Космические двигатели будущего
Создание ионного двигателя
Мы продоожаем рассказывать про виды двигателей .
Проблема перемещения в космосе стоит перед человечеством с момента начала орбитальных полетов. Ракета взлетая с земли расходует практически все свое топливо, плюс заряды ускорителей и ступеней. И если ракету еще можно оторвать от земли, заправив её огромным количеством топлива, на космодроме, то в открытом космосе заправляться попросту негде и нечем. А ведь после выхода на орбиту нужно двигаться дальше. А топлива нет.
И в этом то и состоит основная проблема современной космонавтики. Выбросить на орбиту корабль с запасом топлива до луны еще можно, под эту теорию строятся планы создать на луне базу дозаправки «дальнобойных» космических кораблей, летящих например на Марс. Но это все слишком сложно.
А решение проблемы было создано очень давно, еще в 1955 году, когда Алексей Иванович Морозов опубликовал статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». В ней он описывал концепцию принципиально нового космического двигателя.
Устройство ионно плазменного двигателя
Принцип действия плазменного двигателя состоит в том, что рабочим телом выступает не сгорающее топливо, как в , а разогнанный магнитным полем до безумных скоростей поток ионов.
Источником ионов служит газ, как правило это аргон или водород, бак с газом стоит в самом начале двигателя, оттуда газ подается в отсек ионизации, получается холодная плазма, которая разогревается в следующем отсеке посредством ионного циклотронного резонансного нагрева. После нагрева, высокоэнергетическая плазма подается в магнитное сопло, где она формируется в поток посредством магнитного поля, разгоняется и выбрасывается в окружающую среду. Таки образом достигается тяга.
С тех пор плазменные двигатели прошли большой путь и разделились на несколько основных типов, это электротермические двигатели, электростатические двигатели, сильноточные или магнитодинамические двигатели и импульсные двигатели.
В свою очередь электростатические двигатели делятся на ионные и плазменные (ускорители частиц на квазинейтральной плазме).
В данной статье мы напишем про современные ионные двигатели и их перспективные разработки, так как на наш взгляд именно за ними будущее космического флота.
Ионный двигатель использует в качестве топлива ксенон или ртуть. Первый ионный двигатель назывался сетчатый электростатический ионный двигатель.
Принцип его действия таков:
В ионизатор подается ксенон , который сам по себе нейтрален, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны.
Положительные же ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2 или 3 сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против – 225 на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона.
Российские ионные двигатели. На всех хорошо видны катодные трубки, направленные в сторону сопла
Электроны, пойманные в катодную трубку выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается по двум причинам:
Во первых чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным, а во вторых чтобы ионы «нейтрализованные» таким образом не притягивались обратно к кораблю.
Чтобы ионный двигатель работал нужны всего две вещи – газ и электричество. С первым все просто отлично, двигателю американского межпланетного аппарата Dawn, который стартовал осенью 2007-го, для полета в течении почти 6 лет потребуется всего 425 килограммов ксенона. Для сравнения для корректировки орбиты МКС с помощью обычных ракетных двигателей каждый год затрачивается 7,5 тонн горючего.
Одно плохо – ионные двигатели имеют очень небольшую тягу, порядка 50-100 миллиньютонов, что абсолютно недостаточно при перемещении в атмосфере Земли. Но в космосе, где нет практически никаких сопротивлений, ионный двигатель при длительном разгоне может достигнуть значительных скоростей. Общее приращение скорости за всё время миссии Dawn составит порядка 10 километров в секунду.
Тест ионного двигателя для корабля Deep Space
Недавние испытания проведенные американской компанией Ad Astra Rocket, проведенные в вакуумной камере показали, что их новый Магнитоплазменный двигатель с переменным удельным импульсом” (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) VASIMR VX-200 может дать тягу уже в 5 ньютонов.
Второй вопрос – электричество. Тот же VX-200 потребляет 201 кВт энергии. Солнечных батарей такому двигателю просто мало. Следовательно необходимо изобретать новые способы получения энергии в космосе. Тут есть два пути – заправляемые батареи например тритиевые, выводимые на орбиту вместе с кораблем, либо автономный атомный реактор, который и будет питать кораблю на протяжении всего полета.
Во втором случае, в условиях космоса и его низких температур более интересно выглядит проект корабля с термоядерным реактором на борту, но пока НАСА разрабатывает только ядерный реактор.
Эти исследования проходят в рамках проекта Prometheus. В планах НАСА запустить в солнечную систему ядерный зонд, оснащенный мощными ионными двигателями, питающимися от бортового ядерного реактора.
Напоследок видео испытаний ионного двигателя VX-200.
Основная проблема в освоении космических просторов - крайне низкие скорости у разработанных человечеством летательных аппаратов. Современные разработки имеют также и огромный расход топлива. Таким образом, если построить ракету и запустить ее, например, на Марс и обратно, то корабль будет просто огромный. И большую его часть будет занимать именно топливо. Приблизительно для высадки на Марс нужно более миллиарда тонн высококачественного ракетного топлива. К счастью, такая современная разработка ученых, как ионный двигатель, сможет в недалеком будущем решить эту проблему. Теоретически с его помощью можно разгоняться до двухсот километров за секунду. Основными плюсами можно назвать именно огромные развиваемые скорости и маленький запас горючего. Для работы такого агрегата, как ионный двигатель, нужны лишь электричество и инертный газ. Однако есть у него и некоторые недостатки, например, слабая разгонная скорость. Это заставляет задуматься о многих проблемах применения двигателя в условиях присутствия гравитационных полей.
Ионный двигатель: принцип действия
Благодаря высокому напряжению ионизируется газ в специальной камере. Вследствие этого ионы газа начинают выбрасываться прочь из камеры и создавать тягу. Однако, так как это цепная реакция, и сила тяги увеличивается очень медленно и постепенно, понадобится приблизительно полгода, чтобы разогнаться до двухсот километров в секунду. Примерно такое же количество времени уйдет и на торможение. С другой стороны, объективно эти цифры очень малы в сравнении с показателями у современных космических двигателей, которым на достижение подобных по качеству результатов необходимо было бы затратить в двадцать раз больше времени. Более того, инертный газ занимает в сотни раз меньше места, чем топливо у ракет. Единственная проблема, которую сложно решить - это наличие электричества. Солнечных батарей просто не хватит для работы таких приборов, как ионные двигатели, поэтому вероятно применение ядерного реактора.
Еще одним недостатком можно считать низкую маневренность. Также основным вопросом стоит проблема с гравитацией. Находясь в пределах поля Земли, двигатель просто не будет работать. С другой стороны, в условиях открытого космоса аналогов такого устройства, как ионный двигатель, пока нет.
Немного истории и перспективы
В фантастической литературе подобные приборы встречались довольно часто. Однако только в 1960 году был создан ионный двигатель своими руками (а точнее, руками научных сотрудников НАСА). Он назывался широко-лучевым электростатическим устройством. Уже в начале семидесятых прошли испытание ртутные электростатические двигатели в условиях открытого космоса.
К концу семидесятых генераторы на основе эффекта Холла использовали в Советском Союзе. В качестве именно основного двигателя ионный был применен на американском космическом аппарате в 1998 году. За ним последовали европейский зонд, японский космический корабль в 2003 году. На сегодняшний день НАСА разрабатывает знаменитый проект под названием «Прометей». Для него конструируют супермощный ионный двигатель, который питается от ядерного реактора.
Ионный двигатель
Ионные двигатели
могут использоваться для широкого спектра задач — от коррекции положения спутников на орбите Земли, до разгона гигантских космических кораблей, направляющихся за пределы нашей Солнечной системы в глубины Млечного Пути. Но что же такое ионный двигатель, и как именно он используется в космосе? Обычные ракетные двигатели сжигают газ, который выпускается из сопла под высоким давлением, что вызывает мощную реактивную тягу, толкающую корабль вперед. У ионного двигателя инертный газ (ксенон, аргон) не сжигают, а ионизируют, а испускаемые им ионы разгоняют до высоких скоростей в сильном электрическом поле. Таким образом, ионы выстреливают из двигателя со скоростью до 150000 км в час.
Применение ионных двигателей
Но, к сожалению, тяга ионных двигателей чрезвычайно мала и сопоставима с давлением, которое оказывает один лист бумаги формата А4 на ладонь человека. Но в невесомой космической среде, где нет никакого трения, ионные двигатели могут быть чрезвычайно эффективными, поскольку эффект от их тяги накапливается со временем. Первый в мире ионный двигатель успешно используется на автоматической межпланетной станции DAWN , которую НАСА запустило в космос 27 сентября 2007 года для исследования астероида Веста и карликовой планеты Церера. В данный момент космический аппарат DAWN находится в поясе астероидов между и Юпитером.
У него ушло четыре дня на то, чтобы с помощью ионного двигателя разогнаться с нуля до 100 километров в час. Да, это не особо впечатляет, но зато ионные двигатели очень экономные и могут работать десятилетиями. При этом скорость космического корабля, разгоняемого ионным двигателем, постоянно увеличивается и может составлять тысячи километров в секунду через определенное время.
Зачем использовать ионные двигатели?
Этот тип движения дают космическим аппаратам маневренность на орбите Земли. С их помощью можно легко менять расположение спутников, например, для коррекции высоты их орбиты или уклонения от крупного . Кроме этого ионные двигатели значительно дешевле и экономнее ракетных двигателей. Они значительно продлевают срок эксплуатации спутников и сокращают пусковые и эксплуатационных затраты. В данный момент времени, НАСА работает над разработкой сразу двух ионных двигателей нового поколения: Эволюционный ксеноновый Двигатель Next и кольцевой ионный двигатель . Эти новые двигатели снизят стоимость космических миссий и продлят время их работы, а также будут обладать более высокой мощностью.
Плазма между анодом и катодом ионного двигателя.
Фотография: Joao Duarte / eLab hackerspace
Португалец Жуан Дуарте собрал в домашних условиях простую рабочую модель ионного двигателя. Рассказ о своем проекте разработчик опубликовал на портале eLab hackerspace. В его двигателе используются несколько держателей, подставка, корпус и сопло, напечатанные из пластика на 3D-принтере, семь гвоздей, семь медных трубок и высоковольтный трансформатор.
При строительстве ионного двигателя важна высокая электрическая проводимость всех элементов. Для ее увеличения Дуарте покрыл гвозди тонким слоем меди. Он зачистил гвозди от ржавчины, а затем опустил их вместе с окислившимися медными монетами в раствор соли и уксуса. Благодаря меднению электрическая проводимость на поверхности гвоздей увеличилась.
Затем португалец взял медную трубу диаметром два сантиметра и нарезал ее на пять частей длиной пять сантиметров каждая. После этого Дуарте распечатал на принтере держатели для трубок и гвоздей, подставку, кожух двигателя и сопло. Для эффективной работы ионного двигателя кончики медненных гвоздей должны находиться точно в центре окружности медных трубок.
На каком расстоянии от трубок следует разместить гвозди от трубок Дуарте не уточнил, но отметил, что оно должно быть одинаковым для всех гвоздей. Для регулирования тяги португалец сделал держатель с гвоздям подвижным в горизонтальной плоскости. К трубкам и гвоздям Дуарте подключил трансформатор, способный выдавать напряжение в девять киловольт и силу тока в 50 миллиампер.
В конструкции двигателя гвозди выступают в качестве катода, а медные трубки - анода. При включении напряжения воздух вокруг гвоздей ионизируется и притягивается анодом, возникает воздушный поток, который и формирует незначительную тягу за соплом двигателя. Сдвинутся с места такая силовая установка не может, но способна колыхать обрезки бумаги.
Концепцию ионного двигателя впервые предложил американский ученый Роберт Годдард. В 1954 году технологию детально описал ученый Эрнст Штулингер, а первый функционирующий двигатель был собран в 1959 году в NASA. Он смог проработать на протяжении 31 минуты. В качестве маршевого двигателя ионная силовая установка была впервые использована на космическом аппарате Deep Space в 1998 году.
Современные ионные двигатели способны непрерывно работать на протяжении трех лет. В них для создания реактивной тяги используются как правило аргон или ксенон. Эти инертные газы разгоняются в электрическом поле. Положительными качествами ионного двигателя является малое энергопотребление и расход топлива, а серьезным недостатком - микроскопическая тяга, составляющая до 250 миллиньютонов.
Не секрет, что все реактивные двигатели работают за счёт закона сохранения импульса. Именно из него вытекает, что реактивная тяга - это произведение массового расхода на скорость выхода рабочего тела из сопла .
Эту скорость принято называть удельным импульсом реактивного двигателя. Давайте для примера найдём реактивную тягу при стрельбе из автомата Калашникова, которая является основной составляющей отдачи. Пусть масса пули будет 0,016 кг , начальная скорость пули 700 м/с , а скорострельность 10 выстр./с . Тогда отдача F=700∙0,016∙10=112 Н (или 11 кгс) . Большая отдача, но тут приведена техническая скорострельность 600 выстр./мин. В реальности стрельба ведётся очередями или одиночными и составляет ≈50 выстр./мин.
Выстрел из АК
Вернёмся к реальным реактивным двигателям, в которых вместо пуль обычно используются потоки выходящего с гиперзвуковой скоростью газа. Химические реактивные двигатели являются самыми распространёнными, но не единственными.
В этой статье, с большим предисловием, я хочу рассказать об ионных реактивных двигателях (далее ИРД). ИРД используют в качестве рабочего тела заряженные частицы - ионы. Ионы имеют массу, и если их разогнать электрическим полем, то можно создать реактивную тягу. Это всё в теории, а теперь подробнее. ИРД имеет некоторый запас газа, который ионизируют (т.е. нейтрально-заряженные атомы газа разбивают на отрицательные электроны и положительные ионы) с помощью газового разряда. Далее ионы разгоняются электрическим полем с помощью специальной системы сеток, и эта же система сеток блокирует движение электронов. После того, как положительные ионы вылетели из сопла, их нейтрализуют отрицательными электронами (в результате этого происходит рекомбинация и газ начинает светиться), чтобы ионы не притягивались обратно к двигателю, и тем самым не снижали его тяги.
Почему ксенон?
Обычно в ИРД в качестве рабочего тела используется газ ксенон, так как он имеет наименьшую энергию ионизации среди инертных газов.
Удельный импульс ионных реактивных двигателей достигает 50 км/с, что в 150 раз превышает скорость звука! Увы, но тяга таких двигателей составляет около 0,2 Н. Почему же так? Ведь удельный импульс очень большой. Дело в том, что масса ионов очень маленькая и массовый расход получается небольшим. Для чего тогда такие двигатели нужны, если они ничего не смогут сдвинуть с места? На Земле может быть не смогут, а вот в космосе, где нет сил сопротивления, они достаточно эффективные. Существует такое понятие как полный импульс - произведение тяги на время или произведение удельного импульса на массу топлива , который у ИРД является достаточно большим.
Решим следующую задачу. Пусть жидкостный ракетный двигатель имеет удельный импульс 5 км/с, а у нашего ИРД он будет 50 км/с. И давайте масса рабочего тела (в ЖРД она равна массе топлива) у обоих двигателей будет 50 кг. Примем массу космического аппарата равной 100 кг.
Найдём по формуле Циолковского конечную скорость аппарата (т.е. когда в нём закончится рабочая масса).
И что получается, если ионный и химический реактивные двигатели будут иметь одинаковую массу топлива, то ИРД сможет разогнать космический аппарат до больших скоростей, нежели химический РД. Правда на ИРД космический аппарат будет разгонятся дольше до конечной скорости, чем на ЖРД. Но в путешествиях к далёким планетам, высокая конечная (разгонная) скорость будет компенсировать этот недостаток.
Схема полёта к Марсу на ИРД
ИРД используются и в наше время. Например, аппарат Deep Space 1 сблизился с астероидом Брайль и кометой Борелли, передал на Землю значительный объём ценных научных данных и изображений.
Deep Space 1
Также космическая антенна LISA, которая сейчас находится на стадии проектирования, будет использовать ИРД для корректировки орбиты.
Laser Interferometer Space Antenna
И напоследок, давайте определим тягу ИРД, зная массу иона М=6,5∙10^-26 кг , ускоряющие напряжение U=50 кВ , ток нейтрализации I=0,5 А , элементарный заряд е=1,6∙10^-16 Кл .
Напряжение - это работа по переносу заряда, т.е. на выходе из сопла ион будет иметь кинетическую энергию равную произведению напряжения на заряд иона. Из кинетической энергии выражаем скорость (удельный импульс). Найдём массовый расход из определения тока, электрический ток - это проходящий заряд во времени. Получается, что массовый расход - это произведение массы иона и тока, делённое на заряд иона. Перемножая удельный импульс и массовый расход, получаем тягу равную 0,1 Н.
Подводя итог, хочу сказать, что существуют плазменные реактивные двигатели, у которых схожее устройство, но которые имеют намного больший массовый расход рабочего тела. Кто знает, может быть уже завтра на таких двигателях человечество будет летать на Марс и Луну.
