peste o mie de volți și, prin urmare, este necesar să fiți foarte atenți atunci când lucrați cu el și să respectați toate regulile de siguranță necesare.
Reguli de siguranță în timpul experimentului
- Lansarea este efectuată de o singură persoană. Alții pot sta la o distanță de un metru de dispozitiv.
- Toate operațiunile și atingerea unității cu mâinile pot fi efectuate numai dacă acesta este deconectat de la sursa de alimentare, după ce ați așteptat cel puțin un minut după aceea. Apoi condensatorul va avea timp să se descarce.
- Sursa de alimentare trebuie să fie amplasată într-o carcasă metalică, închisă pe toate părțile. În timpul funcționării, este împământat cu ajutorul unui fir de cupru, al cărui diametru trebuie să fie de cel puțin un milimetru și jumătate.
Propulsoarele cu plasmă pentru rachete adevărate trebuie să fie de câteva mii de ori mai puternice! Poate că cei care experimentează astăzi cu mostre mici vor trebui să deschidă noi posibilități mâine și
Doctor în Științe Fizice și Matematice A. MOROZOV.
Muzeul Politehnic din Moscova are o expoziție unică - un sistem de propulsie cu putere redusă alimentat de baterii solare, creat la Institutul de Energie Atomică. I. V. Kurchatov sub îndrumarea profesorului Alexei Ivanovici Morozov. Forța de propulsie a acestui motor cu plasmă staționară (SPT) este creată nu de un flux de gaze sau de produse dintr-o reacție chimică a combustibilului cu un oxidant, ci de plasmă accelerată de un câmp electromagnetic. Motoarele de acest fel sunt destinate tranziției sateliților Pământeni artificiali de pe o orbită pe alta, stabilizării pe orbită și în alte scopuri. Motoarele cu plasmă staționare au fost foarte apreciate și în străinătate. SPD este singura dezvoltare internă prezentată în departamentul de astronautică al Casei de Știință și Tehnologie din Paris.
Sistemul american de rachete Saturn-Apollo, cu o greutate de lansare de 2.900 de tone, lansează în spațiu doar 129 de tone.
Stand în Casa Științei și Tehnologiei (Paris), dedicat motoarelor cu plasmă staționare și creatorului lor - AI Morozov.
MOTOR cu plasmă. Așa funcționează un propulsor de plasmă staționar (SPT).
Știință și viață // Ilustrații
INCORRECTIVITATEA OBIECTIVELOR SI MIJLOACELOR
La lansarea sateliților artificiali ai Pământului, apare constant aceeași situație. Satelitul este lansat pe orbita de referință inițială la o înălțime de aproximativ 150 de kilometri. Apoi, trebuie să fie transferat pe o orbită de lucru, de exemplu, geostaționară, la o altitudine de 36 de mii de kilometri. Pentru a face acest lucru, porniți motorul, care produce manevra dorită, după ce a funcționat de ceva timp. Munca efectuată de acesta poate fi estimată prin conceptul de așa-numită viteză caracteristică. Esența sa este următoarea.
Să presupunem că există două dispozitive absolut identice: unul, să zicem, pe orbită lângă Pământ, celălalt - în spațiu absolut gol, fără câmpuri gravitaționale și alte influențe. Ele pornesc simultan motoarele care funcționează exact în același mod. Primul aparat face manevre, aterizează pe Lună, se întoarce și, în general, face tot ce este necesar. Iar al doilea se mișcă în linie dreaptă, nu manevrează, dar motorul său funcționează întotdeauna în același mod ca primul. În cele din urmă, acest aparat capătă o anumită viteză, care se numește caracteristică. Determină randamentul motorului în condiții date. Întrucât este diferit pentru fiecare zbor, este posibil, făcând calcule simple, să se estimeze imediat și cu mare precizie cât va costa fiecare manevră.
În 1897, K. E. Tsiolkovsky a derivat o formulă simplă pentru valoarea vitezei caracteristice:
V = w ln M 0 /M 1 ,
Unde w- viteza de scurgere a gazelor din duza unui motor cu reacție, M 0 - masa inițială a dispozitivului, M 1 este masa sa finală.
Se vede din formula că pentru a accelera dispozitivul la o viteză V, o viteză mai mare de evacuare w, datorită creșterii masei ejectate, este extrem de nefavorabilă. Dacă propulsorul reprezintă 0,9 din întreaga masă a rachetei și, prin urmare, masa finală este 0,1 din masa inițială ( M 0 /M 1 = 10), viteza caracteristică V = 2,3w. Când acest raport de masă este redus la 0,01, viteza doar se dublează și chiar și după fabricare M 0 /M 1 \u003d 0,001, va fi posibil să obțineți un total V = 6,9w: valoarea logaritmului crește foarte lent. Prin urmare, în timpul zborului, trebuie să reducem catastrofal masa vehiculului: să ne amintim cum arată un vehicul greu de lansare la început și un vehicul de coborâre la sfârșitul zborului. Acest mod este posibil în principiu, dar practic imposibil pentru viteze mari.
A doua opțiune rămâne: creșterea ratei de ieșire a gazelor reactive. Viteza caracteristică depinde de ea liniar, adică proporțional. Va crește de câte ori va crește viteza de scurgere a gazelor.
Motoarele moderne cu reacție funcționează, de regulă, datorită reacției chimice a combinației de componente de combustibil și oxidant. Cu cât se eliberează mai multă energie în cursul acestei reacții, cu atât este mai mare rata de ieșire din duza motorului a produselor sale gazoase de aceeași masă. Energia aproape limitativă este furnizată de reacția oxigenului cu hidrogenul (doar fluorul, mai ales atomic, cu hidrogenul dă mai mult; dar atât agentul oxidant în sine, cât și fluorura de hidrogen sunt incredibil de activi și agresivi din punct de vedere chimic). Cu toate acestea, nu este capabil să creeze fluxuri cu viteze mai mari de 4-5 km/s. În multe cazuri, acest lucru nu este suficient pentru tehnologia spațială modernă.
Pentru a pune un satelit pe o orbită circulară, transportatorul trebuie să dezvolte o viteză de aproximativ 8 km/s; a se îndepărta de Pământ în spațiul cosmic - mai mult de 11 km/s; vitezele caracteristice corespunzătoare vor fi cu treizeci la sută mai mari. Iar dacă viteza de scurgere a gazelor se face de ordinul vitezei caracteristice pentru o anumită manevră, masa finală a aparatului va fi proporțională cu masa inițială. Poate fi mai puțin, chiar dacă de două sau trei ori, și nu de zeci și sute, așa cum este astăzi. Acest lucru necesită alte motoare bazate nu pe reacții chimice, ci pe alte procese. Vor necesita noi surse de energie, deoarece cu cât viteza de expirare a substanței de lucru este mai mare, cu atât este necesară mai multă energie pe unitatea de forță:
P/F = w/2η,
Unde R- puterea motorului în wați, F- forta de tractiune in newtoni, w este viteza de scurgere în m/s, η este factorul de eficiență.
Există doar două surse de energie în spațiu - Soarele și reacțiile nucleare.
Energia intranucleara se obtine fie din reactii de fisiune a elementelor grele, fie prin sinteza elementelor usoare. Reacția de fuziune este capabilă să producă o cantitate colosală de energie, dar este puțin probabil ca aceștia să învețe cum să o controleze în viitorul apropiat. Rămân reactoare bazate pe fisiune, iar pentru dispozitive mici - baterii izotopice. Cu toate acestea, energia nucleară s-a compromis foarte mult și a adunat mulți oponenți.
În orbitele interioare, Soarele poate servi ca sursă de energie. A existat, de exemplu, un proiect de utilizare a oglinzilor concentratoare de la bord care colectează energia solară pe un schimbător de căldură cu hidrogen. Încălzit la 2000 o gaz, va curge din duza motorului cu reacție la o viteză de aproximativ 10 km/s, ceea ce este deja suficient pentru manevrarea în spațiul apropiat de Pământ. Cu toate acestea, un astfel de sistem este greoi și nefiabil, astfel încât panourile solare rămân principala sursă de energie electrică la bord. Dacă în anii 60 se lua un kilowatt de putere dintr-un panou cântărind aproximativ un centr, astăzi dispozitivele „record” dau aceeași putere de la 20 de kilograme de masă. În general, bateriile de la bord oferă o putere totală de cel mult 20 kW și rămân eficiente doar relativ aproape de Soare - în interiorul orbitei lui Marte sau a centurii de asteroizi. Intensitatea luminii scade puternic cu distanta ( eu~R-2), iar pentru zborurile către planete îndepărtate, vrând-nevrând, va trebui să folosiți reactoare. Căci trecerea la viteze de scurgere a gazelor proporționale cu cele caracteristice este o cale absolut inevitabilă pentru dezvoltarea astronauticii.
ENERGIE ELECTRICĂ ÎN LOC DE CHIMICĂ
Pentru a ridica o navă spațială uriașă de pe Pământ și a o accelera până la prima viteză cosmică, sunt necesare milioane și zeci de milioane de kilowați de putere. În această etapă, nu există încă alternative reale la motoarele cu reacție alimentate cu combustibil chimic. Dar dacă dispozitivul a fost deja pus pe orbită, este foarte posibil să îl controlezi cu ajutorul motoarelor de putere redusă. Ei pot menține orientarea satelitului, îl pot stabiliza pe orbită, îl pot transfera de pe o orbită pe alta.
Există mai multe modele de astfel de motoare. În prezent, de exemplu, au fost create modele bune de așa-numite motoare electrice de încălzire. Gazul - amoniacul sau hidrazina - este trecut printr-un catalizator, care îl descompune în molecule, și încălzit cu o sursă de căldură izotopică sau cu o sobă electrică. Moleculele au o masă mult mai mică și, atunci când sunt încălzite, capătă o viteză mai mare. Dar există o altă modalitate: să obțineți un flux direcționat nu de molecule, ci de ioni sau plasmă, dispersându-le cu ajutorul câmpurilor electrice și magnetice.
Această cale este extrem de promițătoare. Calculele elementare arată că un ion de hidrogen, care a trecut de o diferență de potențial de 4,5 volți (tensiunea bateriei Krona este de două ori mai mare), va dobândi o viteză de 30 km/s - mult mai mult decât poate da o reacție chimică. Nu este surprinzător că la începutul anilor ’60, după lansarea primului satelit artificial al Pământului, lucrările la crearea motoarelor electrice de propulsie au fost lansate în multe țări deodată, dar URSS și SUA au rămas lideri. La noi s-au creat echipe de cercetare foarte puternice, printre care se remarcă în special un grup de la Institutul de Energie Atomică. Ea a reușit să găsească soluții științifice interesante, datorită cărora deținem în continuare o poziție de lider în acest domeniu, iar propulsoarele de plasmă staționare (SPT) create de ea sunt recunoscute ca fiind cele mai bune din lume.
CUM FUNcționează SPD
Accelerația ionilor în câmpuri face posibilă obținerea unor viteze care rezolvă toate problemele viitorului previzibil al astronauticii. A rămas să implementăm această posibilitate fundamentală în metal. Există două moduri de a face acest lucru.
Puteți lua doi electrozi și le puteți aplica o tensiune constantă. Fie ca unul să aibă o tensiune de +4,5 volți, iar potențialul celui de-al doilea (catod) va fi considerat zero. Electrodul pozitiv (anodul) este conectat la ionizatorul de gaz. Ionii care îl părăsesc prin orificiul anodului vor începe să accelereze în câmpul electric, năvălindu-se la electrodul cu potențial zero. Dacă se face o gaură în ea, ionii vor zbura prin ea în spațiu cu o viteză de 30 km/s. Și electronii rămași în ionizator trec prin circuitul electric și sursa de alimentare către catod. Acest sistem se numește propulsor ionic: doar ionii se află în zona de accelerație.
De fapt, nu există motoare cu ioni de hidrogen de 4,5 volți. Există un singur motiv pentru aceasta: este imposibil să se obțină o densitate mare de particule în spațiul de accelerare. Ionii creează o sarcină spațială destul de mare în ea, care protejează rapid potențialul electrodului zero și „blochează” fluxul. Pentru a furniza un curent suficient de mare, trebuie să creați o intensitate mare a câmpului prin mișcarea electrozilor pe cât posibil. Dar distanța maximă dintre ele este limitată la fracțiuni de milimetru: se va produce o defecțiune într-un decalaj prea îngust. De asemenea, este imposibil să creșteți viteza: acest lucru duce la o creștere a costurilor cu energie pe unitatea de tracțiune. Prin urmare, particulele grele sunt utilizate într-un astfel de motor - ioni de xenon, mercur sau cesiu, funcționează la o tensiune de ordinul a o mie de volți și primesc un curent destul de decent și o forță relativ mare.
A doua cale sunt motoarele cu plasmă, unde există atât electroni, cât și ioni în zona de accelerație. Să aruncăm o privire mai atentă la modul în care funcționează.
Cel mai semnificativ dezavantaj al propulsoarelor ionice este apariția unei sarcini spațiale în spațiul de accelerare. S-ar părea că acest lucru poate fi evitat prin plasarea de electroni în el și obținerea unei plasme cvasi-neutre. Cu toate acestea, electronii mai ușori vor începe imediat să accelereze într-un câmp electric și la viteze de mii și zeci de mii de kilometri pe secundă. Aceasta este de sute de ori mai mult decât avem nevoie.
Pentru a depăși mobilitatea electronilor, aceștia trebuie să fie „atașați” de ceva. Acest lucru se poate face cu ușurință prin crearea unui câmp magnetic în spațiul perpendicular pe câmpul electric. Într-un câmp magnetic, particulele încărcate se rotesc într-o orbită circulară, așa-numita Larmor. Pentru electroni, diametrul său în condițiile noastre este de zecimi de milimetru, iar pentru ioni, este de aproximativ un metru. Ionii practic nu simt câmpul magnetic, se mișcă doar sub influența câmpului electric și lasă motorul la turație mare. Astfel, sistemul se transformă într-un accelerator de ioni, în care nu există nicio sarcină spațială interferentă.
La prima vedere, motorul cu plasmă este un dispozitiv foarte simplu. Acesta este un electromagnet inelar, în golul căruia este plasată o cameră (se mai numește și canal) realizată dintr-un material dielectric. Anodul este situat în adâncimea camerei. În afară, lângă tăietura camerei, există un neutralizator catodic. Substanța de lucru (xenonul) intră în canal și este ionizată lângă anod. Ionii sunt accelerați în câmpul electric și zboară din motor, creând tracțiunea jetului. Iar electronii, ca și în motorul ionic, ajung la anod, trec prin circuit la neutralizatorul catodic și intră în fluxul de ioni, neutralizându-l atât pe acesta, cât și pe motor. Este absolut necesar să faceți acest lucru - altfel satelitul, ejectând ioni pozitivi din motor, ar dobândi un potențial negativ mare.
SPD LA SOL ȘI ÎN SPAȚIU
Țara noastră continuă să fie lider în proiectarea sistemelor de rachete electrice. Motoarele cu plasmă staționare sunt instalate pe aproape șaizeci de sateliți ruși ca motoare de corecție. Aceștia ajustează poziția satelitului pe orbită și, în principiu, îl pot transfera, să zicem, de pe o orbită de referință la o altitudine de 150-200 de kilometri pe o orbită geostaționară la o înălțime de 36.000 de kilometri. Această operațiune va necesita trei-patru luni de muncă continuă, timp în care doar zece kilograme de substanță vor fi aruncate. Experții cred că în următorii doi sau trei ani va începe un adevărat boom în utilizarea motoarelor electrice de rachete atât pentru corectarea orbitelor sateliților artificiali Pământului, cât și pentru zborurile către alte planete. Pentru toate aceste lucrări, SPD-urile sunt indispensabile; vor fi instalate și la stația automată, care, în cadrul programului Academiei Ruse de Științe, va fi lansată pe satelitul lui Marte Phobos chiar la începutul mileniului trei. Dar pentru orientarea navei spațiale sunt prea puternice, pentru aceasta sunt necesare structuri foarte miniaturale.
Iar pentru rezolvarea problemelor pur terestre, domeniul de activitate al motoarelor cu plasmă este uriaș. Deja acum SPT-urile în design adecvat sunt utilizate pentru prelucrarea diferitelor suprafețe - de la metal, sticlă, semiconductori. Dar, aparent, domeniul de aplicare a acestora, sau mai bine zis, principiile stabilite în ele, va fi incomparabil mai larg, mai ales că puterea unor astfel de sisteme poate fi mărită de mii de ori. Și acest lucru se datorează în primul rând elementului lor structural fundamental nou - electrozii magneto-electronici transparenți, care în multe cazuri pot înlocui electrozii în stare solidă.
Detalii pentru curioși
ISTORIA MOTOARELOR PLASMA
Primele premise pentru crearea motoarelor cu ioni de plasmă au apărut în urmă cu mai bine de o sută de ani.
La sfârșitul secolului trecut, au început lucrări intense privind studiul gazelor folosind o descărcare electrică. Gazul investigat sub presiune joasă a fost plasat într-un tub de sticlă cu electrozi lipiți - un anod și un catod. Odată cu o scădere suplimentară a presiunii în tub, razele emanate din catod au devenit vizibile. Un studiu detaliat a arătat că aceste „raze catodice” sunt un flux de electroni.
În 1886, a fost descoperit un alt fenomen interesant. Dacă se fac găuri („canale”) într-un catod plat, atunci alte raze, numite raze canal, se vor întinde prin ele în direcția opusă. Acestea erau fluxuri de atomi de gaz ionizat. Cu toate acestea, la acea vreme, desigur, nimeni nu presupunea că ar putea fi folosite pentru a obține propulsie cu reacție.
Primul propulsor ionic eficient a fost creat de americanul G. Kaufman în anii 60 și folosit în experimentul spațial Sert-II. Motoarele de acest tip au o cameră de ionizare cu eclator electric și un electrod de accelerare sub forma unei plăci cu găuri. Gazul de lucru (să zicem, xenonul) intră în cameră, unde atomii săi se descompun în electroni și ioni încărcați pozitiv. Fluxul ionic părăsește camera și accelerează sub acțiunea unei tensiuni aplicate electrodului cu gauri. Electronii trec prin circuitul de alimentare al motorului și intră în neutralizator, care stă în calea fasciculului de ioni. Ionii, îndepărtându-se de motor, îi poartă de-a lungul.
Cam în aceeași perioadă, în țara noastră a fost creat un motor de eroziune cu plasmă proiectat de A. M. Andrianov. A devenit primul dispozitiv de acest tip lansat în spațiu: în 1964 a fost instalat pe aparatul Zond-2 ca propulsor de orientare alimentat de baterii solare.
Motorul este realizat sub forma a doi electrozi coaxiali cilindrici separați de un izolator. Un ac de aprindere conectat la o bancă de condensatoare este conectat la electrodul central. Când condensatorul este descărcat, între ac și electrod are loc o descărcare, provocând evaporarea (eroziunea) și ionizarea acestora. Această plasmă „sămânță” intră în golul dintre electrozi, care sunt alimentați cu o tensiune înaltă a băncii principale de condensatoare. Apariția plasmei inițiază o descărcare de suprafață, care vaporizează materialul izolatorului și ionizează moleculele acestuia. Încălzirea și interacțiunea curentului cu propriul câmp magnetic accelerează plasma.
Până la mijlocul anilor 1960, în țara noastră s-au obținut rezultate încurajatoare în dezvoltarea diferitelor tipuri de motoare cu plasmă. Dar cel mai mare succes a venit la un grup de la Institutul de Energie Atomică. I. V. Kurchatov, care a fost condus de A. I. Morozov și G. Ya. Shchepkin. Până în mai 1969, această echipă a creat un aspect funcțional al sistemului de propulsie. După o revizuire a designului la Fakel Design Bureau, motorul a fost instalat pe satelitul Meteor în ultimele zile ale anului 1970 și lansat pe orbită. Au trecut aproape treizeci de ani de atunci, dar acest propulsor de plasmă staționar (SPT) încă nu are concurenți - alte scheme s-au dovedit a fi mai puțin eficiente și nu au devenit o parte obișnuită a navelor spațiale.
La mijlocul anilor 1980, lucrările la SPD au fost transferate de la Institutul de Energie Atomică la Institutul de Radio Inginerie, Electronică și Automatizare din Moscova (MIREA) și au continuat în laboratorul profesorului Antonina Ivanovna Bugrova. În 1992, vicepreședintele companiei spațiale franco-europene SEP, domnul Boulanger, a vizitat laboratorul. El sa oferit să încheie un contract pentru crearea unui model SPT fără brevet, cu caracteristici îmbunătățite.
Faptul este că motoarele au două dezavantaje semnificative: o divergență mare a fasciculului de plasmă (până la 45 °) și o eficiență de aproximativ 50%, care a fost mai mică decât capacitățile lor. Și aveau o ciudățenie: cea mai puternică forță a fost obținută cu geometria câmpurilor, din punct de vedere al teoriei, departe de a fi optimă. Când au fost înțelese motivele acestui comportament, personalul laboratorului MIREA a schimbat configurația canalului, anodului și câmpului magnetic. Acest lucru a dat imediat rezultate uimitoare: eficiența a crescut la aproape 70%, iar divergența fasciculului a devenit mai mică de 10 o. Astfel, au fost create SPD-uri de a doua generație.
Meteor-10, lansat pe 29 decembrie 1971 pe o orbită sincronă condiționat (care a făcut posibilă trecerea peste aceleași puncte de pe suprafața pământului la anumite intervale de timp), a fost cel mai comun satelit meteorologic. Dar doar la prima vedere: pe lângă sistemul obișnuit de control al atitudinii, mai erau două motoare experimentale la bord.
Unul dintre ei, purtând numele zeului grec al vântului de vest - „Zephyr”, a lucrat doar aproximativ o oră și nu a primit o dezvoltare ulterioară. Dar cel de-al doilea, numit după stăpânul vânturilor - „Eol-1”, dezvoltat de un grup de angajați ai IAE (Institutul de Energie Atomică) sub conducerea lui Alexei Ivanovich Morozov și fabricat de Biroul de Proiectare din Kaliningrad „Fakel” , a pus bazele unei direcții întregi spațiale - motoarele cu plasmă.
Istoria motoarelor cu plasmă a început în 1950, când un absolvent al Facultății de Fizică a Universității de Stat din Moscova, Alexei Morozov, a fost desemnat de către comitetul de partid să predea mecanică și inginerie electrică la școala tehnică a satului fabrică Lyudinovo din sud-est. din regiunea Kaluga. Motivul este simplu: tatăl lui Morozov a fost reprimat și nimeni nu a ținut cont nici de specializarea sa (teoria câmpului cuantic), nici de solicitările repetate ale conducătorului său, decanul Facultății de Fizică Arsenii Alexandrovici Sokolov, de a-l lăsa la catedră.
Profesorii de fizică din acei ani erau adesea rugați să susțină prelegeri despre energia atomică, iar Morozov nu a făcut excepție. Într-o zi din 1953, se întorcea la Lyudinovo de la o prelegere similară în satul Cerny Potok. „Cu puțin timp înainte de asta, am citit cartea lui Goodman despre elementele de bază ale energiei nucleare. Era o diagramă a unei rachete nucleare - gazul a trecut prin miez și s-a încălzit. Am fost uimit de cât de ineficient este acest design - pe de o parte, energia atomică, iar pe de altă parte, este doar un motor termic! - își amintește Alexei Ivanovici. - Și în timp ce mergeam 12 km de-a lungul traverselor până la Lyudinovo, mi-am amintit de experimentele cu forța Ampere și bobina Thomson, pe care le-am arătat elevilor de la școală și mi-a venit în minte o idee - de ce să nu accelerez corpul de lucru cu un câmp magnetic?
Calculele teoretice au arătat că acest lucru este foarte posibil, iar Morozov a decis să efectueze un experiment. După ce a făcut o „cărămidă” din azbociment, a făcut două găuri transversal în ea. Într-una, el a introdus două tije de carbon din baterii din părți diferite și a plasat doi poli ai unui electromagnet puternic în partea de sus și de jos a barei. În stare normală, plasma formată în timpul arderii arcului a zburat cu un șuierat ușor de pe ambele părți ale celei de-a doua găuri, dar de îndată ce electromagnetul a fost pornit, fluxul a început să bată într-o direcție cu un vuiet teribil. .
SPT este un electromagnet inelar cu o cameră ceramică plasată în gol. Un anod este situat la capătul camerei. În exterior, lângă tăietura canalului motorului, există doi catozi-neutralizatori. Xenonul de lucru este introdus în cameră și ionizat lângă anod. Ionii sunt accelerați în el. câmp și zboară din motor, creând tracțiunea jetului. Sarcina lor spațială este neutralizată de electronii furnizați de la neutralizatorul catodic.
În 1955, Morozov a scris un articol „Despre posibilitatea creării de motoare cu reacție electrice cu plasmă”, dar supervizorul său, după ce l-a citit, a dat un sfat bun: „Un astfel de articol va fi imediat clasificat. Este mai bine să schimbi numele în ceva mai neutru”. Drept urmare, un articol a fost publicat în ZhETF (Journal of Experimental and Theoretical Physics) sub titlul „On Plasma Acceleration by a Magnetic Field”. A fost revizuit de Lev Artsimovici, șeful Departamentului de Cercetare a Plasmei IAE. Teoria prezentată în articolul lui Morozov a fost reflectată mai târziu în articolul propriu al lui Artsimovici despre pistolul cu șină (doar Morozov avea un câmp magnetic constant, în timp ce Artsimovici avea un câmp electrodinamic).
Publicația a stârnit o mare rezonanță în rândul specialiștilor, ba chiar a fost discutată de două ori la o ședință a Societății Americane de Fizică.
În 1955, Morozov și-a susținut teza, iar în 1957 a fost invitat să lucreze la IAE. Până la sfârșitul anilor 1950, succesul URSS în spațiu i-a inspirat pe designeri să vizeze mai multe proiecte spațiale la scară largă. Chiar și un zbor spre Marte a fost planificat și, prin urmare, pe 2 iulie 1959, Lev Artsimovici a chemat angajații la o întâlnire. Subiectul de discuție a fost posibilitatea de a construi motoare pentru o navă marțiană. Artsimovici a propus următoarele caracteristici pentru un astfel de sistem: o tracțiune de aproximativ 10 kgf, o viteză de evacuare de 100 km/s și o putere a motorului de 10 MW.
Personalul IAE a propus mai multe proiecte: un motor cu impulsuri cu plasmă (A.M. Andrianov), un analog magnetic-plasmă al duzei Laval (A.I. Morozov) și un motor bazat pe o sursă de ioni cu o singură fanteză, practic același cu cel folosit pentru separarea izotopilor electromagnetici. (Pavel Matveevici Morozov, omonim lui Alexei Ivanovici).
Apropo, toate aceste proiecte au fost ulterior implementate într-o formă sau alta. Eroziune cu plasmă (opțiune pulsată) Motorul lui Andrianov de putere mult mai mică a fost instalat pe unul dintre sateliți și lansat în spațiu în 1964, iar motorul ionic P.M. Morozov sub numele de „Zefir” (de asemenea, cu putere redusă) stătea chiar pe satelitul „Meteor-10”. Experimentele cu un analog magnetic al duzei Laval cu un corp central (dezvoltatorii înșiși l-au numit „coaxial”) au fost efectuate din 1960, dar schema s-a dovedit a fi complicată și a fost construită abia în 1980 prin eforturile comune. al IAE, Institutul de Fizică și Tehnologie Harkov, TRINITI și Institutul de Fizică Belarus. Puterea acestui monstru era de 10 GW!
Cu toate acestea, aceste proiecte nu erau potrivite pentru programul marțian dintr-un motiv simplu: atunci designerii nu aveau surse de alimentare cu putere adecvată. Această problemă este și astăzi actuală: maximul pe care se poate conta este de zeci de kilowați. A fost necesar să trecem la scară mică.
Georgy Grodzovsky (TsAGI) a fost unul dintre primii care au proiectat motoare electrice de rachete de putere redusă în țara noastră. Din 1959, motoarele sale ionice au fost testate în spațiu (deși nu pe sateliți, ci pe rachete balistice). În 1957 M.S. Ioffe și E.E. Yushmanov a început cercetările asupra unei capcane magnetice (așa-numita oglindă) pentru plasmă. Pentru a-l umple cu plasmă fierbinte (10 milioane de grade), au folosit accelerația ionilor în câmpuri electrice și magnetice încrucișate. Această lucrare a servit drept fundație pentru crearea unui număr de motoare cu plasmă.
În 1962, Alexey Morozov și-a propus propriul design al unui propulsor cu plasmă de putere redusă, numit SPT (impulsor cu plasmă staționară). O caracteristică fundamentală importantă a SPT a fost că mărimea câmpului magnetic a crescut spre ieșirea din canalul motorului - acest lucru a asigurat crearea unui câmp electric în masă în plasmă. Întreaga idee a motorului a fost construită tocmai pe existența unui astfel de câmp.
Cele mai simple motoare electrice de rachetă încălzesc gazul înainte de scurgere cu un arc electric (arcjet) sau un fir de curent incandescent - resistojet. Se găsesc și în timpul nostru - designul lor este simplu, ieftin și de încredere. Adevărat, eficiența, viteza de evacuare și tracțiunea sunt mici. Americanul G. Kaufman este considerat pionierul motoarelor ionice. Designul său folosește ionizarea cu descărcare de arc, iar ionii sunt apoi accelerați de un câmp electrostatic într-un sistem ion-optic.
„Pentru prima dată, Townsend a subliniat posibilitatea existenței câmpurilor electrice în vrac în plasmă în 1910, dar timp de 50 de ani încercările de a crea un astfel de câmp au eșuat. La acea vreme, se credea că, deoarece plasma este un conductor, nu poate fi creat un câmp în ea. De fapt, este cu adevărat imposibil să se creeze un câmp electric în vrac într-o plasmă fără un câmp magnetic - acesta este ecranat datorită electronilor liberi. Dar în prezența unui câmp magnetic care afectează mișcarea electronilor, pot exista câmpuri electrice în vrac în plasmă.
Grupa A.I. Morozova a început să lucreze cu SPD în 1962. Timp de aproape cinci ani, motorul a existat într-o versiune de laborator - în 1967, modelul era încă echipat cu răcire cu apă. Era timpul să începem testele de zbor și spațiu, dar în această etapă dezvoltatorii s-au confruntat cu o problemă neașteptată. Designerii de nave spațiale au refuzat categoric să pună ceva electric la bord! Directorul IAE, academicianul Alexandrov, s-a întâlnit de mai multe ori cu proiectanții diverselor nave spațiale, iar în cele din urmă a reușit să se înțeleagă cu Iosifyan, proiectantul șef al sateliților din seria Meteor.
Cu toate acestea, problemele nu s-au terminat aici. În 1969, Iosifyan a emis o misiune tehnică echipei de dezvoltare, conform căreia trebuia să realizeze nu motorul în sine, ci întreaga instalație, inclusiv sistemul de alimentare, alimentarea cu xenon etc. În același timp, a fost necesar să se respecte limite foarte stricte: forță 2 g, eficiență 30-40%, consum de energie 400 W, greutate 15 kg, resursă 100 de ore. Și toate acestea trebuiau făcute în 5 luni! Grupul lui Morozov a lucrat zi și noapte, dar a reușit să o facă. Fabricarea sistemului de propulsie a fost încredințată lui Kaliningrad OKB Fakel, al cărui director la acea vreme era talentatul designer Roald Snarsky. La câteva zile după lansarea lui Meteor, au început experimentele cu motoare. „Eol-1” a fost instalat pe satelit în așa fel încât axa de forță să nu treacă prin centrul de masă al dispozitivului. Când motorul a fost pornit, a apărut un anumit cuplu, care putea fi compensat de sistemul de orientare, în timp ce a servit și ca contor de forță al lui Eola.
Experimentul a fost urmărit îndeaproape nu numai de creatorii motorului, ci și de sceptici, dintre care au fost destui. „Eol-1” trebuia să funcționeze doar câteva minute, apoi să se oprească automat (designerii se temeau că jetul de plasmă va bloca semnalul radio). Motorul a funcționat și s-a oprit. După efectuarea monitorizării radio a orbitei, s-a dovedit că rezultatele corespund exact datelor de laborator. Adevărat, scepticii nu s-au calmat și au avansat ipoteza că schimbarea orbitei este cauzată de scurgerea obișnuită de gaz printr-o supapă deschisă. Dar această presupunere nu a fost confirmată: după a doua pornire la comandă de pe Pământ, motorul a funcționat încă 170 de ore, ridicând orbita Meteor-10 cu 15 km. Biroul de proiectare „Fakel” a făcut o treabă excelentă cu sarcina sa: resursa a fost aproape dublată.
Anul acesta, Societatea Americană de Propulsie a Rachetelor Electrice (ERPS) a decis să sărbătorească un secol de cercetare în acest domeniu (1906-2006) și a stabilit un premiu special - medalia „Pentru realizările remarcabile în domeniul propulsiei rachetelor electrice”. Alexey Ivanovich Morozov a fost printre primii șase premiați. Restul de cinci sunt E. Stulinger, G. Kaufman și R. Jan (SUA), G. Loeb (Germania) și K. Kuriki (Japonia).
La începutul anilor 1980, Fakel a început să producă în masă motoare SPD-70 - descendenți ai Eolilor. Primul satelit cu acest motor, Geyser No. 1, a fost lansat în 1982, iar în 1994 satelitul de comunicații Hals-1 a fost echipat cu noul model SPD-100. Cu toate acestea, deși raportul privind testarea cu succes a motorului cu plasmă Eol în 1974 a fost publicat destul de deschis în revista Space Research, designerii străini au considerat SPT-ul ca fiind doar o dezvoltare teoretică interesantă. Prin urmare, în 1991, demonstrația motoarelor Fakel funcționale către reprezentanții NASA și JPL și mesajul că sateliții în serie erau echipați cu altele similare le-a provocat un adevărat șoc (americanii au mers practic pe calea dezvoltării motoarelor ionice).
Deloc surprinzător, Fakel este acum considerat cel mai important producător mondial de motoare cu plasmă cu propulsie electrică. „Fiecare al treilea satelit rus are motorul nostru și trei dintre cei mai mari cinci producători de nave spațiale occidentale cumpără SPD de la noi”, a declarat Vyacheslav Mikhailovich Murashko, director și designer general al OKB Fakel. „Sunt, de exemplu, echipați cu sateliți MBSat-1, Intelsat-X-02, Inmarsat-4F1.” Atunci când și-a trimis satelitul SMART-1 pe Lună, Agenția Spațială Europeană a ales ca motoare motoarele cu plasmă PPS-1350, o dezvoltare comună a companiei franceze Snecma Moteurs, OKB Fakel și MIREA.
Ce ne așteaptă în viitorul apropiat? În anii 1980, un grup de la MIREA a dezvoltat motorul de generație următoare, SPD Aton. Divergența fasciculului de plasmă în SPT-100 este de +/- 45 de grade, eficiența este de 50%, iar caracteristicile corespunzătoare ale Aton SPT sunt de +/-15 grade și 65%! Nu este încă solicitat, ca și celălalt motor al nostru, SPD Max în două trepte cu o geometrie de câmp modificată - designerii încă se descurcă cu SPD-100, mai simplu. Spațiul adânc necesită motoare cu scară de 10-100 kW sau chiar MW. Există deja evoluții similare - în 1976, IAE a realizat un motor cu o capacitate de 30 kW, iar la sfârșitul anilor 1980, Fakel a dezvoltat un SPT-290 cu o capacitate de 25 kW pentru remorcherul spațial Hercules. În orice caz, teoria unor astfel de motoare a fost construită, prin urmare, în cadrul schemei clasice SPT, este foarte posibil să creșteți puterea la 300 kW. Dar apoi, poate fi necesar să treceți la alte modele. De exemplu, la un accelerator de hidrogen cu două lentile dezvoltat la IAE la sfârșitul anilor 1970. Această mașină avea o putere de 5 MW și o viteză de evacuare de 1000 km/s. În orice caz, navele interplanetare vor avea motoare cu plasmă.
Recenzie bazată pe: Popular Mechanics
Original preluat din
