Российские сверхмалые космические аппараты получат новые двигатели
В России успешно завершились работы по созданию маневровых двигателей для оснащения сверхмалых космических аппаратов. Разработка охватывает пикоспутники, вес которых составляет от 100 граммов до 1 килограмма, фемтоспутники с массой менее 100 граммов, а также адоспутники, весом не более 10 граммов.
Эти аппараты предназначены для запуска в космос в виде групп, способных формировать различные конфигурации. Это позволяет создавать уникальные сети, которые могут заниматься сбором космических частиц или функционировать как фазированные антенные решетки, обеспечивая надежный прием и передачу сигналов.
Ведущий инженер РГРТУ Владимир Линьков подчеркивает, что современная космическая индустрия требует все более малых и функциональных устройств для выполнения разнообразных задач. Новейшая разработка российских специалистов предоставляет микроспутникам возможности точного маневрирования, что является критически важным для их эффективной работы.
Линьков также уточнил, что разработанные в РГРТУ двигатели обладают матричной структурой, состоящей из множества мелких ячеек. Каждая ячейка содержит некоторое количество зарядов из твердого топлива. Эти ячейки могут быть установлены на различных частях спутника или даже покрывать его поверхность полностью, обеспечивая необходимые корректировки направления движения при активации.
РГРТУ уже приступила к созданию полноразмерных моделей этих двигателей, которые будут тщательно тестироваться и усовершенствовываться в ходе последующих испытаний.
Специалист по ракетостроению оценил космические перспективы лазерных двигателей
Фото iStock
Наработки китайских ученых в области лазерных двигателей для подводных лодок могут иметь потенциал для развития космической отрасли. Об этом «Энергии+» рассказал кандидат технических наук, специалист по ракетным двигателям и ракетостроению Казанского национального исследовательского университета имени Туполева Булат Зиганшин.
По словам специалиста, пока оценить разработку китайских ученых по достоинству сложно, потому что обнародованные ими выводы являются результатом численного моделирования и требуют экспериментальной проверки. Однако сама концепция, отмечает эксперт, представляет интерес.
Теоретически мы можем использовать лазерные двигатели для коррекции орбиты или даже полноценного движения в космическом пространстве различных аппаратов — микро- и наноспутников. Для этого нужно заменить воду в качестве рабочего тела на газ — например, водород. Тогда, генерируя частые лазерные импульсы, можно будет вызывать образование плазмы, которая станет нагревать рабочее тело, заставлять его расширяться и выходить наружу, приводя аппарат в движение. С этой точки зрения предложенная китайскими коллегами идея имеет потенциал для исследования.
— Булат Зиганшин. Специалист по ракетным двигателям и ракетостроению, сотрудник отдела интеллектуальной собственности Казанского национального исследовательского университета.
Исследование китайских ученых, о котором идет речь, опубликовано в научном журнале Acta Optica Sinica. Команда под руководством Гэ Яня, доцента Школы механики и электротехники Харбинского инженерного университета в провинции Хэйлунцзян, предложила обшивать корпусы подводных лодок оптоволокном и пропускать через него лазерные импульсы. Согласно теории ученых, из-за этого вокруг лодки будут образовываться полости, заполненные перегретым водяным паром, а коэффициент сопротивления среды упадет.
Больше новостей об энергетике читайте на сайте журнала Энергия+: https://e-plus.media/news/
Советское наследие в плазме или была VERA, теперь — LENA
Когда-то у нашей страны была огромная фора в производстве плазменных ракетных двигателей. В наши дни, когда их устанавливают в том числе на спутники, обеспечивающие высокоскоростной широкополосный доступ в интернет, имеет смысл вспомнить о былом лидерстве и вернуть его.
Изобретение советскими учеными стационарного плазменного ракетного двигателя ознаменовало новую эру в освоении человечеством космического пространства.
В плазменных электрореактивных двигателях рабочее тело (плазма) разогревается с помощью электрической энергии. Затем на плазму воздействуют электромагнитным полем, при этом она движется, подобно тому как в электромоторе движется проводник, по которому течет ток. Отсюда вытекает возможность ускорения частиц рабочего тела до скоростей в десятки и сотни километров в секунду, недостижимых в двигателях, работающих на химическом топливе или сжатом газе.
Электроэнергию для питания плазменных электрореактивных двигателей можно брать в космосе от солнечных батарей или от специального источника электроэнергии. Тягу плазменных двигателей очень легко регулировать в широких пределах изменением параметров их электропитания. Такие двигатели обладают большим ресурсом работы. Все это делает плазменные двигатели очень перспективными для применения на космических объектах с длительным временем полета.
«30 ноября 1964 года Советский Союз запустил в направлении Марса межпланетную станцию «Зонд-2», впервые в мире на ней была установлена экспериментальная система ориентации на основе плазменных двигателей. Эта система отработала идеально, что стало первым в истории применением таких двигателей в космосе.
СССР начал использовать их на своих спутниках, а после распада страны уже российские стационарные плазменные двигатели (СПД) стали доступны на международном рынке, где они произвели настоящий фурор. Вскоре они стали мировым стандартом. Благодаря им удалось исследовать астероиды и карликовые планеты».
а) ИПДУ «Глобус», 1968 год; б) литиевый МПД, 500 кВт, 1974 год
Сейчас СПД является нормой для любого космического проекта, а в конце 1960-х годов это была разработка небывалых масштабов. Благодаря ей удалось улучшить существующие проекты и вывести изучение космоса на принципиально иной уровень.
Хронология событий истории космических СПД
1964 год Начало ЭРЫ космических электрореактивных двигателей. ИПД на КА «Зонд». Марсианские проекты транспортных модулей с ЭРД.
1972 – 1980 годы СПД РАБОТАЮТ В КОСМОСЕ. Первые испытания СПД в космосе на КА «Метеор». ЭРДУ для коррекции орбит КА «Метеор» на околоземной орбите.
1981…2012 годы СПД на российских геостационарных телекоммуникационных КА. Применение СПД в системе стабилизации углового положения на КА «Плазма».
1991…2012 годы Открытие российских СПД Америкой. Квалификация СПД по международным стандартам. СПД на американских и европейских КА. ХХI век Новые вызовы: Транспортные энергетические модули. ЭРДУ для малых КА. 3
а) Первый макет СПД, ИАЭ, 1968 год; б) СПД-60, Факел, 1974 год; в) СПД-50, Факел, 1978 год
«По производству электроракетных двигателей наша страна когда-то опережала весь мир примерно на 30 лет, — говорил ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН, доктор физико-математических наук Натан Эйсмонт. — Их серийное производство было налажено на ОКБ „Факел“ в Калининграде, в других странах таких разработок в те годы не было. Достаточно сказать, что Европейское космическое агентство для запуска своих аппаратов к другим планетам и к Луне закупало продукцию ОКБ „Факел“. Сейчас спутники Илона Маска Starlink тоже летают на электроракетных двигателях, где используется криптон. Российские работают на ксеноне, но особой разницы нет».
По словам Натана Эйсмонта, электроракетные двигатели (а плазменные являются их разновидностью) в других странах мира появились лишь в последние десятилетия. Поэтому Россия вполне могла создать орбитальные группировки наподобие Starlink, обеспечивающие высокоскоростной широкополосный доступ в интернет, раньше других и сейчас иметь преимущество в этой сфере. Но для этого надо было вовремя разглядеть перспективу таких аппаратов, а вот с этим у нас напряжёнка.
Тем не менее сейчас в России ведутся продвинутые разработки электроракетных двигателей: их серийно выпускает всё то же калининградское ОКБ «Факел», а ионные двигатели делают в ГНЦ «Исследовательский центр имени М. В. Келдыша». Кроме того, в НИЦ «Курчатовский институт» ведутся работы по безэлектродному плазменному ракетному двигателю.
Наконец, благодаря молодым командам учёных и инженеров, подобно той, что сейчас проводит испытания в Институте ЛаПлаз МИФИ, у нас есть надежда, что лидерство в этих технологиях останется за Россией.
Сегодня - была VERA, теперь — LENA
Как сообщает Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», в Институте ЛаПлаз, входящем в его структуру, начались огневые испытания первого прототипа нового плазменного ракетного двигателя LENA. Он будет на порядок мощнее существующих сегодня двигателей и спроектирован для применения на микроспутниках — космических аппаратах массой от 10 до 100 килограмм.
До этого учёные и инженеры разрабатывали двигательную установку VERA, предназначенную для наноспутников (масса — от 1 до 10 килограмм). У нового движка будет больше не только мощность, но и тяга, запас рабочего тела, удельный импульс.
«В двигателях подобного типа плазма ускоряется вдоль электродов за счёт взаимодействия протекающего через неё тока с магнитным полем. В традиционных двигателях магнитное поле создаётся исключительно только током, протекающим через электроды и плазму. Новизна разработки LENA в том, что в нашем двигателе есть магнитная система, создающая дополнительное поле, что повышает эффективность разгона», — сообщил старший преподаватель кафедры «Физика плазмы» Института ЛаПлаз Игорь Егоров, возглавляющий лабораторию «Плазменные ионные ракетные двигатели».
По его словам, в перспективе этот двигатель может быть установлен в системах ориентации более крупных космических аппаратов, массой до тонны.
Про энергию для межзвездных перелетов
В продолжение поста: О практической осуществимости полетов к звездам
Звездолет подпитываемый лазерным лучом
Все, что было рассказано в предыдущем посте, неосуществимо по энергетическим причинам, по крайней мере в рамках наших современных знаний о природе, а теперь посмотрим по каким причинам.
В графике замедления времени есть очень интересный факт - замедление времени и γ - фактор Лоренца равны, а еще, γ - фактор Лоренца показывает сколько энергии в виде антиматерии+материя со стопроцентным КПД нужно затратить на разгон ракеты.
И отсюда следует, чтобы получить 70 кратное замедление времени нам надо затратить 35кг антиматерии+35 кг материи для разгона 1 кг ракеты до субсветовой скорости. Печаль.
Посмотрим, что можно предпринять на практике если у нас будет антиматерия. Возьмем скорость звездолета в половину скорости света, а именно 150 000 км в сек и посмотрим сколько нам надо энергии для разгона 1кг корабля:
Для вычисления кинетической энергии объекта, движущегося с релятивистской скоростью (близкой к скорости света), мы должны использовать формулу из специальной теории относительности:
E = (γ - 1)mc²
где E - кинетическая энергия, m - масса объекта в покое, c - скорость света, и γ (гамма-фактор) выражается как:
γ = 1/√(1 - v²/c²)
Здесь v - скорость объекта.
Подставим данные из условия задачи:
m = 1 кг
v = 150000 км/с = 1.5 × 10⁸ м/с
c ≈ 3 × 10⁸ м/с
Сначала вычислим γ:
γ = 1/√(1 - (1.5 × 10⁸)²/(3 × 10⁸)²) = 1/√(1 - 0.25) = 1/√0.75 ≈ 1.155
Теперь мы можем вычислить кинетическую энергию:
E = (1.155 - 1) × 1 кг × (3 × 10⁸ м/с)²
= 0.155 × 1 кг × 9 × 10¹⁶ м²/с²
= 1.395 × 10¹⁶ Дж
≈ 14000 тераджоулей
сколько надо антивещества и вещества для аннигиляции, чтобы выделилось 14000 ТДж
Давайте рассчитаем, сколько материи и антиматерии нужно аннигилировать, чтобы получить 14000 ТДж энергии.
По формуле Эйнштейна, энергия, выделяемая при аннигиляции, связана с массой аннигилирующих частиц соотношением:
E = mc²
где E - выделившаяся энергия, m - суммарная масса аннигилировавших частиц, c - скорость света.
При аннигиляции массы m материи и массы m антиматерии суммарная масса аннигилировавших частиц будет 2m. Подставляя это в формулу, получаем:
E = 2mc²
Нам нужно найти m, зная E. Выразим m из этого уравнения:
m = E / (2c²)
Подставим известные значения:
E = 14000 ТДж = 1.4 × 10^16 Дж
c ≈ 3 × 10^8 м/с
m = (1.4 × 10^16) / (2 × (3 × 10^8)²) ≈ 0.0778 кг ≈ 77.8 г
Таким образом, для получения 14000 ТДж энергии путем аннигиляции нужно аннигилировать около 77.8 граммов материи и столько же антиматерии, то есть в сумме около 155.6 граммов.
Вариант путешествия на ракете весом 1000 тонн с 156 тоннами антиматерии выглядит уже интереснее, но вопрос в том - где взять столько антиматерии и как научиться преобразовывать ее в энергию разгона со 100% КПД?
Предположим, что мы отбросили идею с ракетой, и хотим просто отправить 1кг зонд-исследователь в разведку к ближайшим звездам. Допустим, что у нас есть метод подпитки зонда по лазерному лучу с Земли. И посчитаем, сколько надо электроэнергии для подпитки аппарата (14000 ТДж):
Сначала переведем 14000 ТДж в гигаватт-часы (ГВт⋅ч), так как электростанции обычно измеряют свою выработку в этих единицах.
1 ТДж = 10^12 Дж
1 ГВт⋅ч = 3.6 × 10^12 Дж
Таким образом, 14000 ТДж = 14000 × 10^12 Дж = 14000 / 3.6 ГВт⋅ч ≈ 3889 ГВт⋅ч.
Теперь рассмотрим электростанцию с 4 гигаваттными блоками. Если все блоки работают на полную мощность, то общая мощность электростанции составляет:
4 блока × 1 ГВт/блок = 4 ГВт
Теперь мы можем вычислить время, необходимое для выработки 14000 ТДж или 3889 ГВт⋅ч энергии:
Время = Энергия / Мощность
= 3889 ГВт⋅ч / 4 ГВт
≈ 972 часа
≈ 40.5 дней
Итак, электростанции с 4 гигаваттными блоками, работающими на полную мощность, потребуется около 972 часов или 40.5 дней, чтобы выработать 14000 ТДж энергии. Да еще надо затратить столько же энергии на торможение аппарат в точке прибытия аппарата. А это у нас, на секундочку, ЛАЭС в Сосновом Бору. И работать ей на один 1кг зонд 40 дней на разгон и 40 дней на торможение.
И, в заключение, рассмотрим еще один вариант - ядерную или термоядерную ракету. А вот здесь есть такой факт: в расчете на единицу массы аннигиляция материи и антиматерии является самым энергоемким процессом, превосходя деление урана примерно в 2000 раз, а термоядерный синтез - примерно в 500 раз, значит на разгон 1 кг до половины скорости света нам потребуется уже не 155.6 граммов антиматерии, а 77кг термоядерного топлива или 310кг урана. С инженерной точки зрения я не вижу вариантов сделать такую ракету.
Остается ограничиться разгоном до 0.1 скорости света, а вот тогда кинетическая энергия 1 кг ракеты, движущейся со скоростью 30000 км/с (10% скорости света), составляет около 4.5 × 10¹⁴ Дж или 450 ТДж. Соответственно, для получения 450 ТДж энергии путем термоядерного синтеза по реакции D-T потребуется около 0.53 кг дейтерия и 0.80 кг трития, в сумме около 1.33 кг термоядерного топлива. А урана потребуется 5.32 кг на разгон и 5.32 кг на торможение.
Все расчеты проводились при допущении 100% КПД. Вот такая у нас печальная мечта о звездах!
Член-корреспондент Академии космонавтики оценил перспективы созданного в Китае ядерного космического двигателя
Китайские ученые впервые в мире успешно испытали прототип космического ядерного двигателя. Как сообщает журнал Китайской академии наук Scientia sinica technologica, рабочей группе, в которую вошли представители более десяти научно-исследовательских проектных институтов страны, удалось запустить реактор мощностью 1,5 мегаватта от внешнего источника питания и протестировать систему отвода тепла.
Как пояснил «Энергии+» член-корреспондент Академии космонавтики имени Циолковского Андрей Ионин, если все действительно так, как сообщает китайская пресса, новый двигатель однозначно должен стать прорывом в мировой космонавтике.
Сейчас начинается второй этап освоения космоса. Первый начался в 1957 году, и главным технологическим прорывом в нем стало создание ракет-носителей, позволяющих преодолеть земное притяжение, и искусственных объектов, которые могут долго существовать в космическом пространстве. Для перехода ко второму этапу — освоению дальнего космоса, начиная с Луны и Марса, — нужны новые прорывные технологии. Одна из них — создание мощного, безопасного, компактного и долговременного источника энергии, который может работать в космосе.
— Андрей Ионин. Член-корреспондент Академии космонавтики имени Циолковского.
Такой источник энергии, подчеркивает эксперт, может решать множество задач: от вывода кораблей во внеземное пространство до питания космических промышленных производств и поселений на других планетах и спутниках. Однако его мало создать — нужно еще и доставить. Китайский двигатель, к примеру, заявлен как способный «складываться» и «разворачиваться».
Больше новостей об энергетике читайте на сайте журнала Энергия+: https://e-plus.media/news/
Доставка в пределах вселенной: возможно догнать астероид?
Представьте если вдруг нам придется догонять астероид вроде Оумуамуа. Возможно ли это в короткие сроки? Давайте немного пофантазируем =)
19 октября 2017 года был зафиксирован первый межзвездный скиталец. До сегодняшнего дня он считался просто странным астероидом-гостем из созвездия Киль-Голубь. Но сегодня мы получили серию сообщений, отправленных прямо с этого объекта, которые удалось расшифровать.
Земляне, я есть летающий макаронный монстр и нахожусь в длительном отпуске, пролетая через вашу систему. Я конкретно так напился и забыл прикупить пивка на Земле. Доставьте мне ящик Budweiser'а в срок не более 10 лет, и в награду я передам вам технологию межзвездных перемещений - пузырьковый двигатель. Варп это не ко мне, а вот раздуться до размеров галактики и сжаться в нужном месте - самое оно! Короче, если успеете, технология ваша, если нет - запущу движок и полечу дальше.
Конечно, привезти пару ящиков пива на объект, отдаляющийся от Земли на скорости больше 30 км/сек, нет ничего проще! Возьмем самую мощную ракету, посадим туда нашего курьера Кешу. Конечно, можно позвонить Илону Маску и сказать: 'Бро, дай ключи от своего корабля, нам по-быстрому астероид надо догнать и пивка на него завести'. Вроде все круто, но вот ракеты сейчас летают исключительно на химическом топливе, а на нем не разгонишься. Максимальная скорость всего 12, ну если напрячься, то 15 км/с.
А как же Вояджеры, которые превысили скорость 17 км/сек, или, например, солнечный зонд Паркер, который разогнался до невероятных 176 км/сек? А это все благодаря гравитационным маневрам. Что такое гравитационный маневр? Вот представь, что ты спешишь в магазин до его закрытия, мчишь на своем самокате изо всех сил, но тебе нужно быстрее, но быстрее уже не можешь, а тут на пути твои братюни, которые раз и подтолкнули тебя в направление цели, или, скажем, ты за машину прицепился и ускорился за ее счет. Та же история с гравитационным маневром: корабль использует гравитацию планет для дополнительного разгона, подобно тому, как ты, мчащийся на своем самокате, можешь использовать поддержку друзей или машину для увеличения своей скорости. Хороший вариант, но нам не подходит, слишком долго, да и нужно ждать выгодного для нас положения планет.
Окей, что у нас есть, кроме химических двигателей, только мы сразу отбросим фантастические варианты, типа варп-двигателя или огромных орбитальных лазеров, ускоряющих корабль - это или пока теория, или строить слишком долго, у нас жесткие временные рамки.
А что у нас есть более мощного из испытанного хотя бы на земле? а это ядерные двигатели. Разновидностей у них масса но в целом можно разделить их на два типа. В первом типе, прямом нагреве рабочего тела, используется горячее ядерное топливо. Для примера возьмем уголь. Когда мы бросаем горящий уголь в ведро воды, весь процесс сопровождается не только паром, но и отлетающими частицами угля. Таким образом, вся реакция сопровождается выбросом радиоактивных частиц, что делает этот метод не только эффективным, но и потенциально опасным.Теперь перейдем ко второму типу – принципу чайника. Здесь мы используем более безопасный подход, чтобы избежать прямого контакта с топливом. Например, мы можем использовать ядерную лампу из сапфира. Этот метод подразумевает, что ядерное топливо нагревается, но не имеет непосредственного контакта с водой. Пар, который вылетает из носика, не несет с собой радиоактивных частиц, так как они остаются внутри лампы, и только энергия используется для создания тяги. Такой метод более безопасен и контролируем, что является важным фактором в разработке космических двигателей. И вот так, используя принцип чайника с ядерной лампой, мы можем создать эффективный и безопасный межзвездный двигатель. Круто, не так ли?"
Конечно двигатели с ядерной реакцией не ограничиваются только нагреванием рабочего тела до температур разрушения материалов есть например перспективная технология в создании пылевой плазмы в которой продукты распада наночастиц ядерного топлива ионизируются и выбрасывается через сопло создавая тягу которая теоретически позволит создать двигатель с удельным импульсом аж в в 1000000 с сравните это с 300 с у химических. В теории этот тип ядерных и термоядерных двигателей станет самым основным межпланетным двигателем но еще очень не скоро. А пока эти проекты есть пока только на бумаге…
Есть также проекты импульсных ядерных и термоядерных двигателей - это вообще сношекрышные аппараты, в которых мы, по сути, летим на взрыве. Всего то каждую секунду взрывать килотонный боезаряд, и мы летим феноменально быстро, очень круто, но нереально на сегодняшний день, даже если управлять этой безумной энергией с помощью магнитных полей. Просто представьте, сколько потребуется обогащенного урана вывести на орбиту, ведь 1 килотонна это примерно 700 грамм урана! А как его подрывать? Можно лазерным импульсом, но для его работы тоже нужно много энергии, так что придется ставить ядерный реактор на корабль и каким-то образом его охлаждать, да и лазеры должны выдерживать волну заряженных частиц и эми импульс от взрыва. Вывод - сейчас это просто нереально. К экзотике также сразу отнесем термоядерные прямоточные двигатели и их импульсные собратья - теоретически возможны, практически мы до них ОЧЕНЬ далеки.
Отлично, химии нам точно мало, да и ядерных не хватает для нашей задачи. Что же есть еще? А есть у нас электрические, ионные и плазменные двигатели - в целом, очень простые устройства, в которых тяга создается за счет ионизации рабочего газа. Хорошие решения, но тяга микроскопическая, а увеличить почти невозможно из-за особенностей конструкции, как, например, соприкосновение электродов с рабочим телом они просто сгорают.
Так что, мы не догоним космического гостя за нужный срок и не завезем туда пивка? А вот и нет, есть такая штука, как двигатель VASIMR - по сути, это плазменный двигатель, но плазма изолирована магнитными полями, а превращение вещества в плазму происходит по принципу микроволновки, без прямого контакта с рабочим телом!
Правда, двигатель нужной мощности жрет электроэнергии, как не в себя. Нужная мощность для данной миссии - около 200 мегаватт! Единственный источник энергии, подходящий под наши задачи - это ядерный реактор. Благо, небольшие реакторы такой мощности уже существуют, только как быть с охлаждением? Полную мощность двигателю придется выдавать около 30 дней при отправке миссии, а еще возвращение и торможение! Существующие системы радиаторов просто не подходят для этих целей. Опять тупик, но, вот на самом деле, есть один вариант - это конденсационные испарительные холодильники, где охлаждающая жидкость в виде капель вылетает в космос в носовой части, и уже отдавшая энергию в виде излучения улавливается в хвостовой части корабля, а затем перекачивается обратно. конечно важно чтобы солнце не нагревало капли но этот вопрос решаемый .
И так представим как будет выглядеть наш корабль: огромная ферма длинной не менее 150 метров. Впереди находиться силовая установка и диск конденсационного холодильника - испаритель. Далее на ферме топливные баки и баки с рабочим телом а также вспомогательное оборудование после него находиться диск приемник холодильника внизу этого диска жилой и двигательные модули. При необходимости можно превратить низ диска огромную карусель которая при вращении будет создавать центробежную силу а значить и гравитацию для челенов экипажа. Но как же радиация? для Полетов компании спейс икс была разработана система противорадиационной защиты на основе экрана из воды. Также у нас в достатке электроэнергии поэтому на легких выдвижных фермах находятся мощнейшие электромагниты которые позволяют отвести жесткое излучение а уж если что то проникнет дальше то оно увязнет в водяном щите. Что ж неплохой корабль получается на нем и астероид догнать и в качестве буксира использовать.
Так что осталось всего ничего - мобилизовать все человечество и за пару лет построить нужный нам корабль для доставки пива на космический скиталец :)