Инженер НАСА Дэвид Бёрнс сделал смелое заявление о том, что он разработал новый революционный тип двигателя для космических кораблей.

Принцип работы устройства, которое автор назвал «спиральный двигатель», основан на концепции, якобы «способной нарушать законы физики».

«Сам двигатель сможет развивать до 99% от скорости света, если у вас будет достаточно времени и мощности», - заявляет Бёрнс.

Двигатель, описанный в Бёрнсом в статье, опубликованной на сервере НАСА, использует известную зависимость эйнштейновской теории относительности, согласно которой масса объекта, движущегося со скоростью близкой к световой, увеличивается.

Однако, сам принцип действия двигателя основан на вполне ньютоновской физике: каждому действию всегда соответствует равное и противоположное по направлению противодействие. Бёрнс иллюстрирует этот принцип следующим образом. Если груз будет двигаться вдоль прямой оси внутри полого контейнера, который одновременно является корпусом двигателя, то, ударяясь о его торцевые стенки, он будет двигать его вперед и назад. Важным условием здесь является отсутствие трения, иначе это возвратно-поступательное движение когда-нибудь затухнет.

Поэтому Бёрнс дополнил этот элементарный эксперимент двумя гипотетическими усовершенствованиями.

Во-первых, перенеся мысленно этот «двигатель» в условия безвоздушного космоса он избавился от внешнего трения,

и, во-вторых, вместо твердотельного груза он предложил использовать ускоритель частиц.

Тогда, при движении в одном направлении масса ионов, запущенных ускорителем по спирали, будет увеличиваться с ростом их скорости до того момента, как они отразятся от стенки контейнера в обратном направлении. При этом, в момент столкновения они передадут импульс движения контейнеру.

Движение в противоположную сторону будет сопровождаться снижением скорости частиц и, как следствие, уменьшением их массы, что задаст меньший тормозящий импульс при столкновении с противоположной стенкой контейнера.

Многократное повторение этого цикла позволит разогнать двигатель, как считает автор идеи, до скорости близкой к скорости света.

Даже если двигатель заработает на практике, у него будут очень серьезные недостатки.

По рассчетам Бёрнса спиральный двигатель должен быть длиной около 200 метров и диаметром около 12 метров,

и при этом он будет генерировать примерно столько же мощности, сколько необходимо для печатания на клавиатуре.

Поэтому, даже если Бёрнс прав, и его двигатель может разогнаться почти до скорости света, то это займет очень много времени.

Технологию, позволяющую многократно останавливать, а потом вновь запускать твердотопливные ракетные двигатели разработали в Лос-Аламосской национальной лаборатории. Об этом 27 апреля сообщил портал Space.com.

Твердотопливные ракетные двигатели, выполненные по новой технологии, предполагается использовать на спутниках. Проект финансирует Лос-Аламосская национальная лаборатория.

Николас Даллманн, инженер-исследователь Лос-Аламосской национальной лаборатории, рассказал, что ракетные твердотопливные двигатели (РДТТ) дешевле, мощнее и безопаснее, чем жидкостные ракетные двигатели. Однако, «у твердого ракетного топлива есть один огромный недостаток: его нельзя остановить и перезапустить».

Из-за этого РДТТ не могут быть использованы для осуществления маневров спутников, — добавил он.

Однако Лос-Аламосской национальной лаборатории удалось решить эту проблему.

«Недавно мы разработали и продемонстрировали способность многократно останавливать и перезапускать твердотопливные ракетные двигатели — то, что никогда не делалось раньше», — заявил Даллманн.

РДТТ включает в себя камеру сгорания, содержащую систему зажигания и топливо, а также сопло.

«Недавно мы разработали более безопасную топливную систему с разделенным твердым топливом и твердым окислителем. Однако для того, чтобы сделать нашу твердотопливную ракетную систему способной останавливаться и перезапускаться, нам нужно было разработать многоразовую систему зажигания и способ тушения горения», — отметил Даллманн.

«Наша система имеет небольшой резервуар с водой. Непосредственно перед запуском, электролизер разделяет воду на водород и кислород. В момент воспламенения водород и кислород будут впрыскиваться в камеру сгорания и зажигаться искрой. Пламя воспламеняет твердое топливо», — рассказал инженер.

«Быстрая декомпрессия камеры заставит заряд погаснуть. В прошлом году мы разработали аэрозольную форсунку с управляемой дроссельной зоной. После того, как РДТТ обеспечит желаемое изменение скорости, дроссель будет открыт, давление в камере упадет и заряд погаснет», — добавил он.

«Недавно мы продемонстрировали несколько независимых запусков одного РДТТ на статических испытательных стендах в Лос-Аламосе. Следующая цель — демонстрация на орбите. Сейчас мы работаем над усовершенствованием нашей системы и ищем возможность для демонстрации», — подвел итог Даллманн.

ИА Красная Весна

Привет всем подписчикам сообщества SpaceX!

Томас Мюллер (Thomas Mueller): Когда мы начинали в SpaceX, мы назвали наш двигатель ускорителя просто 60 К, но после того, как мы его запустили, Илон сказал мне придумать название для него, которое не было цифрами и буквами (например, RD-180, RS-68, так далее). Одна из сотрудниц работавших над турбонасосом из Barber Nichols, была сокольником, и она предложила назвать его в честь сокола. Я подумал, что это звучит хорошо, поэтому я спросил её, как называют разных соколов. Она назвала виды, я не могу вспомнить их всех, но я помню, что kestrel (пустельга) - маленький сокол, merlin (дербник) - сокол чуть большего размера, а сапсан и кречет - большие соколы. Прекрасно подумал я, мы назовем маленький двигатель второй ступени Kestrel, двигатель среднего размера Merlin. Я знал, что в будущем мы разработаем большие двигатели, поэтому я планировал зарезервировать сапсана на потом. Илону понравилось название и оно осталось.

Merlin

Спустя годы мы начали работу над ракетным двигателем замкнутой схемы, который отличался от двигателя Merlin, поэтому я думал назвать его Eagle или чего-то вроде этого. В конце концов я придумал название Raptor, которое является общим определением пернатых хищных птиц, включая орлов, ястребов, соколов и сов. Нет, он не назван в честь динозавра! Мы выбрали его как название двигателей для BFR.

Этот текст был напечатан на моем телефоне в аэропорту Орландо на обратном пути после тестового запуска Falcon Heavy, где 28 двигателей Merlin отлично справились со своей работой!

Raptor

Elon Musk: Это также из-за того что двигатель самолёта Supermarine Spitfire [ред. - британский истребитель времён Второй мировой войны] назывался Merlin. А ещё так звали советника и наставника короля Артура из британских легенд.

источник / источник

Привет всем подписчикам сообщества SpaceX!

— Двигатель второй ступени ракеты Falcon 9 в нашей штаб-квартире в Хоторне перед отправкой в Техас - это 100-й двигатель второй ступени, созданный компанией SpaceX! (твит)

— Группа специалистов по разработке ракетной техники SpaceX в МакГрегоре, штат Техас, сегодня завершила статический огневой тест первой ступени Falcon 9, которая запустит первую рабочую миссию на корабле Crew Dragon (Crew-1) с 3 астронавтами NASA и одним японским астронавтом на борту в конце этого года (твит)

— Ранее на этой неделе команда в МакГрегоре также провела статическое огневое испытание двигателя второй ступени ракеты Falcon 9 для миссии Crew-1, которая выведет Crew Dragon к МКС после отделения первой ступени, которая отправится на Землю (твит)

источник

На великолепном снимке Ивана Тимошенко и Павла Швеца запечатлены первые секунды после старта 7 февраля 2020 года с космодрома Байконур ракеты-носителя «Союз-2.1Б», которая вывела на орбиту очередную порцию спутников проекта OneWeb. На фото мы видим первую ступень трехступенчатой ракеты с работающими жидкостными ракетными двигателями РД-107 (в четырех боковых блоках) и РД-108 (в центральном блоке).

Тридцать два сопла порождают завораживающе красивую картину истечения реактивных струй. Как устроены эти струи и почему они имеют такую сложную форму?

В ракетном двигателе топливо, сжигаемое в камере сгорания, превращается в очень горячий сжатый газ, который вылетает через сопло, создавая реактивную силу тяги. В жидкостных ракетных двигателях горючее и окислитель (топливная пара) подаются под большим давлением в форсунки, расположенные в начале камеры сгорания. Смешивая компоненты, форсунки распыляют топливо в камеру сгорания, где в процессе горения происходит преобразование запасенной в топливе химической энергии в энергию сжатия и тепла. Получившийся раскаленный газ устремляется в реактивное сопло. Сужающаяся дозвуковая часть сопла ускоряет поток, и в самой узкой части сопла — критическом сечении — он приобретает скорость звука. Далее поток оказывается в расширяющейся части, становится сверхзвуковым и продолжает разгоняться до самого среза сопла. Истечение этой струи порождает реактивную силу в обратном направлении: она составляет основную часть силы тяги двигателя. Тяга всех двигателей складывается в тягу ступени, разгоняющую ракету. Двигатели РД-107 имеют четыре основные камеры сгорания и две небольшие рулевые камеры, у центрального РД-108 четыре основные и четыре рулевые камеры. Горючим для них служит керосин, а окислителем — жидкий кислород.

Схема работы жидкостного ракетного двигателя

Итак, из сопел ракетного двигателя вырываются раскаленные газовые струи. Но что именно мы видим как языки яркого пламени? Кажется, что они вылетают изнутри сопел, но это не так: пламя возникает только на срезе сопла, и чуть ниже мы разберемся, как это происходит. Вообще, такое яркое пламя наблюдается только на Земле (точнее, в кислородной атмосфере). Если бы можно было посмотреть на старт аналогичной ракеты с любого другого тела Солнечной системы, то были бы видны только бледные тусклые струи — и никакого слепящего огня. Всё дело в догорании в земной атмосфере остатков керосина и сажи, образовавшейся в камере сгорания.

Большинство форсунок камеры сгорания двухкомпонентные — в них одновременно поступают и керосин, и кислород. Они образуют девять плотных концентрических кругов, чтобы сжигать как можно больше топлива в единицу времени (а чем больше расход топлива в ракетном двигателе, тем выше его тяга). А вот форсунки самого внешнего, десятого, круга — однокомпонентные, в них подается только керосин. Распыляя его вдоль стенки камеры сгорания, форсунки создают защитную газожидкостную пленку, снижающую температуру и защищающую тем самым стенку от прогорания. Распыленному периферийными форсунками керосину не хватает кислорода, поэтому он сгорает не полностью, а частично испаряется или термически разлагается до чистого углерода. Эти керосиновые пары и углеродная сажа образуют периферийный слой «выхлопной» струи, который обогащен горючими веществами. Поскольку температура струи на выходе из сопла составляет около 1700°C, при доступе к атмосферному кислороду в этом слое начинается горение — его мы и видим как яркие желтые языки пламени. Во внутренней же части струи керосин, сгорающий с достаточным количеством кислорода, в конечном итоге разлагается на невидимые в раскаленном состоянии водяной пар и углекислый газ. Получается, что выхлопная струя ракетного двигателя светит только своей поверхностью.

Но почему поверхность струи светится не равномерно? На ней явно видны яркие полосы и тонкие волокна, разделенные темными «щелями». Атмосферный воздух, затягиваемый движением струи, подсасывается к срезу сопла не ровным и плавным боковым течением. Напротив, он устремляется к кромке сопла с такой силой, что закручивается в многочисленные отдельные вихри, которые усиливают приток кислорода в местах встречи с краем сопла. Сгорание в этих местах становится более интенсивным и ярким, а огромная скорость струи растягивает пятна усиленного горения в почти ровные яркие полосы.

Старт ракеты-носителя «Союз-2.1А» с транспортным грузовым кораблем «Прогресс МС-11» в качестве полезной нагрузки 4 апреля 2019 года. Хорошо заметны яркие продольные полосы на истекающей из сопел струе. Также видно, что сама струя на выходе из сопла прозрачная — почти везде можно без труда разглядеть дальнюю кромку сопла

Хорошо заметно, что сразу после выхода из сопла струи начинают сужаться. Это значит, что струя выходит наружу перерасширенной. Двигаясь в сверхзвуковой части реактивного сопла, поток газа расширяется и разгоняется, но при этом падают его температура и давление. Расширение сильное, в 19 раз (степень расширения — это отношение площади среза сопла к площади критического сечения). Из-за этого давление на срезе сопла составляет около 0,4 атм, и окружающий воздух (у которого давление равно 1 атм) обжимает струю, сужая ее.

На высоте около десяти километров давление на срезе сопла сравняется с атмосферным и струя станет выходить ровно, строго цилиндрически. Это расчетный режим истечения, оптимальный с точки зрения газодинамики, поскольку нет ни стартового перерасширения (при котором атмосфера создает на срезе сопла встречный потоку перепад давления, противодействующий истечению), ни высотного недорасширения. Недорасширение начнется на больших высотах: там атмосферное давление еще ниже, поэтому давление струи на срезе сопла станет больше атмосферного. Из-за этого она продолжит расширяться за соплом, но полезную работу без контакта со стенкой сопла совершать уже не будет.

Из-за перерасширения струя после выхода из сопла имеет форму перевернутого усеченного конуса. В самом узком месте видно яркое поперечное кольцо, после которого струя снова расширяется. На третьем фото можно насчитать по несколько таких ярких колец и циклов сужения-расширения. Эти кольца — диски Маха — представляют собой ударно-волновые уплотнения в истекающей струе, вызванные взаимодействием с атмосферным воздухом. При сужении сверхзвуковая струя тормозится, в ней возникает прямой скачок уплотнения. Важно подчеркнуть, что это торможение не связано с трением об окружающий воздух: здесь происходит геометрическое сужение течения и чисто газодинамическое торможение сверхзвукового потока в сужающемся канале. Из-за сжатия газ разогревается, что усиливает сгорание остатков горючего, — это и приводит к локальному усилению яркости струи. Области повышенной яркости имеют кольцевую форму из-за сочетания уже описанных эффектов: остатки керосина и сажа по-прежнему сосредоточены на периферии «выхлопной» струи, туда же подмешивается больше всего атмосферного кислорода, там происходит дополнительный нагрев из-за скачка уплотнения.

Старт ракеты-носителя «Союз-ФГ» с транспортным пилотируемым кораблем «Союз МС-13», который доставил на МКС Александра Скворцова, Луку Пармитано и Эндрю Моргана. Хорошо видны многочисленные диски Маха в каждой из струй. Также при таком ракурсе видно, что в дисках Маха светится именно периферийный кольцевой слой

При сжатии струи в прямом скачке уплотнения давление увеличивается и может слегка превысить атмосферное. Тогда за диском Маха струя немного расширяется, при этом разгоняясь. Расширение переходит в перерасширение, вызывающее сужение потока и формирование нового диска Маха. Этот циклический процесс порождает цепочку сужений. На каждом из них происходит небольшая потеря энергии, и в целом струя постепенно замедляется. Но из-за того, что на выходе из сопла скорость струи в несколько раз превышает скорость звука, успевает сформироваться целая серия дисков Маха. Они возникают до тех пор, пока потеря скорости в уплотнениях и рассеивание энергии поверхностью струи не замедлят ее до дозвукового течения и турбулентного перемешивания с окружающим воздухом.

Таким образом, находясь внутри сопла струя всё время ускоряется, а после выхода из него она тормозится атмосферой. На срезе сопла скорость струи достигает 3 км/с. Это соответствует значению числа Маха около 3 — из-за высокой температуры скорость звука в этих условиях равна примерно 1 км/с. При диаметре основных сопел 0,7 метра расстояние до первого сужения струи — примерно метр. Поток преодолевает его за 0,0003 секунды.

Если присмотреться (лучше всего смотреть на увеличенные версии первой и второй фотографий), то можно заметить, что светлые полосы и волокна на реактивных струях не идеально ровные: на них есть небольшие искривления, утолщения и неровности. Прикидки расстояний в предыдущем абзаце помогают оценить, что характерная длина этих искривлений — дециметры. Это значит, что время их существования (то есть время прохождения их длины потоком) имеет порядок 0,0001 секунды. Они всё время возникают вновь, поэтому можно считать, что это периодический процесс с частотой 10 кГц (10 000 раз в секунду). Он происходит на поверхности сверхзвуковых потоков большой мощности с непростой формой — всё это создает сложную резонансную картину высокочастотного акустического излучения и звукового давления. От нее не только можно оглохнуть — этот звук настолько мощен, что даже массивные ферменные конструкции старта сотрясаются плотной частой дрожью. Ну а нам повезло, и за уши можно не волноваться — звук к тексту не прилагается, но зато в неровных изгибах светлых линий на реактивных струях непосредственно видно проявление акустических колебаний.

Цвет пламени ракетного выхлопа зависит от типа горючего. Ниже показан выхлоп ракеты «Протон-М». Горючим для его двигателей является несимметричный диметилгидразин. В его молекуле H2NN(CH3)2 всего два атома углерода, поэтому концентрация этого элемента гораздо меньше, чем в более насыщенных углеродом (от С8 до С15) компонентах керосина. При сгорании диметилгидразина не образуется углеродная сажа — в выхлопе есть лишь прозрачные азот, углекислый газ и водяной пар.

Слева вверху: отрыв «Протона-М» от стартового стола. В нижней части прозрачных голубых реактивных струй видны остроконечные белесые конусы за скачками уплотнения. Фото с сайта roscosmos.ru. Слева внизу: выхлопная струя взлетающего «Протона-М» в более вертикальном ракурсе, также видны белесые конусы за скачками уплотнения. Рыжая полоса на выхлопе из ближнего сопла — это струя окислителя, азотного тетраоксида, имеющего красно-бурый цвет. Он стравливается для сброса избыточного давления в баке центрального блока первой ступени ракеты. Справа: общий вид факела голубых струй первой ступени «Протона-М2», работающей на несимметричном диметилгидразине и азотном тетраоксиде. Желтизна нижней части факела обусловлена подсветкой возникающего на короткое время водяного тумана прожекторами мачты освещения, видимыми справа

При неполном сгорании образуется не свободный углерод, а угарный газ (CO). Его реакция с атмосферным кислородом визуально напоминает голубое пламя газовой плиты. Поэтому диметилгидразиновое пламя всегда бледное, прозрачное и похоже на пламя спиртовки, а струи на выходе из сопла светятся слабо. Догорающий на поверхности струй CO в невысоких концентрациях дает легкое бледное свечение, не заслоняющее внутренность струи. Благодаря этому хорошо различимы белесые конусы вершиной против потока — проявления сверхзвуковых скачков уплотнения в струе. В реактивных струях керосиновых двигателей они скрыты за ярким горением остатков горючего.

Еще прозрачнее водяной пар выхлопа кислородно-водородных двигателей — это практически невидимый поток. На последнем фото слева показан работающий главный двигатель «Шаттлов» RS-25. Ударные уплотнения в его струе видны из-за мгновенно выпадающего за ними (в области резкого падения давления) высокотемпературного водяного тумана, имеющего плотный молочно-белый цвет. Настолько горячий туман больше нигде нельзя наблюдать визуально. На водороде летает и американская тяжелая ракета-носитель Delta-IV Heavy с двигателями RS-68, но пламя ее выхлопа окрашено в довольно яркий желтый цвет. Это испаряется защитное абляционное покрытие на поверхности центральной части сопла, вещество которого и окрашивает бесцветный водяной пар испаряющимися ионами натрия.

Слева: работающий главный двигатель «Шаттла» RS-25 во время стендовых испытаний. Истекающая струя состоит из чистого водяного пара и потому абсолютно прозрачна. Внутри струи ниже невидимого скачка уплотнения образуется плотный белый конденсат — высокотемпературный водяной туман, который виден в самом низу снимка. Справа: старт ракеты-носителя Delta-IV Heavy с кислородно-водородными двигателями RS-68. Прозрачная струя водяного пара окрашена в желтый цвет продуктами сгорания защитного абляционного покрытия в центральной части сопла

Автор Николай Цыгикало / источник

Оригинал статьи

30-го января этого года в рамках «Зимней атомной школы» НИЯУ МИФИ я выступал с докладом «Плазменные ракетные двигатели: настоящее и будущее». Решил, что стоит добавить этот доклад и сюда. Разве что название чуть поправил: начинается всё с истории, а значит с прошлого.

Сразу хочу оговориться: наиболее подробный рассказ будет о том, чем я сам занимаюсь, а про другие двигатели рассказ будет более поверхностным. Кроме того, речь пойдёт только о двигателях, которые как минимум формально называются плазменными, все остальные многочисленные типы электрических ракетных двигателей (ЭРД) тут обсуждаться не будут. Ну а теперь приступим…

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