Plazma motorları: efsaneler ve gerçeklik. Rus fizikçiler uçaklar için plazma motorunu test etti Uçaklar için plazma motorları

NPO Energomash'ın bilimsel ve teknik konseyi ve Ulusal Araştırma Merkezi Kurchatov Enstitüsü tarafından hazırlanan İleri Araştırma Vakfı masasına bir başvuru yapıldı. Uygulama, elektrotsuz bir plazma roket motorunun oluşturulmasına olanak sağlayacak oldukça iddialı bir projenin uygulanmasına adanmıştır. BPRD olarak kısaltılır. Motorun laboratuvar numunesinin üretilmesine olanak tanıyan net bir çalışma kapsamı tanımlandı.

ERE (elektrikli roket motoru), özünde, çalışma sıvısının özel bir plazma durumunda hızlanma elde edebildiği bir elektrik motorudur. Plazma motorlarının orijinal fikri Sovyet fizikçisi AI Morozov'a ait ve bunu 60'lı yıllarda ortaya attı. Bu tür iticilerin günümüzdeki uygulaması, iletişim uydularının yakınındaki istasyonları korumaktır.

Energomash'ta üretilecek yeni nesil plazma motorların gücü 100 kW'ın üzerinde. Yalnızca sabit uydular için kullanılamazlar. Bu tür motorlar yıldızlararası olarak nitelendirilen uçuşlar için uygundur.

Dünyada son yıllarda plazma motorlarında birçok gelişme dikkat çekiyor. Yeni nesile atfedilebilirler. Bu, Avrupa Uzay Ajansı'nın, İran Uzay Ajansı ve Avustralya Ulusal Üniversitesi işbirliğiyle ürettiği bir helikon plazma iticisidir. Bu aynı zamanda Ad Astra Rocket Company'den Kanadalı mühendislerin ve Amerikalıların gelişimidir. Amerikan-Kanadalı motor 200 kW güce sahiptir.

Roskosmos'un mesajında, modern elektrikli tahrik için birçok seçeneğin olumlu yönde kendini kanıtladığı belirtiliyor. Yüksek bir momentuma ve çalışma sıvısının düşük kütlesel akış hızına sahiptirler. Bu, yakın gelecekte uzay aracının uzun mesafeli rotalara gönderilmesine olanak sağlayacaktır. Ancak düşük itme sorunu çözülmeyi bekliyor. Büyük kozmik mesafelerin üstesinden gelme yeteneğini ciddi şekilde sınırlar. Şu anda ERE'ler nispeten küçük boyutlu uzay araçlarının yörüngelerini düzeltmek için kullanılıyor. Böyle bir motor, kural olarak, 50 kW'ı aşmayan bir güce sahiptir. Dünya yörüngesinde bu tür motorlar güneş panelleri tarafından çalıştırılıyor.

En son Rus gelişiminin benzersizliği

Rus elektrotsuz plazma roket motoru en yüksek enerji verimliliğine sahiptir. Pratikte, belirli bir dürtünün büyüklüğünü değiştirmek için hemen hemen her maddeyi çalışma sıvısı olarak kullanabilir. Maksimum güç parametreleri yalnızca yüksek frekanslı jeneratörün besleme gücü ile sınırlıdır. Çalışma maddesinin yapısal elemanlarla etkisine ilişkin kısıtlamalar kaldırıldığından, böyle bir motorun potansiyeli çok büyük bir çalışma kaynağına sahiptir.

Termonükleer füzyon alanındaki son keşifler sayesinde, Rusya'nın gelişiminin temelini oluşturan yenilikçi fikirlerin hayata geçirilmesi olasılığı ortaya çıktı. Ayrıca Rus uzmanlar, yüksek sıcaklıklı süper iletkenler ve yüksek frekanslı jeneratörlerin teknolojilerini inceleme yolunda çok ilerlediler. Günümüzde bilim adamlarının plazma süreçlerini nasıl optimize edeceklerine ve yüksek frekanslı bir jeneratörü nasıl geliştireceklerine karar vermeleri gerekiyor. BPRD'nin güç kaynağı sistemleri ve özellikle bunların yönetimi iyileştirmeye tabidir. Tüm bu en karmaşık mühendislik ve bilimsel problemlerin çözümünü sağlamak için bir deney ve test tezgahı tabanı oluşturmak gereklidir.

Kurchatov Enstitüsü uzmanları bir düzineden fazla yıldır plazma motorları üzerinde çalışıyor. Kimyasal Otomatikler Tasarım Bürosu 2010 yılından bu yana elektrikli tahrik sorunlarını inceliyor. Zaten 10 kW gücünde bir manyetoplazmodinamik motora ve güçlü (300 W) yüksek frekanslı bir iyon motoruna sahipler.

Modern roket motorları, ekipmanı yörüngeye fırlatma göreviyle iyi başa çıkıyor, ancak uzun vadeli uzay yolculuğu için tamamen uygun değiller. Bu nedenle, on yıldan fazla bir süredir bilim insanları, gemileri rekor hızlara çıkarabilecek alternatif uzay motorlarının yaratılması üzerinde çalışıyorlar. Bu alandaki yedi ana fikre bakalım.

EmDrive

Hareket etmek için bir şeyden uzaklaşmanız gerekir - bu kural, fizik ve astronotikin sarsılmaz sütunlarından biri olarak kabul edilir. Roket motorlarında olduğu gibi topraktan, sudan, havadan veya gaz jetinden tam olarak neyi iteceğiniz o kadar önemli değil.

Bilinen bir düşünce deneyi: Bir astronotun uzaya gittiğini, ancak onu gemiye bağlayan kablonun aniden koptuğunu ve adamın yavaş yavaş uçmaya başladığını hayal edin. Sahip olduğu tek şey bir alet kutusu. Eylemleri neler? Doğru cevap: Aletleri gemiden atması gerekiyor. Momentumun korunumu yasasına göre, bir kişi, aletin kişiden uzaklaştığı kuvvetle tamamen aynı kuvvetle aletten uzağa fırlatılacak, böylece yavaş yavaş gemiye doğru hareket edecektir. Bu jet itişidir; boş alanda hareket etmenin mümkün olan tek yolu. Doğru, deneylerin gösterdiği gibi EmDrive'ın bu sarsılmaz ifadeyi çürütme şansı var.

Bu motorun yaratıcısı, 2001 yılında kendi şirketi Satellite Propulsion Research'ü kuran İngiliz mühendis Roger Schaer'dir. EmDrive'ın tasarımı çok abartılı ve her iki ucu da mühürlenmiş metal bir kova şeklindedir. Bu kovanın içinde, geleneksel bir mikrodalgada olduğu gibi elektromanyetik dalgalar yayan bir magnetron var. Ve çok küçük ama oldukça dikkat çekici bir itme kuvveti yaratmak için yeterli olduğu ortaya çıktı.

Yazarın kendisi, motorunun çalışmasını "kepçenin" farklı uçlarındaki elektromanyetik radyasyonun basınç farkı yoluyla açıklıyor - dar uçta geniş olandan daha az. Bu, dar uca doğru yönlendirilmiş bir itme kuvveti yaratır. Motorun böyle bir şekilde çalıştırılması olasılığı birçok kez tartışıldı, ancak tüm deneylerde Shaer'in kurulumu, amaçlanan yönde itme kuvvetinin varlığını gösteriyor.

"Kova" Schaer'i test eden deneyciler arasında NASA, Dresden Teknik Üniversitesi ve Çin Bilimler Akademisi gibi kuruluşlar da vardı. Buluş, 20 mikronewtonluk bir itme gücü gösterdiği vakum da dahil olmak üzere çeşitli koşullarda test edildi.

Bu, kimyasal jet motorlarına göre çok küçüktür. Ancak, Shaer'in motorunun herhangi bir yakıt kaynağına ihtiyaç duymaması nedeniyle keyfi olarak uzun bir süre çalışabileceği göz önüne alındığında (güneş pilleri magnetronu sağlayabilir), uzay aracını hızın yüzdesi olarak ölçülen muazzam hızlara çıkarma potansiyeline sahiptir. ışığın.

Motorun verimliliğini tam olarak kanıtlamak için daha birçok ölçümün yapılması ve örneğin harici manyetik alanların oluşturabileceği yan etkilerden kurtulmak gerekir. Bununla birlikte, Shaer motorunun genel olarak olağan fizik yasalarını ihlal eden anormal itme kuvveti için alternatif olası açıklamalar halihazırda öne sürülmektedir.

Örneğin, motorun, kuantum düzeyinde sıfır olmayan enerjiye sahip olan ve sürekli doğup kaybolan sanal temel parçacıklarla dolu olan fiziksel boşlukla etkileşimi nedeniyle itme kuvveti yaratabileceği versiyonları öne sürülüyor. Sonunda kimin haklı çıkacağını yakın gelecekte öğreneceğiz: Bu teorinin yazarları mı, Shaer'in kendisi mi, yoksa diğer şüpheciler mi?

güneş yelkeni

Yukarıda bahsedildiği gibi elektromanyetik radyasyon basınç uygular. Bu, teorik olarak, örneğin bir yelken yardımıyla harekete dönüştürülebileceği anlamına gelir. Geçmiş çağların gemilerinin rüzgarı yelkenleriyle yakalaması gibi, geleceğin uzay araçları da güneşi veya herhangi bir yıldız ışığını yelkenleriyle yakalayacak.

Ancak sorun, ışık basıncının son derece düşük olması ve kaynaktan uzaklaştıkça azalmasıdır. Dolayısıyla böyle bir yelkenin etkili olabilmesi için ağırlığının çok düşük olması ve çok geniş bir alana sahip olması gerekir. Bu da bir asteroit veya başka bir cisimle karşılaştığında tüm yapının yok olma riskini artırıyor.

Güneş yelkenlilerini inşa etme ve uzaya fırlatma girişimleri zaten gerçekleşti - 1993'te Rusya, Progress uzay aracında bir güneş yelkenini test etti ve 2010'da Japonya bunu Venüs'e giderken başarıyla test etti. Ancak henüz hiçbir gemi yelkeni ivmenin ana kaynağı olarak kullanmadı. Bu bakımdan biraz daha umut verici olan başka bir proje - elektrikli yelken.

elektrikli yelken

Güneş sadece fotonları değil aynı zamanda elektrik yüklü madde parçacıklarını da yayar: elektronlar, protonlar ve iyonlar. Bunların hepsi, her saniye yıldızın yüzeyinden yaklaşık bir milyon ton maddeyi taşıyan güneş rüzgarını oluşturur.

Güneş rüzgarı milyarlarca kilometreye uzanır ve gezegenimizdeki bazı doğal olaylardan sorumludur: jeomanyetik fırtınalar ve kuzey ışıkları. Dünya kendi manyetik alanı sayesinde güneş rüzgârından korunmaktadır.

Güneş rüzgarı da hava rüzgarı gibi seyahat için oldukça uygundur, sadece yelkenlere doğru esmesini sağlamanız yeterlidir. Finlandiyalı bilim adamı Pekka Janhunen tarafından 2006 yılında yaratılan elektrikli yelken projesinin güneş enerjisiyle görünüşte çok az ortak yanı var. Bu motor, jantsız bir tekerleğin jant tellerine benzeyen birkaç uzun ince kablodan oluşur.

Bu kablolar, hareket yönünün tersine yayılan elektron tabancası sayesinde pozitif yüklü bir potansiyel kazanır. Bir elektronun kütlesi bir protonun kütlesinden yaklaşık 1800 kat daha az olduğundan, elektronların yarattığı itme kuvveti temel bir rol oynamayacaktır. Böyle bir yelken için güneş rüzgârının elektronları da önemli değildir. Ancak pozitif yüklü parçacıklar (protonlar ve alfa radyasyonu) kablolardan itilecek ve böylece jet itişi yaratılacak.

Her ne kadar bu itme gücü güneş yelkeninden yaklaşık 200 kat daha az olsa da, Avrupa Uzay Ajansı ilgilenmeye başladı. Gerçek şu ki, elektrikli bir yelkenin uzayda tasarlanması, üretilmesi, konuşlandırılması ve çalıştırılması çok daha kolaydır. Ayrıca yelken, yerçekiminin yardımıyla yıldız rüzgarının kaynağına doğru seyahat etmenize ve ondan uzaklaşmanıza da olanak tanır. Ve böyle bir yelkenin yüzey alanı güneşinkinden çok daha küçük olduğundan asteroitlere ve uzay enkazlarına karşı çok daha az savunmasızdır. Belki de önümüzdeki birkaç yıl içinde elektrikli yelkenli ilk deneysel gemileri göreceğiz.

iyon motoru

Yüklü madde parçacıklarının, yani iyonların akışı yalnızca yıldızlar tarafından yayılmaz. İyonize gaz yapay olarak da oluşturulabilir. Normalde gaz parçacıkları elektriksel olarak nötrdür ancak atomları veya molekülleri elektron kaybettiğinde iyonlara dönüşürler. Böyle bir gazın toplam kütlesinde hala elektrik yükü yoktur, ancak bireysel parçacıkları yüklü hale gelir, bu da onların manyetik bir alanda hareket edebilecekleri anlamına gelir.

Bir iyon iticisinde, yüksek enerjili elektron akışıyla inert bir gaz (genellikle ksenon kullanılır) iyonize edilir. Elektronları atomlardan uzaklaştırırlar ve pozitif bir yük kazanırlar. Ayrıca, ortaya çıkan iyonlar, elektrostatik bir alanda, kimyasal jet motorlarından gaz çıkış hızından 50 kat daha fazla olan 200 km / s düzeyindeki hızlara kadar hızlandırılır. Bununla birlikte, modern iyon iticilerinin çok küçük bir itme kuvveti vardır - yaklaşık 50-100 milinewton. Böyle bir motorun masadan kalkması bile mümkün değildir. Ama ciddi bir artısı var.

Yüksek spesifik dürtü, motordaki yakıt tüketimini önemli ölçüde azaltabilir. Gazı iyonize etmek için güneş panellerinden elde edilen enerji kullanılır, böylece iyon motoru çok uzun bir süre (üç yıla kadar kesintisiz) çalışabilir. Böyle bir süre boyunca uzay aracını kimyasal motorların asla hayal edemeyeceği hızlara çıkarmak için zamanı olacak.

İyon iticileri çeşitli görevlerin bir parçası olarak güneş sisteminde birden fazla kez dolaştı, ancak genellikle birincil değil yardımcı olarak. Günümüzde iyon motorlara olası bir alternatif olarak plazma motorlardan giderek daha fazla bahsediliyor.

Plazma motoru

Atomların iyonlaşma derecesi yükselirse (yaklaşık% 99), o zaman maddenin böyle bir toplu durumuna plazma denir. Plazma durumuna yalnızca yüksek sıcaklıklarda ulaşılabilir, bu nedenle plazma motorlarında iyonize gaz birkaç milyon dereceye kadar ısıtılır. Isıtma, harici bir enerji kaynağı - güneş panelleri veya daha gerçekçi olarak küçük bir nükleer reaktör kullanılarak gerçekleştirilir.

Sıcak plazma daha sonra roketin nozulundan dışarı atılır ve iyon iticisine göre on kat daha fazla itme kuvveti üretilir. Plazma motoruna bir örnek, 1970'lerden bu yana geliştirilmekte olan VASIMR projesidir. İyon iticilerinin aksine, plazma iticileri henüz uzayda test edilmedi, ancak onlara büyük umutlar bağlandı. Mars'a insanlı uçuşlar için ana adaylardan biri olan VASIMR plazma motorudur.

Füzyon motoru

İnsanlar 20. yüzyılın ortalarından beri termonükleer füzyon enerjisini dizginlemeye çalışıyorlar ama şu ana kadar bunu başaramadılar. Bununla birlikte, kontrollü termonükleer füzyon hala çok çekici çünkü çok ucuz yakıtlardan (helyum ve hidrojen izotoplarından) elde edilen muazzam bir enerji kaynağıdır.

Şu anda termonükleer füzyonla çalışan bir jet motorunun tasarımına yönelik çeşitli projeler var. Bunlardan en umut verici olanı, manyetik plazma sınırlamalı bir reaktöre dayalı bir model olarak kabul edilir. Böyle bir motordaki termonükleer reaktör, 100-300 metre uzunluğunda ve 1-3 metre çapında basınçsız silindirik bir oda olacaktır. Yakıt, yeterli basınçta nükleer füzyon reaksiyonuna giren yüksek sıcaklıktaki plazma formunda odaya sağlanmalıdır. Odanın etrafına yerleştirilen manyetik sistemin bobinleri, bu plazmanın ekipmanla temasını engellemelidir.

Termonükleer reaksiyon bölgesi böyle bir silindirin ekseni boyunca bulunur. Manyetik alanların yardımıyla, son derece sıcak plazma reaktör nozülünden akar ve kimyasal motorlarınkinden kat kat daha fazla muazzam bir itme kuvveti yaratır.

Antimadde Motoru

Etrafımızdaki tüm madde fermiyonlardan, yani yarım tamsayı spinli temel parçacıklardan oluşur. Bunlar örneğin atom çekirdeğindeki protonları ve nötronları ve elektronları oluşturan kuarklardır. Her fermiyonun kendine ait antiparçacığı vardır. Elektron için pozitron, kuark için ise antikuarktır.

Antipartiküller, diğer tüm kuantum parametrelerinin işaretinde farklılık gösteren, her zamanki "yoldaşları" ile aynı kütleye ve aynı dönüşe sahiptir. Teorik olarak antipartiküller antimaddeyi oluşturma kapasitesine sahip ancak şu ana kadar antimadde Evrenin hiçbir yerinde kaydedilmedi. Temel bilim açısından bunun neden orada olmadığı büyük bir sorudur.

Ancak laboratuvarda belirli miktarda antimadde elde edebilirsiniz. Örneğin yakın zamanda manyetik bir tuzakta depolanan protonların ve antiprotonların özelliklerini karşılaştıran bir deney yapıldı.

Antimadde ve sıradan madde karşılaştığında, devasa bir enerji dalgasının eşlik ettiği karşılıklı bir yok olma süreci meydana gelir. Yani bir kilogram madde ve antimadde alırsak, buluşmaları sırasında açığa çıkan enerji miktarı, insanlık tarihindeki en güçlü hidrojen bombası olan Çar Bombasının patlamasıyla karşılaştırılabilir olacaktır.

Ayrıca enerjinin önemli bir kısmı elektromanyetik radyasyon fotonları şeklinde salınacaktır. Buna göre güneş yelkenine benzer bir foton motoru oluşturularak bu enerjinin uzay yolculuğu için kullanılması isteniyor, ancak bu durumda ışık bir iç kaynak tarafından üretilecek.

Ancak bir jet motorunda radyasyonun etkin şekilde kullanılabilmesi için bu fotonları yansıtabilecek bir "ayna" yaratılması sorununun çözülmesi gerekmektedir. Sonuçta, itme kuvveti yaratmak için geminin bir şekilde itilmesi gerekiyor.

Hiçbir modern malzeme böyle bir patlama durumunda ortaya çıkan radyasyona dayanamaz ve anında buharlaşamaz. Strugatsky kardeşler bilim kurgu romanlarında bu sorunu "mutlak bir yansıtıcı" yaratarak çözmüşlerdir. Gerçek hayatta böyle bir şey yapılmadı. Bu görev, büyük miktarda antimadde yaratma ve onun uzun vadeli depolanması konularının yanı sıra geleceğin fiziğinin meselesidir.

Uzayda uzun süreli çalışmalar için, plazma çıkış hızı saniyede yüz beş metre veya daha fazla olan güvenilir elektrikli roket motorları kullanılmalıdır. Plazma motorları geçen yüzyılın ortalarında aktif olarak geliştirilmeye başlandı. Ve bugün bu çalışma devam ediyor.

Araştırmanın başlangıcı

Atalarımız uzun zamandır uzaya uçmak istiyorlardı. Uzun süredir gaz, elektrik deşarjı kullanılarak aktif olarak incelenmiştir. Elektrotlu bir cam kaba yerleştirildi. Daha sonra, basınç azaldığında, katottan yayılan ışınlar ortaya çıktı; bu, daha sonra öğrenildiği gibi, aslında bir elektron akışıydı.

Ve 1886'da, katotta delikler açarak diğer ışınların onlardan ters yönde uzandığı - iyonize gaz atomları - keşfedildi. Ama o zaman, elbette, bunları elde etmek için kullanılacaklarına dair hiçbir fikirleri yoktu.

Sovyetler Birliği döneminde, bu teknolojilerin uzay uçuşuna yönelik araçlarda uygulanması amacıyla Fiziko-Teknik SOAN laboratuvarlarında iyon ve plazma motorları geliştirildi. Çalışma yirminci yüzyılın ellili yıllarında başladı. İki tür cihaz keşfedildi:

• erozyon motoru (darbe);
• sabit plazma motoru (impulssuz).

Bu güne kadar kullanılan bu iki türdür.

Aşındırıcı ve sabit

Bugün bilinen plazma motoru, memeden çıkan plazma jetinin reaktif kuvvetine bağlı olarak çalışır. Plazmanın kendisi bir elektrik deşarjı yoluyla oluşturulur. Daha basit bir motor için darbeli mod (aşındırıcı plazma motoru) seçilir. Enerji kaynağı 0,5 μF ve voltaj 10 kV'dir. Şarjı diyotlu ve dirençli transformatörden gelir.

Bu tür cihazların yardımıyla diğer tip roket motorlarının çalıştırılmasıyla elde edilemeyen küçük ve hassas itme itişleri oluşturulur. Darbeli plazma motorları 1964 yılında Zond-2 uzay istasyonunda başarıyla test edildi.

SPT, genişletilmiş bir bölgeye ve kapalı elektron sürüklenmesine sahip bir hızlandırıcının bir çeşididir. Bu tür cihazlar uzun süre çalışabilir. İki ksenon motor ilk kez 1972'de Sovyet Meteor'da piyasaya sürüldü.

Çalışma prensibi: prototip

Kurulumun işleyişi aşağıdaki gibidir. Kapasitörün voltajı, akım ileten toplayıcı ile boşaltma odasının elektrotları arasındaki boşluktur. Voltaj arıza değerine ulaştığında motor bölmesinde bir elektrik deşarjı belirir. Oradaki hava on bin birime kadar ısıtılarak plazma halini alıyor. Basınç keskin bir şekilde artar ve plazma jeti nozülden büyük bir hızla akar.

Motora bağlanan roket jet gücünü jetten alır. Yumuşak bir dönüş elde etmek için roket bir bilyeli yatakla tutturulur ve bir karşı ağırlıkla dengelenir.

En karmaşık elektrik ünitesi, akımı sağlayan toplayıcıdır. Elektrotlar arasındaki boşluklar yarım milimetreden fazla olmamalıdır. Bu durumda kapasitörde neredeyse hiç güç kaybı olmayacak ve roket dönmeye başladığında ilave sürtünme oluşmayacaktır.

Roketin kendisi ve plazma roketinin tamamı farklı boyutlara sahip olabilir, ancak kaynağın gücü ile kapasitörün boyutu aynı olmalıdır. Temel birimleri ve roket tasarımını hesaplamak için özel formüllerle hesaplama yapıldıktan sonra şemanın kullanılması uygundur.

Örnek olarak deneyimlenen değerler

Altı bin watt'lık belirli bir voltaj ve 0,5 * 10 (-6) f kapasitör kapasitansına sahip bir örnek kullanarak, hesaplamalar sonucunda motor bölmesinde açığa çıkan enerji 5,4 J'dir. Ve sıcaklık farkı ise 10000K, daha sonra odanın hacmi yarım santimetreküp'e eşittir.

Daha sonra elektrik devresinin elemanları şöyle olacaktır:

• 200 watt güce sahip 220 * 5000V transformatör;
• 100 watt gücünde tel sargılı direnç.

Bu model bin volttan fazla çalışma voltajına sahiptir ve bu nedenle onunla çalışırken çok dikkatli olmak ve gerekli tüm güvenlik kurallarına uymak gerekir.

Deney sırasında güvenlik kuralları

1. Lansman bir kişi tarafından gerçekleştirilir. Diğerleri cihazdan bir metre uzakta durabilir.
2. Üniteye ellerinizle yapılan tüm işlemler ve dokunmalar, ancak en az bir dakika bekledikten sonra elektrik bağlantısı kesildiğinde yapılabilir. Daha sonra kapasitörün deşarj olması için zamanı olacaktır.
3. Güç kaynağı her tarafı kapalı metal bir kasaya yerleştirilmelidir. Çalışma sırasında çapı en az bir buçuk milimetre olması gereken bakır tel vasıtasıyla topraklanır.

Gerçek roketler için plazma iticileri birkaç bin kat daha güçlü olmalı! Belki bugün küçük örneklerle deney yapanlar yarın yeni olasılıkların önünü açmak zorunda kalacaklar.

Fiziksel ve Matematik Bilimleri Doktoru A. MOROZOV.

Moskova Politeknik Müzesi'nde benzersiz bir sergi var: Atom Enerjisi Enstitüsü'nde oluşturulan, güneş pilleriyle çalışan düşük itmeli bir tahrik sistemi. I. V. Kurchatov, Profesör Alexei Ivanovich Morozov'un rehberliğinde. Bu sabit plazma motorunun (SPT) jet itme kuvveti, gaz akışı veya yakıtın oksitleyici ile kimyasal reaksiyonunun ürünleri tarafından değil, elektromanyetik alan tarafından hızlandırılan plazma tarafından yaratılır. Bu tür motorlar, yapay Dünya uydularının bir yörüngeden diğerine aktarılması, yörüngede stabilizasyon ve diğer amaçlar için tasarlanmıştır. Sabit plazma motorları yurtdışında da büyük beğeni topladı. SPD, Paris Bilim ve Teknoloji Evi'nin astronotik bölümünde sunulan tek yerli gelişmedir.

Fırlatma ağırlığı 2.900 ton olan Amerikan Satürn-Apollo roket sistemi, uzaya yalnızca 129 ton fırlatıyor.

Sabit plazma motorlarına ve onların yaratıcısı AI Morozov'a adanmış Bilim ve Teknoloji Evi'nde (Paris) durun.

PLAZMA MOTORU. Sabit bir plazma iticisi (SPT) bu şekilde çalışır.

Bilim ve yaşam // İllüstrasyonlar

AMAÇ VE ARAÇLARIN YANLIŞLIĞI

Dünyanın yapay uydularını fırlatırken sürekli aynı durum ortaya çıkıyor. Uydu, yaklaşık 150 kilometre yükseklikte ilk referans yörüngesine fırlatılıyor. Daha sonra, 36 bin kilometre yüksekliğe kadar sabit bir çalışma yörüngesine aktarılması gerekiyor. Bunu yapmak için, bir süre çalıştıktan sonra istenen manevrayı üreten motoru açın. Yaptığı iş, karakteristik hız kavramıyla tahmin edilebilir. Özü aşağıdaki gibidir.

Tamamen aynı iki cihazın olduğunu varsayalım: biri, örneğin Dünya'ya yakın bir yörüngede, diğeri tamamen boş uzayda, yerçekimi alanları ve diğer etkiler olmadan. Tamamen aynı modda çalışan motorları aynı anda çalıştırırlar. Birinci aparat manevralar yapar, aya iner, geri döner ve genel olarak gereken her şeyi yapar. İkincisi ise düz bir çizgide hareket ediyor, manevra yapmıyor ama motoru her zaman birincisiyle aynı modda çalışıyor. Sonunda bu aparat, karakteristik adı verilen belli bir hız kazanır. Belirli koşullar altında motorun verimliliğini belirler. Her uçuş için farklı olduğundan, basit hesaplamalar yaparak her manevranın ne kadara mal olacağını anında ve büyük bir doğrulukla tahmin etmek mümkündür.

1897'de K. E. Tsiolkovsky karakteristik hızın değeri için basit bir formül türetti:

V = w içinde M 0 /M 1 ,

Nerede w- jet motorunun memesinden gazların çıkış hızı, M 0 - cihazın başlangıç ​​kütlesi, M 1 onun son kütlesidir.

Cihazı belirli bir hıza çıkarmak için formülden görülebilir. V, dışarı atılan kütledeki artışa bağlı olarak daha yüksek bir egzoz hızı w son derece elverişsizdir. İtici yakıt roketin tüm kütlesinin 0,9'unu oluşturuyorsa ve dolayısıyla nihai kütle, başlangıç ​​kütlesinin 0,1'i ise ( M 0 /M 1 = 10), karakteristik hız V = 2,3w. Bu kütle oranı 0,01'e düştüğünde hız yalnızca iki katına çıkar ve hatta M 0 /M 1 \u003d 0,001, toplam elde etmek mümkün olacak V = 6,9w: logaritmanın değeri çok yavaş artar. Bu nedenle, uçuş sırasında aracın kütlesinin feci bir şekilde azaltılması gerekiyor: Ağır fırlatma aracının uçuşun başlangıcında ve iniş aracının uçuşun sonunda nasıl göründüğünü hatırlayalım. Bu yol prensipte mümkündür ancak yüksek hızlar için pratik olarak imkansızdır.

İkinci seçenek kalıyor: reaktif gazların çıkış hızını arttırmak. Karakteristik hız buna doğrusal olarak, yani orantılı olarak bağlıdır. Gazların çıkış hızı arttıkça artacaktır.

Modern jet motorları, kural olarak, yakıt ve oksitleyici bileşenlerin kombinasyonunun kimyasal reaksiyonu nedeniyle çalışır. Bu reaksiyon sırasında ne kadar fazla enerji açığa çıkarsa, aynı kütledeki gazlı ürünlerin motor memesinden çıkış hızı da o kadar yüksek olur. Oksijenin hidrojenle reaksiyonu neredeyse sınırlayıcı enerji sağlar (sadece flor, özellikle atomik, hidrojen ile daha fazlasını verir; ancak hem oksitleyici maddenin kendisi hem de hidrojen florür kimyasal olarak inanılmaz derecede aktif ve agresiftir). Ancak 4-5 km/s'nin üzerinde hızlara sahip akışlar da oluşturamamaktadır. Çoğu durumda bu, modern uzay teknolojisi için yeterli değildir.

Bir uyduyu dairesel bir yörüngeye oturtmak için taşıyıcının yaklaşık 8 km/s hıza ulaşması gerekir; Dünya'dan uzaya doğru hareket etmek - 11 km/s'den fazla; karşılık gelen karakteristik hızlar yüzde otuz daha yüksek olacaktır. Ve eğer gaz çıkış hızı, belirli bir manevra için karakteristik hız sırasına göre yapılırsa, aparatın nihai kütlesi, başlangıç ​​​​kütlesi ile orantılı olacaktır. Bugün olduğu gibi onlarca, yüzlerce değil, iki veya üç kat da olsa daha az olabilir. Bu, kimyasal reaksiyonlara değil, başka süreçlere dayalı başka motorlar gerektirir. Yeni enerji kaynaklarına ihtiyaç duyacaklar, çünkü çalışan maddenin son kullanma hızı ne kadar yüksek olursa, itme birimi başına o kadar fazla enerji gerekir:

P/F = w/2η,

Nerede R- watt cinsinden motor gücü, F- Newton cinsinden çekiş kuvveti, w m/s cinsinden çıkış hızıdır, η verimlilik faktörüdür.

Uzayda yalnızca iki enerji kaynağı vardır: Güneş ve nükleer reaksiyonlar.

İntranükleer enerji, ağır elementlerin fisyon reaksiyonlarından veya hafif elementlerin sentezinden elde edilir. Füzyon reaksiyonu muazzam miktarda enerji üretme kapasitesine sahiptir, ancak yakın gelecekte bunu nasıl kontrol edeceklerini öğrenmeleri pek olası değildir. Fisyona dayalı reaktörler ve küçük cihazlar için izotop pilleri kalır. Ancak nükleer enerji kendisini büyük ölçüde tehlikeye attı ve birçok rakibi topladı.

İç yörüngelerde Güneş bir enerji kaynağı olarak hizmet edebilir. Örneğin, bir hidrojen ısı eşanjöründe güneş enerjisini toplayan yerleşik yoğunlaştırıcı aynaların kullanılmasına yönelik bir proje vardı. 2000 o'a kadar ısıtılan gaz, jet motorunun nozulundan yaklaşık 10 km / s hızla akacak ve bu, Dünya'ya yakın alanda manevra yapmak için zaten oldukça yeterli. Ancak böyle bir sistem hantal ve güvenilmez olduğundan, güneş panelleri gemideki ana elektrik kaynağı olmaya devam ediyor. 60'lı yıllarda yaklaşık bir cent ağırlığındaki bir panelden bir kilowatt güç alınıyorsa, bugün "kayıt" cihazları aynı gücü 20 kilogram kütleden veriyor. Genel olarak, yerleşik piller toplam 20 kW'ı aşmayan bir güç sağlar ve yalnızca Güneş'e nispeten yakın, Mars yörüngesi veya asteroit kuşağı içinde etkili kalır. Işığın yoğunluğu mesafe arttıkça güçlü bir şekilde azalır ( BEN~R-2) ve uzak gezegenlere uçuşlar için ister istemez reaktörleri kullanmanız gerekecek. Karakteristik hızlara uygun gaz çıkış hızlarına geçiş, astronotik gelişimi için kesinlikle kaçınılmaz bir yoldur.

KİMYA YERİNE ELEKTRİK ENERJİSİ

Devasa bir uzay aracını Dünya'dan kaldırmak ve onu ilk kozmik hıza hızlandırmak için milyonlarca, on milyonlarca kilowatt güce ihtiyaç vardır. Bu aşamada henüz kimyasal yakıtlı jet motorlarının gerçek bir alternatifi bulunmuyor. Ancak cihaz zaten yörüngeye yerleştirilmişse, düşük güçlü motorların yardımıyla onu kontrol etmek oldukça mümkün. Uydunun yönünü koruyabilir, yörüngede sabitleyebilir, bir yörüngeden diğerine aktarabilirler.

Bu tür motorların çeşitli tasarımları vardır. Şu anda, örneğin, elektrikli ısıtma motorları olarak adlandırılan iyi modeller yaratılmıştır. Gaz - amonyak veya hidrazin - onu moleküllere ayıran bir katalizörden geçirilir ve izotopik bir ısı kaynağı veya elektrikli soba ile ısıtılır. Moleküllerin kütlesi çok daha küçüktür ve ısıtıldıklarında daha yüksek bir hız kazanırlar. Ancak başka bir yol daha var: moleküllerin değil iyonların veya plazmanın yönlendirilmiş akışını elde etmek, bunları elektrik ve manyetik alanların yardımıyla dağıtmak.

Bu yol son derece umut verici. Temel hesaplamalar, 4,5 voltluk potansiyel farkını (Krona pilinin voltajı iki kat daha yüksek) geçen bir hidrojen iyonunun, kimyasal reaksiyonun sağlayabileceğinden çok daha fazla olan 30 km / s hıza ulaşacağını gösteriyor. 60'lı yılların başında, Dünya'nın ilk yapay uydusunun fırlatılmasının ardından, birçok ülkede elektrikli tahrik motorlarının oluşturulmasına yönelik çalışmaların aynı anda başlatılması, ancak SSCB ve ABD'nin lider olarak kalması şaşırtıcı değil. Ülkemizde çok güçlü araştırma ekipleri oluşturuldu ve bunların arasında özellikle Atom Enerjisi Enstitüsü'nden bir grup öne çıkıyor. Bu alanda hala lider konumda olmamızı sağlayan ilginç bilimsel çözümler bulmayı başardı ve onun yarattığı sabit plazma iticileri (SPT) dünyanın en iyisi olarak kabul ediliyor.

SPD NASIL ÇALIŞIR?

İyonların alanlardaki hızlandırılması, astronotiklerin öngörülebilir geleceğinin tüm sorunlarını çözecek hızların elde edilmesini mümkün kılmaktadır. Geriye bu temel olasılığı metalde uygulamak kaldı. Bunu yapmanın iki yolu var.

İki elektrot alıp bunlara sabit voltaj uygulayabilirsiniz. Birinin +4,5 volt voltajına sahip olmasına izin verin ve ikincinin (katot) potansiyeli sıfır olarak kabul edilecektir. Pozitif elektrot (anot) gaz iyonlaştırıcıya bağlanır. Anottaki delikten ayrılan iyonlar elektrik alanında hızlanmaya başlayacak ve sıfır potansiyelle elektroda doğru koşacaktır. İçine bir delik açılırsa iyonlar 30 km/s hızla buradan uzaya uçacaktır. İyonlaştırıcıda kalan elektronlar da elektrik devresinden ve güç kaynağından katoda gider. Bu sisteme iyon iticisi denir: ivme bölgesinde yalnızca iyonlar bulunur.

Aslında 4,5 voltluk hidrojen iyon motoru yoktur. Bunun tek bir nedeni vardır: Hızlanan boşlukta yüksek yoğunlukta parçacık elde etmek imkansızdır. İyonlar, sıfır elektrotun potansiyelini hızla koruyan ve akışı "kilitleyen" oldukça büyük bir alan yükü oluşturur. Yeterince büyük bir akım sağlamak için elektrotları olabildiğince uzağa hareket ettirerek yüksek bir alan kuvveti oluşturmanız gerekir. Ancak aralarındaki maksimum mesafe bir milimetrenin kesirleriyle sınırlıdır: çok dar bir boşlukta bir arıza meydana gelecektir. Hızı artırmak da imkansızdır: bu, birim itme başına enerji maliyetlerinde artışa yol açar. Bu nedenle, böyle bir motorda ağır parçacıklar kullanılır - ksenon, cıva veya sezyum iyonları, bin volt civarında bir voltajda çalışır ve oldukça iyi bir akım ve nispeten büyük bir itme kuvveti alır.

İkinci yol ise hızlanma bölgesinde hem elektronların hem de iyonların bulunduğu plazma motorlarıdır. Gelin nasıl çalıştıklarına daha yakından bakalım.

İyon iticilerin en önemli dezavantajı, hızlanan boşlukta bir uzay yükünün ortaya çıkmasıdır. Öyle görünüyor ki, içine elektronlar yerleştirerek ve yarı nötr bir plazma elde ederek bu durumdan kaçınılabilir. Bununla birlikte, daha hafif elektronlar bir elektrik alanında hemen hızlanmaya ve saniyede binlerce, onbinlerce kilometre hıza ulaşmaya başlayacaklardır. Bu ihtiyacımızın yüzlerce katı.

Elektronların hareketliliğinin üstesinden gelmek için bir şeye "bağlanmaları" gerekir. Bu, elektrik alanına dik olan boşlukta bir manyetik alan oluşturularak kolaylıkla yapılabilir. Manyetik bir alanda, yüklü parçacıklar Larmor yörüngesi adı verilen dairesel bir yörüngede dönerler. Elektronlar için bizim koşullarımızdaki çapı milimetrenin onda biri kadardır ve iyonlar için yaklaşık bir metredir. İyonlar pratikte manyetik alanı hissetmezler, yalnızca elektrik alanın etkisi altında hareket ederler ve motoru yüksek hızda bırakırlar. Böylece sistem, girişim yapan uzay yükünün bulunmadığı bir iyon hızlandırıcıya dönüşür.

İlk bakışta plazma motoru çok basit bir cihazdır. Bu, boşluğuna dielektrik malzemeden yapılmış bir odanın (aynı zamanda kanal olarak da adlandırılır) yerleştirildiği halka şeklinde bir elektromıknatıstır. Anot, odanın derinliğinde bulunur. Dışarıda, odanın kesiminin yakınında bir katot nötrleştirici var. Çalışan madde (ksenon) kanala girer ve anodun yakınında iyonize olur. İyonlar elektrik alanında hızlanır ve motordan dışarı fırlayarak jet itişi yaratır. Ve elektronlar, iyon motorunda olduğu gibi anoda ulaşır, devreden katot nötrleştiriciye geçer ve iyon akışına girerek hem onu ​​hem de motoru nötrleştirir. Bunu yapmak kesinlikle gereklidir - aksi takdirde motordan pozitif iyonlar çıkaran uydu büyük bir negatif potansiyel elde eder.

YERDE VE UZAYDA SPD

Ülkemiz elektrikli roket sistemleri tasarımında liderliğini sürdürüyor. Sabit plazma motorları, düzeltme motorları olarak neredeyse altmış Rus uydusuna kuruludur. Uydunun yörüngedeki konumunu ayarlarlar ve prensip olarak onu 150-200 kilometre yükseklikte bir referans yörüngeden 36.000 kilometre yükseklikte sabit bir yörüngeye aktarabilirler. Bu operasyon üç ila dört aylık sürekli çalışma gerektirecek ve bu süre zarfında yalnızca on kilogram madde atılacak. Uzmanlar, önümüzdeki iki veya üç yıl içinde hem yapay Dünya uydularının yörüngelerini düzeltmek hem de diğer gezegenlere uçuşlar için elektrikli roket motorlarının kullanımında gerçek bir patlamanın başlayacağına inanıyor. Tüm bu çalışmalar için SPD'ler vazgeçilmezdir; ayrıca Rusya Bilimler Akademisi programı kapsamında üçüncü binyılın başında Mars'ın uydusu Phobos'a fırlatılacak olan otomatik istasyona da kurulacaklar. Ancak uzay aracının yönlendirilmesi için çok güçlüler, bunun için çok minyatür yapılara ihtiyaç var.

Ve tamamen karasal problemleri çözmek için plazma motorlarının faaliyet alanı çok büyük. Zaten uygun tasarımdaki SPT'ler metal, cam, yarı iletkenlerden çeşitli yüzeylerin işlenmesi için kullanılıyor. Ancak görünüşe göre, bunların kapsamı veya daha doğrusu, bunların içinde ortaya konan ilkeler, özellikle bu tür sistemlerin gücü binlerce kez artırılabildiğinden, kıyaslanamayacak kadar daha geniş olacaktır. Ve bu öncelikle temel olarak yeni yapısal elemanlarından kaynaklanmaktadır - çoğu durumda katı hal elektrotlarının yerini alabilen şeffaf manyeto-elektronik elektrotlar.

Meraklısı için detaylar

PLAZMA MOTORLARIN TARİHÇESİ

Plazma iyon motorlarının yaratılmasının ilk önkoşulları yüz yıldan fazla bir süre önce ortaya çıktı.

Geçen yüzyılın sonunda, elektrik deşarjı kullanan gazların incelenmesi konusunda yoğun çalışmalar başladı. Düşük basınç altında incelenen gaz, bir anot ve bir katot olmak üzere lehim elektrotlu bir cam tüpe yerleştirildi. Tüpteki basıncın daha da azalmasıyla katottan çıkan ışınlar görünür hale geldi. Ayrıntılı bir çalışma, bu "katot ışınlarının" bir elektron akışı olduğunu gösterdi.

1886'da başka bir ilginç olay keşfedildi. Düz bir katotta delikler (“kanallar”) yapılırsa, kanal ışınları adı verilen diğer ışınlar bunların içinden ters yönde uzanacaktır. Bunlar iyonize gaz atomlarının akışlarıydı. Ancak o zamanlar elbette hiç kimse bunların jet itiş gücü elde etmek için kullanılabileceğini düşünmüyordu.

İlk verimli iyon itici, 60'lı yıllarda Amerikalı G. Kaufman tarafından yaratıldı ve Sert-II uzay deneyinde kullanıldı. Bu tip motorlar, elektrikli kıvılcım aralığına sahip bir iyonizasyon odasına ve delikli bir plaka şeklinde hızlandırıcı bir elektrota sahiptir. Çalışma gazı (örneğin ksenon), atomlarının elektronlara ve pozitif yüklü iyonlara bozunduğu odaya girer. İyon akışı odayı terk eder ve delikli elektrota uygulanan voltajın etkisi altında hızlanır. Elektronlar motorun güç kaynağı devresinden geçerek iyon ışınının önünde duran nötrleştiriciye girer. Motordan uzaklaşan iyonlar onları da beraberinde taşır.

Aynı sıralarda ülkemizde A. M. Andrianov tarafından tasarlanan bir plazma erozyon motoru oluşturuldu. Uzaya fırlatılan bu türden ilk cihaz oldu: 1964'te Zond-2 aparatına güneş pilleriyle çalışan bir yönlendirme iticisi olarak kuruldu.

Motor, bir yalıtkanla ayrılmış iki silindirik koaksiyel elektrot şeklinde yapılmıştır. Bir kapasitör bankasına bağlı bir ateşleme iğnesi, merkezi elektroda bağlanır. Kapasitör boşaldığında iğne ile elektrot arasında buharlaşmaya (erozyona) ve iyonlaşmaya neden olan bir boşalma meydana gelir. Bu "tohum" plazma, ana kapasitör grubunun yüksek voltajıyla beslenen elektrotlar arasındaki boşluğa girer. Plazmanın ortaya çıkışı, yalıtkanın malzemesini buharlaştıran ve moleküllerini iyonize eden bir yüzey deşarjını başlatır. Akımın ısınması ve kendi manyetik alanıyla etkileşimi plazmayı hızlandırır.

1960'lı yılların ortalarına gelindiğinde ülkemizde çeşitli tipte plazma motorlarının geliştirilmesinde cesaret verici sonuçlar elde edildi. Ancak en büyük başarı Atom Enerjisi Enstitüsü'nden bir gruba geldi. A. I. Morozov ve G. Ya. Shchepkin liderliğindeki I. V. Kurchatov. Mayıs 1969'a gelindiğinde bu ekip, tahrik sisteminin çalışma düzenini oluşturdu. Fakel Tasarım Bürosu'nda yapılan tasarım revizyonunun ardından motor, 1970 yılının son günlerinde Meteor uydusuna monte edilerek yörüngeye fırlatıldı. O zamandan bu yana neredeyse otuz yıl geçti, ancak bu sabit plazma iticisinin (SPT) hala rakibi yok - diğer planların daha az verimli olduğu ortaya çıktı ve uzay aracının normal bir parçası haline gelmedi.

1980'lerin ortalarında, SPD üzerindeki çalışmalar Atom Enerjisi Enstitüsü'nden Moskova Radyo Mühendisliği, Elektronik ve Otomasyon Enstitüsü'ne (MIREA) devredildi ve Profesör Antonina Ivanovna Bugrova'nın laboratuvarında devam etti. 1992 yılında Fransız-Avrupa uzay şirketi SEP'in başkan yardımcısı Bay Boulanger laboratuvarı ziyaret etti. Geliştirilmiş özelliklere sahip patentsiz bir SPT modelinin oluşturulması için bir sözleşme yapmayı teklif etti.

Gerçek şu ki, motorların iki önemli dezavantajı var: plazma ışınında büyük bir sapma (45 ° 'ye kadar) ve yeteneklerinden daha az olan yaklaşık% 50'lik bir verimlilik. Ve bir tuhaflıkları vardı: Teorik açıdan optimal olmaktan uzak, alanların geometrisi ile en güçlü itme kuvveti elde edildi. Bu davranışın nedenleri anlaşılınca MIREA laboratuvar personeli kanalın, anotun ve manyetik alanın konfigürasyonunu değiştirdi. Bu hemen şaşırtıcı sonuçlar verdi: verimlilik neredeyse %70'e yükseldi ve ışın sapması 10°'nin altına düştü. Böylece ikinci nesil SPD'ler oluşturuldu.

29 Aralık 1971'de koşullu olarak senkronize bir yörüngeye fırlatılan (belirli zaman aralıklarında dünya yüzeyindeki aynı noktalardan geçmeyi mümkün kılan) "Meteor-10" en yaygın hava uydusuydu. Ancak yalnızca ilk bakışta: Her zamanki durum kontrol sistemine ek olarak, gemide iki deneysel motor daha vardı.

Bunlardan biri, batı rüzgarının Yunan tanrısı "Zephyr" adını taşıyan, yalnızca yaklaşık bir saat çalıştı ve daha fazla gelişme göstermedi. Ancak adını rüzgarların efendisinden alan ikincisi - "Eol-1", IAE'nin (Atom Enerjisi Enstitüsü) bir grup çalışanı tarafından Alexei Ivanovich Morozov liderliğinde geliştirildi ve Kaliningrad Tasarım Bürosu "Fakel" tarafından üretildi. , tüm uzay yönünün temelini attı - plazma motorları.

Plazma motorlarının tarihi, 1950 yılında Moskova Devlet Üniversitesi Fizik Fakültesi mezunu Alexei Morozov'un parti komitesi tarafından güneydoğudaki Lyudinovo fabrika köyünün teknik okulunda mekanik ve elektrik mühendisliği öğretmek üzere görevlendirilmesiyle başladı. Kaluga bölgesi. Nedeni basit: Morozov'un babası baskı altındaydı ve kimse ne onun uzmanlığını (kuantum alan teorisi) ne de danışmanı Fizik Fakültesi Dekanı Arseniy Aleksandroviç Sokolov'un onu bölümde bırakma yönündeki tekrarlanan taleplerini dikkate almadı.

O yıllarda fizik öğretmenlerinden sıklıkla atom enerjisi üzerine ders vermeleri isteniyordu ve Morozov da bir istisna değildi. 1953'te bir gün Çerny Potok köyünde benzer bir dersten Lyudinovo'ya dönüyordu. “Bundan kısa bir süre önce Goodman'ın nükleer enerjinin temelleri hakkındaki kitabını okudum. Nükleer bir roketin şeması vardı; gaz çekirdekten geçti ve ısındı. Bu tasarımın ne kadar verimsiz olduğu beni şaşırttı - bir yanda atom enerjisi, diğer yanda ise sadece bir ısı motoru! - Alexei İvanoviç hatırlıyor. - Ve uyuyanlar boyunca Lyudinovo'ya 12 km yürürken, okuldaki öğrencilere gösterdiğim Ampere kuvveti ve Thomson bobini ile ilgili deneyleri hatırladım ve aklıma bir fikir geldi - neden çalışan vücudu hızlandırmıyorsunuz? manyetik alanla mı?

Teorik hesaplamalar bunun oldukça mümkün olduğunu gösterdi ve Morozov bir deney yapmaya karar verdi. Asbestli çimentodan bir "tuğla" yaptıktan sonra içine çapraz iki delik açtı. Bunlardan birinde, farklı taraflardan pillerden iki karbon çubuk yerleştirdi ve güçlü bir elektromıknatısın iki kutbunu çubuğun üstüne ve altına yerleştirdi. Normal durumda arkın yanması sırasında oluşan plazma ikinci deliğin her iki yanından hafif bir tıslamayla uçtu, ancak elektromıknatıs açılır açılmaz akış korkunç bir kükremeyle tek yönde atmaya başladı. .

SPT, boşluğuna seramik hazne yerleştirilmiş halka şeklinde bir elektromıknatıstır. Odanın sonunda bir anot bulunur. Dışarıda, motor kanalının kesilmesinin yakınında iki katot nötrleştirici vardır. Çalışan ksenon odaya beslenir ve anodun yakınında iyonize edilir. İyonlar el'de hızlandırılır. alan ve motordan uçarak jet itme kuvveti yaratır. Uzay yükleri katot nötrleştiriciden sağlanan elektronlar tarafından nötrleştirilir.

1955'te Morozov, "Plazma Elektrikli Jet Motorları Yaratma İmkanı Üzerine" bir makale yazdı, ancak amiri bunu okuduktan sonra iyi bir tavsiye verdi: "Böyle bir makale derhal sınıflandırılacak. İsmi daha tarafsız bir isimle değiştirmek daha iyi olur." Sonuç olarak ZhETF'de (Journal of Experimental and Theoretical Physics) "Manyetik Alan Yoluyla Plazma İvmesi Üzerine" başlığı altında bir makale yayımlandı. IAE Plazma Araştırma Departmanı Başkanı Lev Artsimovich tarafından incelendi. Morozov'un makalesinde sunulan teori daha sonra Artsimovich'in raylı tüfek hakkındaki makalesine yansıdı (sadece Morozov'un sabit bir manyetik alanı varken Artsimovich'in elektrodinamik bir alanı vardı).

Yayın uzmanlar arasında büyük yankı uyandırdı, hatta Amerikan Fizik Derneği'nin bir toplantısında iki kez tartışıldı.

1955'te Morozov tezini savundu ve 1957'de IAE'de çalışmaya davet edildi. 1950'lerin sonunda SSCB'nin uzaydaki başarısı, tasarımcılara birçok büyük ölçekli uzay projesi tasarlama konusunda ilham verdi. Hatta Mars'a bir uçuş bile planlandı ve bu nedenle 2 Temmuz 1959'da Lev Artsimovich çalışanları bir toplantıya çağırdı. Tartışma konusu bir Mars gemisi için motor üretme olasılığıydı. Artsimovich böyle bir sistem için şu özellikleri önerdi: yaklaşık 10 kgf'lik bir itme kuvveti, 100 km/s'lik bir egzoz hızı ve 10 MW'lık bir motor gücü.

IAE personeli birkaç proje önerdi: bir plazma darbe motoru (A.M. Andrianov), Laval nozülün manyetik plazma analoğu (A.I. Morozov) ve tek yarıklı iyon kaynağına dayanan, elektromanyetik izotop ayırma için kullanılanla hemen hemen aynı olan bir motor. (Pavel Matveevich Morozov, Aleksey İvanoviç'in adaşı).

Bu arada, tüm bu projeler daha sonra şu ya da bu şekilde hayata geçirildi. Plazma erozyonu (seçenek darbeli) Andrianov'un çok daha düşük güce sahip motoru uydulardan birine kuruldu ve 1964'te uzaya fırlatıldı ve iyon motoru P.M. "Zefir" (aynı zamanda düşük güç) adı altında Morozov, "Meteor-10" uydusunun üzerinde duruyordu. Laval nozülün merkezi gövdeli (geliştiricilerin kendileri buna "koaksiyel" adını verdiler) manyetik bir analogu ile deneyler 1960'tan beri yürütülüyor, ancak planın karmaşık olduğu ortaya çıktı ve yalnızca 1980'de ortak çabalarla inşa edildi. IAE, Kharkov Fizik ve Teknoloji Enstitüsü, TRINITI ve Belarus Fizik Enstitüsü. Bu canavarın gücü 10 GW'tı!

Ancak bu projeler basit bir nedenden dolayı Mars programına uygun değildi: Tasarımcıların o zamanlar uygun güçte güç kaynakları yoktu. Bu sorun bugün hala geçerlidir: güvenilebilecek maksimum değer onlarca kilovattır. Küçük ölçeğe geçmek gerekiyordu.

Georgy Grodzovsky (TsAGI), ülkemizde düşük güçlü elektrikli roket motorlarını tasarlayan ilk kişilerden biriydi. 1959'dan beri iyon motorları uzayda test ediliyor (her ne kadar uydularda olmasa da balistik füzelerde). 1957'de M.S. Ioffe ve E.E. Yushmanov, plazma için manyetik (ayna adı verilen) bir tuzak üzerinde araştırmaya başladı. Bunu sıcak plazmayla (10 milyon derece) doldurmak için, çapraz elektrik ve manyetik alanlardaki iyonların ivmesini kullandılar. Bu çalışma bir dizi plazma motorunun oluşturulmasının temelini oluşturdu.

1962'de Alexey Morozov, SPT (sabit plazma iticisi) adı verilen düşük güçlü bir plazma iticisinin kendi tasarımını önerdi. SPT'nin temel olarak önemli bir özelliği, manyetik alanın büyüklüğünün motor kanalının çıkışına doğru artmasıydı; bu, plazmada büyük bir elektrik alanının oluşmasını sağladı. Motorun tüm fikri tam olarak böyle bir alanın varlığı üzerine inşa edildi.

En basit elektrikli roket motorları, gazı çıkıştan önce bir elektrik arkı (arcjet) veya akkor akım teli - resistojet ile ısıtır. Ayrıca zamanımızda da bulunurlar - tasarımları basit, ucuz ve güvenilirdir. Doğru, verimlilik, egzoz hızı ve itme kuvveti küçüktür. Amerikalı G. Kaufman, iyon motorlarının öncüsü olarak kabul edilir. Tasarımı ark deşarj iyonizasyonunu kullanır ve iyonlar daha sonra iyon-optik bir sistemdeki elektrostatik alan tarafından hızlandırılır.

“Townsend ilk kez 1910'da plazmada toplu elektrik alanlarının var olma ihtimaline dikkat çekti, ancak 50 yıl boyunca böyle bir alan yaratma çabaları başarısızlıkla sonuçlandı. O zamanlar plazmanın iletken olması nedeniyle içinde bir alan yaratılamayacağına inanılıyordu. Aslında, manyetik alan olmadan bir plazmada toplu bir elektrik alanı oluşturmak gerçekten imkansızdır; serbest elektronlar nedeniyle korunur. Ancak elektronların hareketini etkileyen bir manyetik alanın varlığında, plazmada toplu elektrik alanları mevcut olabilir.

Grup A.I. Morozova, 1962'de SPD'de çalışmaya başladı. Neredeyse beş yıl boyunca motor laboratuvar versiyonunda mevcuttu - 1967'de model hala su soğutmayla donatılmıştı. Uçuş ve uzay testlerine başlama zamanı gelmişti ancak bu aşamada geliştiriciler beklenmedik bir sorunla karşılaştı. Uzay aracı tasarımcıları kategorik olarak gemiye elektrikli herhangi bir şey koymayı reddettiler! IAE'nin yöneticisi akademisyen Alexandrov, çeşitli uzay araçlarının tasarımcılarıyla birkaç kez görüştü ve sonunda Meteor serisi uyduların baş tasarımcısı Iosifyan ile anlaşmayı başardı.

Ancak sorunlar bununla bitmedi. 1969'da Iosifyan, geliştirme ekibine, motorun kendisini değil, güç kaynağı sistemi, ksenon beslemesi vb. dahil tüm kurulumu yapmaları gerektiğine dair teknik bir görev verdi. Aynı zamanda çok katı sınırlara uymak gerekiyordu: itme gücü 2 g, verimlilik %30-40, güç tüketimi 400 W, ağırlık 15 kg, kaynak 100 saat. Ve tüm bunların 5 ayda yapılması gerekiyordu! Morozov'un grubu tam anlamıyla gece gündüz çalıştı ama bunu başardı. Tahrik sisteminin üretimi, o dönemde yönetmeni yetenekli tasarımcı Roald Snarsky olan Kaliningrad OKB Fakel'e emanet edildi. Meteor'un fırlatılmasından birkaç gün sonra motorlarla deneyler başladı. "Eol-1" uyduya, itme ekseni cihazın kütle merkezinden geçmeyecek şekilde yerleştirildi. Motor çalıştırıldığında, yönlendirme sistemi tarafından telafi edilebilecek bir miktar tork ortaya çıktı ve aynı zamanda Eola'nın itme ölçeri olarak da görev yaptı.

Deney, yalnızca motorun yaratıcıları tarafından değil, aynı zamanda yeterince şüpheci olan kişiler tarafından da yakından takip edildi. "Eol-1" in yalnızca birkaç dakika çalışması ve ardından otomatik olarak kapanması gerekiyordu (tasarımcılar plazma jetinin radyo sinyalini engelleyeceğinden korkuyorlardı). Motor çalıştı ve kapandı. Yörüngenin radyo izlemesini gerçekleştirdikten sonra sonuçların laboratuvar verilerine tam olarak karşılık geldiği ortaya çıktı. Doğru, şüpheciler sakinleşmedi ve yörüngedeki değişikliğin açık bir vanadan olağan gaz çıkışından kaynaklandığı hipotezini ileri sürmediler. Ancak bu varsayım doğrulanmadı: Dünya'dan gelen komutla ikinci çalıştırmanın ardından motor 170 saat daha çalıştı ve Meteor-10 yörüngesini 15 km yükseltti. Tasarım Bürosu "Fakel" göreviyle mükemmel bir iş çıkardı: kaynak neredeyse iki katına çıktı.

Bu yıl, Amerikan Elektrikli Roket Tahrik Topluluğu (ERPS), bu alandaki araştırmaların yüzüncü yılını (1906-2006) kutlamaya karar verdi ve özel bir ödül belirledi: "Elektrikli roket tahriki alanında olağanüstü başarılar için" madalyası. Aleksey İvanoviç Morozov ödül alan ilk altı kişi arasında yer aldı. Geriye kalan beş kişi ise E. Stulinger, G. Kaufman ve R. Jan (ABD), G. Loeb (Almanya) ve K. Kuriki (Japonya).

1980'lerin başında Fakel, Eol'lerin torunları olan SPD-70 motorlarının seri üretimine başladı. Bu motora sahip ilk uydu olan Gayzer No. 1, 1982 yılında fırlatıldı ve 1994 yılında Hals-1 iletişim uydusu, yeni SPD-100 modeliyle donatıldı. Bununla birlikte, Eol plazma motorunun 1974'teki başarılı testlerine ilişkin rapor Space Research dergisinde oldukça açık bir şekilde yayınlanmış olmasına rağmen, yabancı tasarımcılar SPT'yi yalnızca ilginç bir teorik gelişme olarak değerlendirdiler. Bu nedenle, 1991 yılında, çalışan Torch motorlarının NASA ve JPL temsilcilerine gösterilmesi ve seri uyduların benzerleriyle donatıldığı mesajı, onları gerçek bir şoka uğrattı (Amerikalılar temelde iyon motorları geliştirme yolunu tuttu).

Fakel'in artık elektrikli tahrikli plazma motorlarında dünyanın lider üreticisi olarak görülmesi şaşırtıcı değildir. OKB Fakel Direktörü ve Genel Tasarımcısı Vyacheslav Mihayloviç Murashko, "Her üç Rus uydusunda bizim motorumuz var ve Batılı en büyük beş uzay aracı üreticisinden üçü bizden SPD satın alıyor" dedi. "Örneğin MBSat-1, Intelsat-X-02, Inmarsat-4F1 uydularıyla donatılmışlar." Avrupa Uzay Ajansı, SMART-1 uydusunu Ay'a gönderirken motor olarak Fransız Snecma Moteurs, OKB Fakel ve MIREA şirketinin ortak geliştirdiği PPS-1350 plazma motorlarını seçti.

Yakın gelecekte bizi neler bekliyor? 1980'lerde MIREA'daki bir grup yeni nesil motor olan SPD Aton'u geliştirdi. SPT-100'deki plazma ışınının sapması +/- 45 derecedir, verimlilik %50'dir ve SPT Aton'un karşılık gelen özellikleri +/-15 derece ve %65'tir! Diğer motorumuz, değiştirilmiş alan geometrisine sahip iki aşamalı SPD Max gibi henüz talep görmüyor; tasarımcılar hâlâ daha basit SPT-100 ile idare ediyor. Derin uzay, 10-100 kW ve hatta MW ölçeğinde motorlara ihtiyaç duyar. Zaten benzer gelişmeler var - 1976'da IAE 30 kW kapasiteli bir motor yaptı ve 1980'lerin sonunda Fakel, Hercules uzay römorkörü için 25 kW kapasiteli bir SPT-290 geliştirdi. Her durumda, bu tür motorların teorisi oluşturulmuştur, bu nedenle klasik SPT şeması çerçevesinde gücü 300 kW'a çıkarmak oldukça mümkündür. Ancak daha sonra başka tasarımlara geçmek zorunda kalabilirsiniz. Örneğin, 1970'lerin sonlarında IAE'de geliştirilen iki mercekli hidrojen hızlandırıcıya. Bu makine 5 MW güce ve 1000 km/s egzoz hızına sahipti. Her durumda, gezegenlerarası gemiler plazma motorlarına sahip olacak.

İncelemeye dayalı: Popüler Mekanikler

Orijinal alınan