Плазмени двигатели: митове и реалност

Със сигурност всеки ще се съгласи, че пространството привлича. И той вече се разследва! Това е много бавно. Защото е изключително трудно да се създаде космически кораб, който бързо да преодолее впечатляващите разстояния от стотици хиляди километри.

Целият смисъл е в горивото! Тя не е безкрайна. Имаме нужда от модерни единици с различен принцип на действие и по-мощни. Да, има ядрени ракетни двигатели (ЯРД). Но максималната им граница е 100 km / s. Освен това работният им флуид се нагрява ядрен реактор.

Но плазмените двигатели - перспектива, която заслужава внимание.

Кратка екскурзия във физиката

За начало си струва да се отбележи, че всеки ракетен двигател се характеризира с изхвърляне от дюзата на слабо йонизирана плазма. Независимо от вида му. Но "класическите", истинските плазмени двигатели са тези, които ускоряват плазмата поради електромагнитни сили, засягащи заредени частици.

Процесът е сложен. Всяко електрическо поле, което ускорява зарядите в плазмата, дава на електроните и йоните равни общи импулси. Влизането в тези подробности е по избор. Достатъчно е да се знае, че импулсът е стойност на измерване. механично движение тяло.

Тъй като плазмата е електрически неутрална, сумата от всички положителни заряди е по модул сумата на отрицателните заряди. Има определен период от време - той е безкрайно малък. В тези няколко момента всички положителни йони получават силен тласък. Същото важи и в обратна посока - към негативната. Какъв е резултатът? Общият импулс в крайна сметка е нула. Така че няма сцепление.

Такова заключение: за електрическото "ускорение" на плазмата е необходимо отделяне на противоположни заряди. Положителните ще се ускорят, когато негативите се извадят извън обхвата. Затруднете го, защото Кулон привлекателна сила възстановяване на електрическото равновесие, възникващо между плазмените противоположно заредени съсиреци.

И как успяхте да въплътите този принцип на действие в плазмен ракетен двигател? Поради магнитното и електростатичното поле. Само тук, във втория случай, единицата традиционно се нарича йонна, а в първата се нарича плазма.

Концепция от 60-те години

Преди около петдесет години съветският физик Алексей Иванович Морозов предложи концепцията за плазмен ракетен двигател. Той е успешно тестван през 70-те години.

Използваше радиално магнитно поле, за да раздели известните заряди. Оказва се, че електроните, които се поддават на влиянието на силата на Лоренц, предполагат спирални спирали върху линиите на магнитното поле, които „ги издърпват“ от плазмата.

Какво се случва, когато това се случи? Инерционните маси на йони преминават през магнитно поле, придобивайки ускорение в надлъжната посока на електрическото поле.

Да, тази схема има предимства пред тази, която се прилага плазмени йонни двигатели, има обаче минус. Тя не позволява по-голяма тяга, която се отразява в скоростта.

Наистина ли е пътят към звездите?

Много надежди бяха поставени върху двигатели с плазмена ракета. Въпреки това, колкото и иновативни да изглеждат, те не могат да осигурят полет до далечни небесни тела в рамките на един човешки живот.

За да се даде на апарата достатъчен импулс на сцепление за това (а това е поне 10,000,000 m / s), в момента е необходимо да се създаде магнитно поле от 10 000 Tesla нереално. Това е възможно само с помощта на експлозивни магнитни генератори A.D. Сахаров и други модерни устройства, работещи на същия принцип.

Но отново, такива мощни полета съществуват за катастрофално малък интервал от време, измерен в микросекунди. За да се постигне по-добър резултат, трябва да се изхвърли енергията на ядрен взрив със сила 10 kt. За справка, последствията от такова „явление“ се изразяват в облак с диаметър 4 километра с височина 2 km. "Гъби" и достига до 7 км.

Така, с корабна маса от 100 тона, ще се изисква един милион такива импулси. И това е само за да увеличи скоростта си със 100 километра в секунда! Освен това, само при условие че обвиненията няма да трябва да се качат на борда. По вероятност те биха могли да бъдат поставени в космоса на мястото на ускорението.

Но цял милион атомни бомби? Unreal. Това са хиляди тонове плутоний! И за цялото време на съществуване на ядрени оръжия бяха произведени малко повече от 300 тона. Така плазмен ракетен двигател с принцип на действие, базиран на разделяне на магнитното зареждане, няма да осигури път към далечни звезди.

Двигателят на Хол

Това е вариант на плазмената единица, за която няма ограничения, наложени от пространствения заряд. Тяхното отсъствие осигурява по-голяма плътност на сцеплението. А това означава, че плазменият двигател на Хол може да увеличи скоростта на космическия кораб с няколко пъти, ако сравним, например, с една йонна единица със същия размер.

В основата на апарата е ефектът, открит от американския физик Едуин Хол през 1879 година. Той показа как се генерира електрически ток в проводник с взаимно перпендикулярно магнитно и електрическо поле. И в посоката, в която и двете са перпендикулярни.

Казано по-просто, в зала Хол плазмата се формира от заряд между анода (+) и катода (-). Действието е просто - разряда отделя електроните от неутралните атоми.

Трябва да се отбележи, че около 200 спътника с плазмени двигатели Хол са концентрирани в околоземни орбити. За космически кораби, неговата мощност е напълно достатъчна. Между другото, точно такава единица е използвана от Европейската космическа агенция, за да се разпръсне икономически SMART-1 - неговата първа автоматична станция за проучване на Луната.

APPT

Сега можете да говорите за аблативните импулсни плазмени двигатели (AIPD). Те са подходящи за използване в малки космически кораби, които имат добра функционалност. За неговото разширяване просто е необходимо да има високоефективна малка единица, способна да коригира и поддържа орбита. AIPD е обещаващо устройство с редица предимства, които включват:

• Постоянна готовност за работа.
• Впечатляващ ресурс.
• Минимална инерция.
• Способността за точно разпределяне на пулса.
• Няма ефект на импулс.
• Зависимостта на тягата от консумацията на енергия.

Импулсни плазмени двигатели от този тип са проучени подробно. Разбира се, изследователите са изправени пред проблеми. По-специално - с поддържането на дългосрочна експлоатация на блока, пречка за която е цементирането на повърхността.

Дори и в рамките на едно от проучванията, посветени на изследването на AIPD-IT, беше установено, че тази единица има главен разряд на изхода на канала. И това е характерна особеност за двигатели с много по-впечатляваща енергия.

Пример за инсталиране на AIPD е спътник Earth Observer 1. Но той не може да претендира за двигателя на ICA корекцията, защото консумира твърде много енергия (60 W). Освен това той има нисък общ импулс.

Стационарен двигател

За това изобретение също трябва да кажем няколко думи. Стационарният плазмен двигател има специална функция под формата на ниска мощност и компактност.

Той може да се използва в космическата технология като изпълнителен орган на електро-електроинсталацията. Или в рамките на научните изследвания. С помощта на това изобретение е напълно реалистично да се моделират насочени плазмени потоци.

Всъщност такъв плазмен двигател е магнетрон, широко използван в промишлеността. Това, от своя страна, е технологично устройство, с помощта на което върху субстрата се отлагат тънки слоеве от материал чрез катодно разпрашване на мишена в плазма. Но не бъркайте това устройство с вакуумните магнетрони. Те изпълняват напълно различна функция - генериране на микровълнови колебания.

От 1995 г. стационарните плазмени двигатели участват в корекционни системи на серия от свързана геостационарна KA. След това, започвайки от 2003 г., тези устройства започват да се използват в чуждестранни геостационарни спътници. До началото на 2012 г. вече са монтирани 352 двигателя на превозни средства, които са отишли ​​в космоса.

MPD-далавераджия

Това е друга концепция за плазмения агрегат. Много надежди за космически технологии са свързани с нея.

Каква е идеята? Създава се плазмен заряд между катода и анода, което допринася за индукцията на пръстеновидно магнитно поле. Силата на Лоренц влиза в действие, с помощта на която полето действа върху движещите се заряди на тока, в резултат на което определена част от тях се отклонява в надлъжна посока. В резултат на това възниква плазмен съсирек, който изтича "надясно". Той е този, който формира натиска.

Този двигател извършва работата в пулсиращ режим, тъй като са необходими кратки паузи между разрежданията - така се натрупва заряда на електродите.

Какво обещава MPD-Thruster? Работи без отделяне на противоположни такси. Тъй като те се движат в тока на зареждане, е вярно обратното. Това означава, че силите на Лоренц имат една и съща посока.

На теория, тази концепция е много забележителна производителност. Той може да развие впечатляващо сцепление. Но има и нюанси. "Ускоряването" на електрическите заряди не е обект на магнитното поле. Всичко се дължи на факта, че силата на Лоренц има ефект, перпендикулярна на тяхната скорост. Това означава, че не променя кинетичните параметри. MPD-Thruster само леко променя посоката, в която следват зарядите, за да може плазмата да излезе надлъжно.

В идеалния случай, токът между катода и анода трябва да бъде няколко пъти по-плътен. Това е необходимо, за да се създаде сцепление. И това изисква много електрическа енергия. Което обаче не е по-лошо от силата на плазмената струя.

Ако специфичният импулс е 1000 километра в секунда, а тягата е 100 kg, тогава ще бъдат изразходвани стотици мегавата за консумация. Което генерира в пространството е почти невъзможно. Дори да предположим такава вероятност, кораб с MPD-Thruster, чиято нетна маса е 100 тона, ще ускори до 10 000 km / s. само за 317 години! И това е с прекалено астрономическото начално тегло от 2,2 милиона тона.

С такива показатели дори е невъзможно да си представим скоростта на газовия поток в единица, която предава електронни заряди. И не трябва да се правят изчисления, за да се разбере - няма електроди, които да издържат на такива значителни химически и термични натоварвания.

Квантово устройство EmDrive

Това е изобретяването на Роджър Шьор от Великобритания, над което почти цялата международна научна общност почти се смееше. Защо? Защото неговият квантов вакуумен плазмен двигател беше счетен за невъзможен. Защото принципът му противоречи на законите, които са в основата на физиката!

Но, както се оказа, този плазмен космически двигател работи, и много успешно! Този факт беше изяснен по време на тестовете на НАСА.

Устройството е просто по дизайн. Тягата се създава чрез микровълнови колебания около вакуумния контейнер. И електричеството, необходимо за генерирането им, се извлича от слънчевата светлина. Казано с прости думи - двигателят не изисква използването на гориво и е в състояние да работи, ако не завинаги, то поне до момента на повредата.

Тестерите бяха шокирани. Двигателят е тестван от учен Гуидо Фет и екип от НАСА Eagleworks, воден от Харолд Уайт - специалисти от космическия център. Линдън Джонсън. След подробно проучване на изобретението беше публикувана статия, в която тестерите уверили читателите, че устройството работи и успешно създава глад, дори ако това е необясним противоречие със закона за запазване на инерцията.

И все пак учените казват, че тази единица включва взаимодействие с така наречения квантов вакуум на виртуалната плазма.

Проблемът за ефективно разделяне на заряда

Много физици песимистично твърдят, че тя е неразрешима. Има усъвършенствани проекти, в които се разработват иновативни плазмени агрегати с мощност 5 MW и импулс от 1000 km / s, но тяхната тяга е все още твърде малка за преодоляване на дълги разстояния.

Разработчиците разбират този проблем и търсят други подходи. Един от най-обещаващите проекти в наше време е VASIMR. Специфичният им импулс е 50 km / s., А тягата е 6 нютона. Това е просто VASIMR всъщност не е плазмена единица. Защото произвежда високотемпературна плазма. Тя се ускорява в дюзата на Laval - без използването на електричество, само поради газодинамичните ефекти. Плазмата се ускорява по същия начин, по който газовият струя набира скорост на изхода от обичайното ракетно устройство.

заключение

В заключение бих искал да кажа, че нито един плазмен двигател за космически кораб от съществуващите в наше време не е в състояние да достави ракета дори до най-близките звезди. Това се отнася както за експериментално изпитани устройства, така и за теоретично изчислени.

Много учени стигат до песимистично заключение - пропастта между нашата планета и звездите е фатално непреодолима. Още преди системата Алфа Кентавър, някои от компонентите на която са видими с невъоръжено око от Земята, разстоянието е 39,9 трилиона километра. Дори на космически кораб, способен да пътува скоростта на светлината преодоляването на това разстояние ще бъде около 4.2-4.3 години.

Така плазмените единици на звездните кораби са по-скоро от сферата на научната фантастика. Но това не намалява тяхното значение! Те се използват като маневрени, помощни и коригиращи орбити на двигатели. Следователно, изобретението е напълно оправдано.

Но ядрената импулсна единица, която използва енергията от експлозии, има потенциален потенциал за развитие. Във всеки случай, поне на теория, е възможно изпращането на автоматична сонда към най-близката звезда.