Плазменная двигательная установка VERA (Volume-Effective Rocket-propulsion Assembly) полностью готова к эксплуатации в реальных космических полётах. К такому выводу пришли сотрудники лаборатории плазменных ракетных двигателей института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ по завершении огневых испытаний установки в составе наноспутника формата CubeSat 3U.

Испытания позволили ученым проверить электромагнитную совместимость двигателя с остальными системами космического аппарата. В первую очередь, опасения исследователей вызывал приемник автоматической идентификационной системы (AIS), поскольку его антенна попадает в зону действия плазменной струи двигателя.

«По результатам испытаний мы не выявили никакого негативного влияния двигателя на системы спутника. Ни во время испытаний, ни при последующей тщательной проверке в лаборатории изготовителя мы не обнаружили никаких поломок или сбоев в работе электронных компонентов. Это значит, что двигательная установка полностью готова к эксплуатации в реальных космических полётах», – рассказал руководитель лаборатории плазменных двигателей Института ЛаПлаз Игорь Егоров.

Уже в этом году два плазменных двигателя полетят на ракете «Союз-2» на солнечно-синхронную орбиту. Их задача – разведение наноспутников, занимающихся отслеживанием перемещения морских судов в орбитальной плоскости для увеличения площади наблюдения.

Если два первых тестовых аппарата успешно пройдут испытания на орбите, в дальнейшем может быть создана группировка из десятков наноспутников, которая ежедневно будет собирать и передавать в центр управления данные о перемещении всех гражданских судов по всей площади Земли.
https://mephi.ru/press/news/18791

В результате мной в 15:40 по таймингу видеоряда было услышано о неком "Роторном магнитоплазменом двигателе".
Сначало я не понял что это за зверь такой. Полез гуглить, в результате, снова наткнулася на видео этого чувак, но уже 2ух-годичной свежести.
Вот:

Он предоставил инфу о двух разработках:
Патент №1 и Патент №2
На этом все.

ВНИМАНИЕ ВОПРОС!
Сколько достоверности в его словах?
И, пожалуйста, раз**бите его) разъясните мне, в чём ошибка и достоверность инфы, пожалуйста.

Прошу не кидайся тапками, посты я оформлять не умею, да орфография хромает)

Я таки настаиваю, что нужон. Современный мир – это мир долгосрочных исследования и долгосрочных инвестиций. Облигации выпускают на 20-30 лет. Программа луны написана на 20 лет вперед. Сейчас лаборатории Китая изучают материалы, которые найдут применение дай бог к концу века. Колонизация в этом плане уже просчитана, и в долгосрочной перспективе обеспечит человечество нужными ресурсами.

Сначала идёт этап исследований. Космос – темный лес. Сейчас тот этап, когда марсоходы только-только изучают, что там и как. Это этап фундаментальных исследований. А наша задача тоже вести свои исследования но в определенном русле, наша задача поиметь в конце концов бобло. Чтобы через сто лет на наших межпланетных кораблях стоял шильдик нашей компании, и деньги поступали на наш счет. Для этого нужно сделать колоссальный объем работы.

Первый этап фундаментальных исследований самый неблагодарный и дорогой+долгий, но даст нам основную долю знаний и информации.

В предыдущем посте люди просили конкретных расчетов. Их банально нет и не будет, потому что нет информации. Происхождение металлов известно – с астероидов, но более точных данных нет. С этим надо смириться. Любая инвестиция – это риск. Маск рисковал, испытывая многоразовые ракеты, его поливали грязью, но караван проехал дальше, риск окупился.

На сегодняшний день о составе, о точном местоположении, скорости, массы отдельных астероидов известно ну крайне мало. Цель этапа – получение инфы и отработка базовых технологий.

• Обученные, умные люди. Нужно зародить космическую геологию, нужны инженеры и менеджеры, способные развернуть дешевое и массовое производство космической техники. Нужны программисты, физики, астрономы.Нужно производство электроники, нужны новые материалы.

• Наземные станции для приема/отправки сигналов, исследовательские центры, наземные телескопы.

• Космический телескоп с нужными нам параметрами, который может регистрировать и отслеживать мелкие объекты (возможно с крайне низким альбедо) внутри солнечной системы в различном диапазоне/спектре. Многие объекты размером с пару метров и меньше, их нужно отследить. Будет печально врезаться в такой камень.

• Спутники-ретрансляторы На орбитах Венеры, Марса, Цереры, Спутников Юпитера, которые смогут проработать десятки лет. Это будут аппараты с ионными двигателями, солнечными панелями, хорошей радиозащитой и отказоустойчивостью. Дабы не тратить деньги впустую, это будут аппараты участвующие в других научных миссиях, возможно в связке со спускаемыми аппаратами. Они не только позволят отсылать сигнал, но и благодаря им будет корректироваться курс Автоматических межпланетных станций (АМС). Кроме того, последним придется тратить меньше энергии и времени на передачу сигнала.

Это даст нам примерно 7.2 км/с что достаточно для того, чтобы долететь до большинства астероидов в поясе. Если вести их до Марса в связке и запускать одновременно по 2-3 штуки к разным астероидам, то этого хватит не только долететь, но и вернуться до Земли. Использование гравитационных маневров сильно растянет время, но зато позволит существенно увеличить дельту.

А вот их вид и состав, да и научное оборудование будет различаться.

Что нам нужно? Понять, что внутри астероидов, а это значит оценить эффективность тех или иных научных приборов. Выявить закономерности из целого вороха поступающих данных: данные с телескопов, данные с научных приборов АМС. Построить идеальную, универсальную АМС, которая будет иметь идеальное соотношение веса/пользы. Нужно использовать разные материалы, разные движки (сравнить между собой ионики, спд, Холловские, на которых летают старлинки, и прочие.), разные сол. панели, разную электронику и её сборку и компоновку внутри.

После того, как будет найден золотой стандарт, можно будет заниматься миниатюризацией, увеличением эффективности и прочими полезными вещами.

Кроме того, взятие образцов. Это тоже неизведанная технология, надо научиться закрепляться на астероидах, научиться пробуриваться вовнутрь. Нужно отработать эффективность лазера/плазмы/взрыва(хаябуса-2, кстати, использовал микроподрыв, но судя по фоткам жалких крох, доставленных на землю, над этим ещё работать и работать) /Сверла/вибрации для бурения, отламывания и присвоения кусков астероидов. Разные породы имеют разную плотность/твёрдость, надо испытать различные варианты добычи.

Часть АМС останется в поясе и будут служить ретрансляторами, часть вернутся с образцами, кроме того, сами АМС должны вернутся для оценки их состояния после годовых перелетов. Для этого нужна орбитальная станция, чтоб их разобрали и в сложенном виде отправили на землю.

Кроме получения фундаментальных знаний, мы должны испытать Ядерную энергетику в космосе, систему лазерной связи, нюансы сборки аппаратов и конструкций на орбите.

По срокам это всё займет десятки лет. Банально, потому что все эти орбитальные маневры будут очень долгими, да ещё и результаты надо обработать.

В конце концов мы выявим закономерности. И уже можно будет ответить, где залегают ценные породы, на чем лучше сконцентрироваться: на мелких камнях или километровых астероидах

Будет сформирован перспективный облик АМС, которых можно делать десятками и на промышленной основе запускать в разные края. Также будут получены данные для ИИ, чтобы делать полёты максимально автономными.

Если начать сегодня, то окончание этапа придутся на конец 2040х. И то, если торопиться и не тупить слишком сильно. Делать многие вещи параллельно и переделывать/менять по ходу получения новых данных.Адекватно восринимать риск и сопутствующие неудачи. Иметь бесперебойное финансирование, отлаженный процесс производства и модернизации тех.процесса.

Со строительством новых заводов, исследовательских центров, инфраструктурой, запусками это вытянет на миллиарды баксов. Сложно оценивать, учитывая, что один телескоп может вытянуть на миллиарды баксов, а 10 запусков своих Хаябус это как 1 млрд, так и все 3, если сильно тупить и переделывать. На исследовательских миссиях к Марсу, Венере и тд можно сэкономить, объединяясь с другими странами.

Но это не безвозвратные траты. Инфраструктура и заводы будут приносить прибыль,

Ибо детали и электроника не уникальны и годятся для гражданки и военки. Научные данные стоят очень много, и толкнуть их можно либо напрямую через тысячи научных статей, либо бартером, протискиваясь в лунные и марсианские программы. Затраты на ученых по всяким законам экономики очень полезны и в принципе богоугодная вещь.

2. Этап. Промышленное исследование. Это сравнимо с первыми запусками Фалконов. Технологии уже есть, информация есть, опыт есть, инфраструктура есть, люди есть, надо объединить всё это и построить рабочую схему доставки ресурсов и получения с этого денег.

Естественно будет долго, дорого, аварийно, с ошибками, но это всё важная информация. Как я вижу добычу:

Мы выбрали себе цель, которая ещё не представляет, что с ней будет. У нас есть почти точный состав астероида. Нам нужен многотонный буксир, внутри которого будет оборудование для работы в вакууме, который в вакууме сможет на себя взволить ещё десятки тонн. Учитывая высокую плотность размеры каменюг займут всего пару кв. метров. Далее это надо доставить на Землю, либо Марс.

Тут 2 варианта.

1. На астероид надо доставить оборудования, либо кучу солнечных панелей, либо портативный реактор, кучу дронов, которые займутся его разборкой, возможно с переплавлением на месте и складированием, а в это время АМС летает от планеты к этому астероиду. Минусы в том, что не всегда орбиты будут комфортными и возможно придется лететь крайне долго, требуется высокая степень автоматизации. Фактически роботы должны уметь сами разворачивать шахты, в условиях практически нулевой гравитации. Знания эти универсальны, и после некоторой доработки пригодятся и в освоении Марса. Естественно по итогу всё это должно будет вернуться назад, глупо обменивать ценные приборы на сырые ресурсы.

2. Найти с десяток реально ценных «золотых жил», летать к ним, отпиливая кусок и доставляя его к людям. Возможно сначала будет этот вариант потом первый. Всё зависит от исследований на первом этапе.

Проблема в том, что тяга будет супер низкая(особенно так далеко от солнца). Для эффективных орбитальных маневров надо менять орбиты в апоцентре или перецентре, но тяга такая низкая и конструкция паруса не предполагает постоянного свертывания, что походу парус будет тормозить астероид на всём участке орбиты вокруг солнца. Орбита будет уменьшаться, время на это не ограничено, ресурсы не тратятся.

Но те, кто играл в КСП, понимают, что таким макаром можно банально промазать мимо планеты. Да и времени на это уйдет крайне много. Тяга такого огромного паруса будет всего пара Ньютонов(в лучшем случае огромного километрового паруса), что такое пара ньютонов для астероида весом в сотни тысяч и миллионы тонн? Да и даже если попасть в зону захвата Марса или Земли, Астероид за пару часов вылетит из нее. Значит на этом этапе надо подключать ракетные двигатели. Т.е. всё равно надо будет вести движки, топливо и строить на астероиде систему торможения. Вариант этот я отметаю из-за слишком большого дроча.(как минимум до момента реальных работающих образцов паруса)

В общем, первые 2. Скорее всего в ходе развития придем от второго к первому. Для этого нужны лазерные резаки, бурилки, роборуки, дрели, контейнеры, дроны. Нужны испытания. Пара полётов уйдет на то чтобы взять несколько моделей и проверить их работоспособность и эффективность, установив уже в поле. Заодно и научиться это делать. И нужен сам буксир.

Что из себя представляет буксир? Прочный каркас и сердцевина, не деградирующая от космической среды и переменных нагрузок. ядерный реактор на пару мегаватт, плазменные движки, баки с горючим, грузовой отсек. Кто-то писал про хранение энергии? Нафиг надо. Реактор будет работать всегда, да в основном в холостую, надо решить проблемы с эффективным излучением лишнего тепла. Но вопрос решаемый. Что имеем сейчас? ЯЭДУ в картинках. Планы РФ, планы Наса.

Но к 40м годам уж какая-нибудь страна его построит. Далее нам нужны плазменные движки.

Самый известный, о котором все знают это Vasimr, Электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом

Двигатель неплох, КПД больше 70%, можно развивать как и высокую тягу с низким удельным импульсом, так и наоборот низкую тягу с высоким удельным импульсом. Разница будет в поглощаемой на это дело энергией и с расходом топлива, нет особого износа компонентов. В общем для крупных и тяжелых кораблей это станет основной рабочей лошадкой в будущем (но это не точно).

Судя по статье на вики, корабли с такими движками должны иметь 15-25% топлива от массы корабля вместе с грузом.

Т.е. опять же по формуле Циолковского при удельном импульсе в 30000 кг*с, запас дельты будет 4-8.5 км/с в зависимости от топлива, если я правильно посчитал. При большем УИ можно делать ещё больший запас дельты, но меньшую тягу и наоборот. В этом и прикол этого движка.

Естественно, если испытывать и исследовать, то появятся движки с лучшими характеристиками, с меньшим расходом, с большим КПД.

Но пока что имеем, что условно на булыжник весом в 100 тонн+ баки с топливом+сам буксир, нужно потратить 10-15 тонн аргона для того, чтобы дотараканить его до земной орбиты. На самом деле не мало, но с другой стороны химические ракеты тратят сотни тонн смеси кислород+водород, чтоб просто выйти на орбиту.

Ну и нужны заводы для строительства, скорее всего такие конструкции надо собирать на орбите, там же проводить ТО, заправку и тд. Опять же все эти аргоны, ксеноны и прочие топливные газы лучше производить на Марсе или Луне, потому что банально вывести их оттуда проще. (Надеюсь они там есть, но если нет, то придется доставлять с Земли) В общем, всё это нужно испытать и отработать.

В конце этапа мы должны иметь несколько рабочих, близких к идеалу буксира, систему их производства и обслуживания, технологии для разработки астероидов, массовое производство АМС для исследования состава астероидов.

Всё это займет тоже не один десяток лет, зато создаст задел для целой отрасли.

Плюсом идет то, что космические технологии универсальны. Двигатели можно поставлять для других кораблей, буксиры сдавать в аренду Nasa, это не альтруизм, а реальный способ заработка.

Расчёты стоимости уже невозможны, так как характер экономики на таком горизонте не предсказуем. Это может быть как и супер дешево относительно сегодняшних цен из-за новых технологий, так и дорого из-за сложности и прочих факторов.

Третий этап: плановое производство.

Итак, на дворе 2070ые, большая часть из нас уже либо умрёт, либо станут стариками. На луне есть постоянная база, на Марс летают регулярные рейсы. В ООН обсуждают нюансы первой марсианской колонии. Идёт подкроватная грызня, передел власти. Разведанные месторождения добавляют масла в огонь. На орбите земли развёрнута искусственная зона обитания в которой трудится сотни людей, и обслуживаются как земные спутники, так и строятся межпланетные корабли. Вековой опыт полётов и развитие ИИ позволило сделать космические путешествия автономными.

Благодаря Исследованиям на предыдущем этапе у нас есть универсальный грузовик как для полётов на Марс, так и для полётов к астероидам.

У нас есть список особо ценных астероидов. Полёт к ним занимает 2-3 года. На сборку одного ядерного буксира с грузоподъемностью в сотню тонн уходит пол года. При таком раскладе за 10 лет будет произведено 20 штук. Этого катастрофически мало. Наша цель -  произвести сотни, значит основная задача этапа уменьшить время работы, затраты на производство, при увеличении характеристик самой техники. При таких объемах добыча платиновых металлов станет больше, чем суммарно на всей Земле. Железо, никель, и другие металлы активно используются для переплавки и строительства на земной орбите, Луне и Марсе.Космическое золото стало основным ресурсом для приборостроительных предприятий Луны.

Благодаря исследованиям АМС у нас есть инфа о сотнях астероидах, самое ценное естественно под грифом секретно, посредственные продаются другим энтузиастам.

Испытывается не только добыча и транспортировка металлов, но и углерода и воды для нужд колоний.

Начало 22го века. Проект с 80-летней историей можно считать успешным. Он полностью окупил себя и будет приносить прибыль ещё тысячи лет. Человечество затеяло амбициозные орбитальные строительства верфей и жилых модулей, развитие колоний и многие другие проекты, а мы обеспечим им ресурсы.

Вот как-то так.

Правительство России планирует в 2022-2024 годах выделить свыше 2,6 миллиарда рублей из госбюджета предприятию госкорпорации “Росатом” “Государственный научный центр Российской Федерации “Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований” (ТРИНИТИ) на строительство экспериментальной базы, необходимой, в том числе, для испытаний прототипов магнитоплазменных электрореактивных двигателей с повышенными характеристиками в условиях, имитирующих космос.

Проект постановления кабинета министров, разработанный Росатомом, опубликован во вторник на портале проектов нормативных актов. Согласно документу, общий объем инвестиций за счет средств федерального бюджета на проект реконструкции двух зданий ТРИНИТИ с созданием и размещением там испытательных стендов для электрореактивных двигателей и для мощного источника нейтронов в 2022-2024 годах составит 2,66 миллиарда рублей. Еще 296 миллионов рублей, как планируется, составят собственные средства ТРИНИТИ, и общий объем капитальных вложений в этот проект в 2021-2024 годах составит почти 3 миллиарда рублей.

Как отмечается в пояснительной записке к проекту постановления, в результате в ТРИНИТИ должен быть создан стендовый комплекс для испытаний импульсно-периодических электрореактивных двигателей (ЭРД) и для мощных источников нейтронов с выходом из дейтериевой плазмы до десяти в шестнадцатой степени нейтронов за импульс.

Испытательный стенд ЭРД будет предназначен для комплексных испытаний прототипов магнитоплазменных электрореактивных двигателей с повышенными характеристиками в условиях, имитирующих космическое пространство, говорится в материалах ТРИНИТИ, размещенных на сайте госзакупок.

Плазменный двигатель — разновидность электрического ракетного двигателя, расходуемое вещество которого получает ускорение в состоянии плазмы (ионизированного газа). В отличие от жидкостных двигателей, такие системы не предназначены для вывода грузов на орбиту, поскольку могут работать только в вакууме и сейчас используются, например, для удержания спутников на так называемой точке стояния. Кроме того, за счет уменьшения запасов рабочего тела при сравнительно высокой скорости его истечения, они рассматриваются как возможный способ совершения быстрых космических перелетов. Электропитание такого двигателя осуществляется от ядерной энергоустановки.

Государственный научный центр “Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований” входит в научный дивизион Росатома. Выполняет исследования в области управляемого термоядерного синтеза, физики плазмы, лазерной физики и техники. Уникальная экспериментально-стендовая база ТРИНИТИ позволяет получать результаты, имеющие важное научное и прикладное значение.

https://ria.ru/20201215/dvigateli-1589359369.html

Для чего в принципе нужны плазменные двигатели? У них есть пять возможных применений:

- ориентация космических аппаратов в пространстве (повороты вокруг осей);

- коррекция малых возмущений орбиты;

- небольшие орбитальные манёвры (например, уход с геостационарной орбиты на орбиту захоронения);

- переход между удалёнными орбитами (например, с геопереходной орбиты на геостационарную);

- полёты к другим телам Солнечной системы.

Чем плазменные двигатели тут лучше обычных химических, в частности жидкостных ракетных двигателей (ЖРД)? Главное преимущество — в удельном импульсе, т.е., грубо говоря, в той скорости, с которой двигатель выбрасывает реактивную струю.

Скорость струи ЖРД составляет от примерно 2 км/с, у простейших термокаталитических двигателей, до 4,5 км/с у лучших моделей двигателей, работающих на водороде и кислороде.

То, что для ЖРД является рекордным показателем, для плазменных двигателей — посредственный результат, характерный разве что для первых недоработанных прототипов. Как правило скорость струи плазменного двигателя находится на уровне 10 км/с и более. Некоторые двигатели обеспечивают 30-50 км/с. Предела тут по сути не существует! Скорость ограничена лишь тем, что чем она выше — тем больше электроэнергии двигатель тратит на создание той же тяги. Поэтому чрезмерный рост скорости не оправдан, для каждой ситуации есть некоторое оптимальное значение.

Но зачем нам вообще нужна высокая скорость реактивной струи, высокий удельный импульс? Для экономии массы.

Приведём простой пример: если США запускают спутник на геостационарную орбиту, то ракета выводит его сначала на так называемую геопереходную орбиту, а затем спутник уже самостоятельно добирается до геостационарной. Геопереходная орбита — это, как правило, эллиптическая орбита с высотой апогея 35 786 км, перигея где-то примерно 200 км (он не имеет большого значения, а потому может заметно отличаться для разных запусков) и наклонением, в случае Космического центра Кеннеди, 28,5°. Чтобы попасть с геопереходной орбиты на геостационарную спутнику нужно изменить свою скорость на 1,8 км/с. Типичный ЖРД, используемый для таких манёвров, имеет удельный импульс 3,2 км/с. Несложный расчёт по формуле Циолковского показывает, что спутник для такого манёвра должен сжечь 43% своей массы!

Но на перелёте до своей рабочей орбиты работа у двигателей спутника не заканчивается… За время своей работы им придётся суммарно изменить скорость аппарата ещё где-то на 0,5 км/с. Это нужно чтобы компенсировать всевозможные возмущения орбиты. Поэтому в итоге при использовании ЖРД более половины изначальной массы геостационарного спутника приходится на топливо для маневрирования. Учитывая цену вывода грузов в космос, желание сэкономить на топливе более чем понятно.

Ещё хуже дело обстоит с расходом топлива на полёты к другим телам Солнечной системы…

Поэтому ещё до полёта Гагарина уже начались наземные работы по разработке плазменных двигателей, а в середине 60-х годов они отправились покорять бескрайние просторы космоса.

Прототип АИПД в руках создателя — Виктора Александровича Храброва. 18.12.2008

30.11.1964 в космос по направлению к Марсу был запущен аппарат Зонд-2. Впервые в истории космический аппарат оснащался плазменными ракетными двигателями: на борту был установлен комплект из шести абляционных импульсных плазменных двигателей (АИПД), который мог обеспечивать ориентацию аппарата в пространстве.

Из-за проблем с раскрытием солнечных батарей плазменные двигатели стали по сути единственным успехом этой миссии: они отработали безупречно! Принципиально они могли бы даже спасти миссию: толчки от работы АИПД позволили раскрыть заевшую солнечную батарею. Но, увы, разрешение на использование этих экспериментальных двигателей было получено слишком поздно: руководство программы не доверяло им, так что разрешило включение только когда уже «похоронило» миссию, и шансов совершить манёвр для сближения с Марсом не оставалось.

Что же представлял из себя этот двигатель?

Внутренности первого плазменного двигателя и часть руки автора статьи

Чертёж первого плазменного двигателя

Конструкция у него была простейшая: два электрода да изолятор (кусок пластмассы, фторопласта) между ними. К электродам подключалось два конденсатора: один большой ёмкости на напряжение примерно в 1 кВ, а второй — очень малой ёмкости, но на десятки киловольт. Первый всегда соединён с электродами, а второй может замыкаться и размыкаться.

Когда мы замыкаем высоковольтный конденсатор на электроды, по поверхности изолятора происходит небольшой пробой, что-то сравнимое с искрой, зажигающей газ в кухонной плите. Далее в работу включается конденсатор большой ёмкости, который поддерживает и усиливает разряд. Тонкий слой поверхности изолятора мгновенно испаряется, превращается в плазму и с огромной скорости выбрасывается из двигателя.

Какие преимущества есть у плазменных двигателей такого типа? Их достаточно много:

1. предельная простота и, соответственно, дешевизна конструкции. В частности полностью отсутствуют как что-то отдельное системы хранения и подачи рабочего тела;

2. очень высокая надёжность;

3. возможность работы на самых разных рабочих телах (рабочим телом может служить даже простой камень!), если у нас стоит задача «использования местных ресурсов», а не получения наилучших характеристик;

4. компактность и малая масса;

5. отсутствие сжатых газов, токсичных, химически активных, пожароопасных и т.д. веществ, т.е. абсолютная безопасность двигателя в выключенном состоянии;

6. простота регулировки потребляемой мощности, работоспособность при сколь угодно малой мощности питания (можно заряжать конденсатор за десятую долю секунды, а можно — за десятки секунд).

Увы, есть и недостатки…

Во-первых, малый КПД, который у такого типа двигателей как правило составляет 8-15%.

Во-вторых, малый запас рабочего тела. Ведь у двигателя нет никакого внешнего бака с рабочим телом, всё, что есть — небольшое количество внутри самого двигателя. В результате для таких двигателей такой параметр как «удельный импульс» теряет смысл, вместо него используется «полный импульс» — произведение массы рабочего тела в двигателе на скорость его истечения. У конкретно самого первого двигателя эта величина находилась на уровне 1500 Н*с, что совсем немного.

Стоит заметить, что показанная выше конструкция была первой, но отнюдь не является единственно возможной. АИПД бывают весьма различными. Вот, например, современный АИПД-45-2, установленный на малом спутнике «Вернов»:

Двигатель АИПД-45-2, разработанный в МАИ

Как несложно заметить, изменение конструкции хоть и позволило в значительной мере преодолеть один из главных недостатков АИПД (малый полный импульс, здесь он 20 000 Н*с), но при этом исчез и ряд преимуществ: двигатель стал сложным и громоздким. Поэтому на данный момент АИПД не получили широкого распространения.

29.12.1971 в космос отправился спутник Метеор-1-10, на борту которого находилось выдающееся изобретение не менее выдающегося человека — стационарный плазменный двигатель (СПД) Алексея Ивановича Морозова.

Схема двигателя ЭОЛ-1, первого испытанного в космосе СПД

Работает такой двигатель достаточно «хитро»…

Магнитные катушки 2 совместно с магнитопроводом 3 создают радиальное магнитное поле, т.е. поле, направленное от центра двигателя к его краям (или от краёв к центру, это не принципиально).

Анод 1, на который подаётся напряжение в несколько сотен вольт, создаёт электрическое поле, направленное вдоль продольной оси двигателя. Это поле пытается притянуть к себе электроны, испускаемые нагретым катодом 7. Но радиальное магнитное поле «не пускает» электроны к аноду. Совместное действие электрического и магнитного полей приводит к тому, что электроны начинают двигаться по окружности вокруг продольной оси двигателя, создавая так называемый холловский ток (из-за чего СПД ещё называется холловским двигателем). Вернее это в среднем они двигаются вокруг оси, а точная траектория электронов очень сложна.

Теперь начнём напускать в двигатель в район анода газ… Бегающие в двигателе электроны будут сталкиваться с атомами этого газа и ионизировать его. Столкнувшиеся с газом электроны сходят со своей траектории и «падают» на анод, а образовавшиеся ионы газа отталкиваются от положительно заряженного анода и разгоняются до высокой скорости, подхватывают своим положительным зарядом электроны, испущенные катодом, и в виде нейтральной плазмы выбрасываются из двигателя. У серийных СПД скорость плазмы составляет от 8,5 до 17,5 км/с. У опытных моделей может превышать 30 км/с.

На практике в качестве рабочего газа почти всегда используется ксенон, т.к. он имеет большую плотность (его относительно легко хранить), легко ионизируется и имеет ряд других преимуществ.

Если вы сегодня услышите, что новый космический аппарат оснащён плазменными двигателями, то почти наверняка это будут именно СПД. Несмотря на многообразие других типов, в том числе существование других вариантов холловских двигателей, описанный выше СПД занимает почти что монопольное положение среди плазменных ракетных двигателей, кода речь заходит не о лабораторных испытаниях, а о реальных космических полётах.

Большинство СПД выпущено нашим отечественным ОКБ «Факел». Уже почти полувековой опыт российских специалистов вызывает доверие у разработчиков космических аппаратов по всему миру. Не меньше доверия они вызывают и у страховых компаний: установите плазменный двигатель любого иного типа, нежели СПД от Факела или его лицензионной копии от французской Snecma, и стоимость страховки космического аппарата сразу возрастёт!

СПД осуществляют небольшую коррекцию орбит спутников, они же перевели некоторые из них с геопереходной орбиты на геостационарную. СПД доставил европейский зонд Smart-1 с околоземной орбиты к Луне. Мощность серийных СПД находится в диапазоне от всего пары сотен ватт до нескольких киловатт, что перекрывает практически все современные потребности.

Вот так выглядит работа массовых российских двигателей СПД-70 в космосе (начиная с 55-й секунды видео):

Что же, с прошлым и настоящим плазменных двигателей мы, похоже, разобрались. Но как на счёт будущего?..

Будущее у них связано с двумя диаметрально противоположными направлениями:

- двигатели для наноспутников (космических аппаратов массой в пределах 10 кг);

- высокомощные двигатели для больших орбитальных манёвров и полётов к другим телам Солнечной системы.

Ещё совсем недавно, 7-8 лет назад, спутник массой в сотню-другую килограмм казался очень маленьким, из серии «куда уж меньше». Но затем приобрели популярность спутники CubeSat…

CubeSat — это стандарт на размеры, форму и массу космических аппаратов. Стандартизация этих параметров позволяет очень легко и дёшево запускать совместно со «взрослым» спутником массой в тонны множество маленьких «детских» спутников.

Все CubeSat представляют собой прямоугольные параллелепипеды. Есть шесть официально стандартизованных размеров CubeSat: 1U, 1.5U 2U, 3U, 3U+ и отдельно 6U. Иногда встречаются «пикоспутники» типа 0.25U, а также идут работы над «большими» 8U, 12U и 16U, но авторы исходной концепции CubeSat подобных размеров в стандарт не заложили (возможно, что только пока).

1U — это почти кубик с размерами 100x100x113,5 мм (из них только 100x100x100 мм доступны для полезной нагрузки) и массой не более 1,33 кг. 1.5U — 100x100x170,2 мм массой до 2 кг. 2U — 100x100x227 мм массой до 2,66 кг. 3U — 100x100x340,5 мм массой до 4 кг. 3U+ — тоже, что и 3U, но с дополнительным цилиндрическим объёмом диаметром 64 мм и длиной 36 мм на одном из торцов. Наконец, 6U — это 100×226,3×366 мм при массе до 12 кг.

Самыми массовыми стали спутники стандарта CubeSat 3U и 3U+: таких спутников запущено уже более семи сотен! Чтобы лучше понимать, что такое 3U, стоит взглянуть на спутник в руках человека:

Спутник АмГУ-1 стандарта CubeSat 3U

Это реально крошечные спутники!

С малыми размерами и стандартизацией пришло радикальное снижение цены: теперь сделать свой спутник не дороже, чем купить легковой автомобиль. Дошло до того, что спутники делают даже школьники! Ученики образовательного центра Сириус в Сочи собрали два спутника на основе платформы размера CubeSat 1U, которые затем доставили на борт МКС, откуда космонавты запустили их в самостоятельный полёт.

Но, не смотря на размеры, некоторые из CubeSat выполняют серьёзные задачи, например — дистанционное зондирование Земли. А для выполнения серьёзных задач спутникам зачастую нужна двигательная установка. Особенно если вспомнить, что такие спутники выводят на орбиту совместно с другими, более тяжёлыми, зачастую сразу большую группу. А это значит, что разработчики аппаратов CubeSat не имеют возможности заказать вывод именно на те орбиты, которые им нужны.

Крошечный размер спутника, а с ним и ограничения на доступную электрическую мощность (на маленьком спутнике мала и площадь солнечных батарей), уже сами по себе являются вызовом. Но задача дополнительно усложняется требованиями к безопасности: никто не хочет потерять основной спутник ценой в десятки миллионов долларов из-за протечки гидразина или взрыва баллона высокого давления на вашей крохе! Тем более никто не позволит вам доставить токсичные и взрывоопасные устройства на МКС. А запуск с борта МКС является весьма распространённым вариантом для CubeSat…

В таких условиях внезапно вновь стали актуальными АИПД.

Идея создать АИПД для CubeSat 3U, 3U+ и 6U появилась у меня ещё в начале 2017-го года. Наиболее активная теоретическая проработка шла в начале прошлого, 2019-го, года. В то время у нас на кафедре Физики Плазмы МИФИ обсуждался вопрос создания наноспутника CubeSat 3U для мониторинга полярных сияний. И шансов, что кто-то отправит на оптимальную для нас орбиту большой спутник, чтобы «сесть ему на хвост», почти не было. А значит нужен двигатель для совершения орбитального манёвра…

Увы, в ходе обсуждения всех желаемых параметров спутника он начал быстро дорожать, что уже снижало шансы на его постройку, а потом и вовсе перестал умещаться в габариты 3U. Переход же к 6U — это не только дополнительный рост цены, но и резкое снижение шансов на бесплатный запуск. Да-да: Роскосмос бесплатно запускает студенческие спутники CubeSat! Но чем больше спутник — тем менее охотно… Так что пока от этого проекта отказались.

Но идея создания двигателя для наноспутников не умерла вместе с этим проектом. Он нашёл одобрение и поддержку у компании Спутникс, занимающейся разработкой и производством спутниковых платформ и компонентов космических аппаратов. Совместно со специалистами компании был определён комплекс требований к двигателю:

- размеры не более 85x85x55 мм;

- масса не более 0,5 кг;

- потребляемая мощность не более 3 Вт;

- полный импульс не менее 200 Н*с (чем больше — тем лучше).

Примерный облик этого двигателя таков:

Проект АИПД для спутников формата CubeSat

Хотя финансирование на разработку практически не выделялось, за прошлый год удалось создать вакуумный стенд для испытаний двигателя.

Вакуумный стенд для испытаний АИПД сверхмалого размера

В этом году были начаты работы по изготовлению непосредственно самого двигателя. Увы, существенно замедленные пандемией…

Тем не менее, работы не остановились полностью! Например, День Космонавтики был отпразднован в «самоизоляции» изготовлением из вольфрам-лантанового сплава катода для АИПД:

Готовый вольфрам-лантановый полый катод

Сборка из катода, изолятора/рабочего тела и анода АИПД

Конечно, до готового двигателя ещё далеко. Более того, двигателей нужно будет изготовить несколько, т.к. нужно проверить различные рабочие тела, в пригодности «классического» фторопласта есть большие сомнения.

Что не так с фторопластом? Согласно литературным источникам при снижении разрядного тока и увеличении продолжительности разряда он покрывается слоем графита, который замыкает накоротко электроды. А в этом двигателе как раз планируется относительно длительный (сотни микросекунд) разряд с весьма незначительным (несколько килоампер) током…

Вообще, основные особенности этого двигателя — магнитная система и электролитические конденсаторы.

Обычно в АИПД магнитное поле, ускоряющее плазму, создаётся только разрядным током, который составляет десятки килоампер или даже более. Для создания такого большого тока требуются импульсные конденсаторы, отличающиеся не самой высокой удельной энергоёмкостью. А значит они получаются большими и тяжёлыми.

Электролитические конденсаторы имеют очень компактные размеры и малую массу, но с токами более нескольких тысяч ампер справляются плохо… При таком низком токе магнитное поле самого разряда получилось бы недостаточным для эффективной работы.

Решением видится внешняя магнитная система, которая заодно станет индуктивным сопротивлением, не дающим току вырасти до недопустимой для конденсаторов величины. При этом, разумеется, возрастёт длительность импульса.

Решение потенциально очень хорошее, но, как уже было сказано выше, скорее всего потребует поиска другого рабочего тела, свободного от проблемы науглероживания.

Разумеется, АИПД — это не единственный вариант двигателя для спутников CubeSat. Множество научных групп по всему миру активно ведут разработки. И пока никто не может сказать наверняка, кто из нас создаст «двигатель будущего». Ясно лишь одно: компактный, лёгкий и безопасный двигатель с большим полным импульсом найдёт огромный спрос среди разработчиков наноспутников. Возможно, нас будет ждать настоящая нанореволюция в освоении космического пространства, когда большинство задач, ранее решавшихся аппаратами весом в сотни и тысячи килограмм, возьмут на себя CubeSat 3U и 6U.

Но полностью большие космические аппараты определённо не исчезнут. Например, CubeSat может долететь до Марса (и два аппарата это уже даже сделали!), но не совершить мягкую посадку на его поверхность… Ряд других задач тоже принципиально требует большого и тяжёлого аппарата. Что с двигателями для них?

Уже сейчас наблюдается некоторая нехватка мощности плазменных двигателей: геостационарные спутники имеют по 10-20 кВт доступной электрической мощности, а самые мощные серийные СПД едва достигают 5 кВт. Если спутник использует плазменный двигатель для выхода на рабочую орбиту, то приходится устанавливать сразу множество СПД, работающих одновременно.

Весьма перспективным выглядит вариант вывода геостационарных спутников не на геопереходную орбиту, а на низкую опорную (НОО), с которой они бы уже на плазменных двигателях летели выше. Либо самостоятельно, либо используя межорбитальный буксир. Ведь полезная нагрузка ракеты на НОО в несколько раз выше, чем на геопереходную! Но для этого потребуются двигатели мощностью в десятки или даже сотни киловатт.

Строительство обитаемой станции на Лунной орбите или базы на её поверхности тоже создаёт потребность в плазменных двигателях на десятки-сотни киловатт.

Освоение Марса? Тут найдётся работа для плазменных двигателей во многие мегаватты! Это понимал ещё Сергей Павлович Королёв, а потому им были санкционированы работы над магнитоплазмодинамическими (МПД) двигателями высокой мощности.

Что это за двигатели такие? Ну, в простейшем случае это всего лишь два электрода: катод по центру и труба-анод вокруг него. В более совершенном варианте добавляется ещё магнитная катушка вокруг анода:

Схема работы МПД двигателя с внешним магнитным полем

Впрочем, профиль анода может сильно отличаться от просто прямой трубы. Да и катод может быть более сложным, чем просто сплошной стержень. Часто в нём делается канал или множество каналов, через которые в двигатель подаётся рабочее тело. В отечественной литературе такую разновидность МПД двигателя, при условии наличия внешней магнитной системы (той самой катушки вокруг анода), часто называют торцевым холловским двигателем.

Принцип работы МПД двигателя «в двух словах» таков: между анодом и катодом через плазму течёт ток (от сотен до десятков тысяч ампер). Этот ток, взаимодействуя как со своим собственным магнитным полем, так и с полем внешней магнитной системы, создаёт силу, которая разгонят плазму вдоль продольной оси двигателя. Скорость плазмы на выходе составляет 20-60 км/с или даже более.

Увы, МПД двигатели всё ещё остаются сугубо «двигателями будущего»: несколько раз они летали в космос в качестве эксперимента, но ни разу ни один аппарат не использовал их для реального маневрирования.

Главная проблема — потребляемая мощность. МПД двигатели наиболее эффективны при мощностях от сотен киловатт и выше. При использовании внешней магнитной системы мощность может быть снижена до 10-20 кВт, что уже доступно для тяжёлых геостационарных спутников, но сама магнитная система тоже потребляет энергию… Так, например, в Штутгартском университете создали МПД двигатель, эффективно работающий при мощностях от 30 до 100 кВт. Но его магнитная система с полем 0,4 Тл потребляет 270 кВт!

Вторая проблема — ресурс… Если СПД легко работают более 5000 часов в реальном космическом полёте, то рекорд стендовых испытаний МПД двигателей составляет 500 часов. Решением проблемы, кстати, тоже является внешнее магнитное поле, т.к. оно позволяет значительно снизить нагрузку на электроды двигателя.

Так что же, перспектив нет? Для длительной эффективной работы нужны магнитные поля, на создание которых тратится в разы больше энергии, чем непосредственно на работу двигателя… Перспективы есть!

В 2000-х годах началось производство высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) лент второго поколения, которые сделали возможными мощные и компактные магнитные системы с очень малым энергопотреблением.

В частности выпуск таких лент освоила московская компания СуперОкс. Она же несколько лет назад взялась за разработку МПД двигателя с ВТСП магнитной системой, для чего был приглашён я.

За эти годы была с нуля создана лаборатория плазменных двигателей и вакуумный стенд для их испытаний.

Стенд для испытаний МПД двигателей с ВТСП магнитной системой

Путём длительных проб и ошибок был разработан собственно сам МПД двигатель

Последний прототип МПД двигателя, рассчитанного на работу с ВТСП магнитном

Поднимитесь к самому началу статьи: первая иллюстрация — это как раз испытания этого двигателя. Ну а в динамике его испытания можно увидеть тут:

Удельный импульс двигателя получился около 35-40 км/с, КПД — более 50%, потребляемая мощность — 15-20 кВт (приемлемая для тяжёлых спутников), тяга — на уровне 0,5 Н. При снижении удельного импульса можно получить тягу и в 1 Н. На создание внешнего магнитного поля в 0,4 Тл расходуется менее 1 кВт!

Всё ли тут прекрасно? Нет, на самом деле работы ещё очень-очень много. В начале этого года представители СупеОкс приехали в НИЯУ МИФИ, а представители кафедры Физики Плазмы МИФИ ездили в СуперОкс. Прошли переговоры о переносе лаборатории и стенда в МИФИ для продолжения работы на более высоком уровне. Увы, пандемия остановила этот процесс, и остаётся только надеяться, что через месяц-два его получится продолжить.

Кстати, внимательный читатель наверняка заметил схожесть между МПД двигателем с внешней магнитной системой и АИПД для наноспутников… Идея последнего пришла из сочетания работы над МПД двигателем и личного знакомства с изобретателем АИПД Виктором Храбровым.

Но не МПД единым! Есть и другие проекты плазменных двигателей высокой мощности.

Наиболее известным из них, безусловно, является безэлектродный двигатель VASIMR компании Ad Astra.

Схема плазменного ракетного двигателя VASIMR

Суть этого двигателя в следующем:

- с помощью сверхпроводящей (да, опять сверхпроводники) магнитной системы в двигателе создаётся продольное магнитное поле;

- с одного конца в двигатель напускается газ — рабочее тело;

- возле того же конца создаётся вращающееся электрическое поле с частотой, равной частоте вращения электронов в магнитном поле двигателя. Так называемый электрон-циклотронный резонанс;

- ускоренные электрическим полем электроны сталкиваются с атомами газа и ионизируют их, создавая плазму;

- в средней части двигателя создаётся вращающееся электрическое поле с частотой, равной частоте вращения ионов в магнитном поле двигателя. Ион-циклотронный резонанс;

- ионы разгоняются электрическим полем до больших скоростей. Однако скорость при этом направлена перпендикулярно оси двигателя. Ионы вращаются, но никуда не улетают, тяги не создают;

- в задней части двигателя создаётся расходящееся магнитное поле — магнитное сопло. Оно преобразует вращение ионов в движение вдоль оси, создаёт тягу.

Двигатель такого типа имеет потенциально неограниченный ресурс, его мощность может составлять от десятков киловатт до многих мегаватт, КПД превышает 70%, удельный импульс регулируется от 30 до 300 км/с.

Увидеть VASIMR в деле можно тут:

Всё в этом двигателе хорошо. Только вот он получается большим, тяжёлым и очень сложным…

Другая очень перспективная разработка в области мощных плазменных двигателей — это коаксиальный СПД от NASA, модель X3.

Коаксиальный СПД NASA X3

Как можно видеть на фотографии, X3 — это как бы три СПД, вложенных один в другой. Все три разрядных канала имеют независимое питание, что позволяет включить любой из них в отдельности, любую пару или все три сразу. А это даёт широчайшие возможности по регулировке мощности: от 5 до 100 кВт! Тяга при этом меняется от 0,35 до 5,4 Н. Вполне обычный для СПД КПД на уровне 55-65%. Удельный импульс может регулироваться от 18 до 26 км/с.

Двигатель NASA X3 при работе всех разрядных каналов

Учитывая огромный опыт эксплуатации на орбите сотен СПД, можно рассчитывать, что двигатель X3 будет иметь весьма высокие ресурс и надёжность. Впрочем, есть некоторые вопросы на счёт того, хватит ли у керамической конструкции диаметром аж 80 см и массой в сотни килограмм прочности чтобы выдержать запуск на ракете-носителе.

Ну что же, на этом пока всё. Не прекращайте осваивать космос!

Автор статьи внутри вакуумной камеры с прототипом МПД двигателя и ВТСП магнитной системой

источник