Плазменный ракетный двигатель

Ссылки[править | править код]

MPD-Thruster

Это ещё один концепт плазменного агрегата. С ним связано немало надежд на космические технологии.

В чём идея? Создаётся заряд плазмы между катодом и анодом, который способствует индуцированию кольцевого магнитного поля. В действие вступает сила Лоренца, при помощи которой поле воздействует на движущиеся заряды тока, вследствие чего определённая их часть отклоняется в продольном направлении. В результате возникает плазменный сгусток, истекающий «вправо». Именно он формирует тяговый толчок.

Данный двигатель осуществляет работу в импульсном режиме, поскольку кратковременные паузы между разрядами необходимы – так копится заряд на электродах.

Чем перспективен MPD-Thruster? Он работает без разделения разноименных зарядов. Так как они в зарядном токе двигаются встречно. Это значит, что и силы Лоренца имеют идентичное направление.

В теории у данного концепта очень выдающиеся показатели. Он может развивать впечатляющую тягу. Но и нюансы тоже есть. Магнитному полю не подвластен «разгон» электрических зарядов. Всё из-за того, что сила Лоренца оказывает воздействие, перпендикулярное их скорости. То есть не изменяет кинетические показатели. MPD-Thruster только немного изменяет направления, по которым следуют заряды – для того чтобы плазма вылетала наружу продольно.

В идеале ток между катодом и анодом должен быть в разы плотнее. Это обязательно для создания тяги. И требует больших затрат электрической энергии. Которая, впрочем, не уступает мощности плазменной струи.

Если удельный импульс составит 1000 километров в секунду, а тяга – 100 кг, то на потребление будут уходить сотни мегаватт. Которые генерировать в космосе практически невозможно. Даже если допустить такую вероятность, корабль с MPD-Thruster, имеющий нетто-массу в 100 тонн, разгонится до отметки в 10 000 км/сек. лишь за 317 лет! И это при запредельно астрономическом стартовом весе, составляющем 2,2 миллиона тонн.

При таких показателях даже невозможно представить расход газа в агрегате, пропускающем электронные заряды. И никаких подсчётов не нужно делать, дабы понять – никакие электроды не способны выдержать столь весомых химических и тепловых нагрузок.

Можно ли собрать плазменный двигатель своими руками

В качестве демонстрационного образца «ионного двигателя» используется достаточно простое устройство, известное среди радиолюбителей под названием «качер Бровина». С его помощью можно наблюдать эффектные коронные разряды, молнии, а также плазменные дуги. Устройство было изобретено в 1987 году советским радиоинженером Владимиром Бровиным. Оно настолько простое, что изготовить его своими руками сможет даже начинающий радиолюбитель.

Качер Бровина питается от модифицированного сетевого адаптера 12 В, 2 А, потребляет 20 Вт. Он преобразует электрический сигнал в поле частотой 1 Мгц с эффективностью 90%. Для сборки устройства также потребуется пластиковая труба 80х200 мм — на неё будут намотаны первичные и вторичные обмотки резонатора. Вся электронная часть устройства размещается в середине этой трубы. Эта схема полностью стабильна, она может работать сотни часов без перерыва.

Демонстрационный образец работы «ионного двигателя» достигается последовательным повышением напряжения, подаваемого на качер Бровина. Если схема была собрана на транзисторе КТ902А, то стример на конце иглы должен появиться на 4 вольтах. С повышением напряжения он будет возрастать. При достижении 16 вольт он превратится в визуальный аналог фантастического «репульсорного» луча, а при 18 В увеличится примерно до 17 мм. Далее под напряжением 20 В электрические разряды будут напоминать в работе настоящий ионный двигатель.

Реальная двигательная установка, обеспечивающая заметную реактивную тягу при истечении плазмы, более известна как СМОЛА (Спиральная Магнитная Открытая ЛовушкА). Фактически она представляет собой собранный своими руками плазменный двигатель с небольшими по мощности характеристиками. Установка СМОЛА в целом представляет собой трубу с винтовым магнитным полем, которая заканчивается парой расширителей. Оптимальной считается комбинация из общей длины устройства (6 метров), величины магнитного поля (до 0,3 Тесла) и плотности плазмы (10^19 частиц в кубометре).

Оптимизированная система СМОЛА (отмечены два винтовых проводника с током и пачка плоских катушек)

Реально действующая установка СМОЛА требует наличия достаточно серьёзной техники, в составе которой требуется:

• Вакуумная система (в том числе турбомолекулярные роторные насосы), обеспечивающая давление ниже 10^-4 Па (одна миллиардная атмосферы);
• Магнитная система, представляющая собой шину сечением 15 мм из твёрдой меди;
• Суперконденсаторные сборки, выдающие от 200 кДж накопленной энергии.

Получившаяся плазма растекается вдоль силовых линий магнитного поля, проходит через трубу с винтовым полем, после чего, расширяясь, попадает на плазмоприёмник из изолированных друг от друга молибденовых пластин. Между пластинами можно подавать любые желаемые напряжения, чтобы раскрутить плазму радиальным электрическим полем.

Можно ли собрать плазменный двигатель своими руками

В качестве демонстрационного образца «ионного двигателя» используется достаточно простое устройство, известное среди радиолюбителей под названием «качер Бровина». С его помощью можно наблюдать эффектные коронные разряды, молнии, а также плазменные дуги. Устройство было изобретено в 1987 году советским радиоинженером Владимиром Бровиным. Оно настолько простое, что изготовить его своими руками сможет даже начинающий радиолюбитель.

Качер Бровина питается от модифицированного сетевого адаптера 12 В, 2 А, потребляет 20 Вт. Он преобразует электрический сигнал в поле частотой 1 Мгц с эффективностью 90%. Для сборки устройства также потребуется пластиковая труба 80х200 мм — на неё будут намотаны первичные и вторичные обмотки резонатора. Вся электронная часть устройства размещается в середине этой трубы. Эта схема полностью стабильна, она может работать сотни часов без перерыва.

Демонстрационный образец работы «ионного двигателя» достигается последовательным повышением напряжения, подаваемого на качер Бровина. Если схема была собрана на транзисторе КТ902А, то стример на конце иглы должен появиться на 4 вольтах. С повышением напряжения он будет возрастать. При достижении 16 вольт он превратится в визуальный аналог фантастического «репульсорного» луча, а при 18 В увеличится примерно до 17 мм. Далее под напряжением 20 В электрические разряды будут напоминать в работе настоящий ионный двигатель.

Реальная двигательная установка, обеспечивающая заметную реактивную тягу при истечении плазмы, более известна как СМОЛА (Спиральная Магнитная Открытая ЛовушкА). Фактически она представляет собой собранный своими руками плазменный двигатель с небольшими по мощности характеристиками. Установка СМОЛА в целом представляет собой трубу с винтовым магнитным полем, которая заканчивается парой расширителей. Оптимальной считается комбинация из общей длины устройства (6 метров), величины магнитного поля (до 0,3 Тесла) и плотности плазмы (10^19 частиц в кубометре).

Оптимизированная система СМОЛА (отмечены два винтовых проводника с током и пачка плоских катушек)

Реально действующая установка СМОЛА требует наличия достаточно серьёзной техники, в составе которой требуется:

• Вакуумная система (в том числе турбомолекулярные роторные насосы), обеспечивающая давление ниже 10^-4 Па (одна миллиардная атмосферы);
• Магнитная система, представляющая собой шину сечением 15 мм из твёрдой меди;
• Суперконденсаторные сборки, выдающие от 200 кДж накопленной энергии.

Получившаяся плазма растекается вдоль силовых линий магнитного поля, проходит через трубу с винтовым полем, после чего, расширяясь, попадает на плазмоприёмник из изолированных друг от друга молибденовых пластин. Между пластинами можно подавать любые желаемые напряжения, чтобы раскрутить плазму радиальным электрическим полем.

Достоинства и недостатки

Плазменные ракетные двигатели за десятилетия своего использования зарекомендовали себя следующими преимуществами в сравнении с традиционными реактивными двигателями на «химической» тяге:

• Высокий импульс;
• Малая масса расходуемого рабочего тела;
• Малые габариты самого двигателя.

В то же время свойственные таким двигателем недостатки сводятся к главному: слишком малой тяге. Они существенно уступают по данным показателям обычным ракетным двигателям, что делает их использование крайне неэффективным. Кроме того, весьма высоки затраты энергии на ионизацию. К тому же в условиях земной атмосферы высвобождаемые ионы крайне химически активны, образуя весьма агрессивные соединения.

Таким образом, ближайшее будущее плазменных ракетных двигателей будет связано исключительно с их применением на достаточно дальних космических маршрутах и уже сложившейся ролью дополнительных двигателей на околоземных спутниках, которым требуется совершать манёвры в космосе. В последнем варианте перспективным направлением для использования ионных двигателей может стать уборка орбитального «космического мусора», проблема с которым ежегодно обостряется.

Автор статьи:
Роев Олег

Рассада картофеля

Как работает плазменный ракетный двигатель

История

Идея создания СПД была предложена А. И. Морозовым в начале 60-х годов XX века. В 1968 году академиком А. П. Александровым и главным конструктором А. Г. Иосифьяном было принято историческое решение о создании корректирующей двигательной установки (КДУ) с СПД. Разработка первой КДУ и её интеграция в КА «Метеор» была выполнена в тесном содружестве групп учёных и специалистов Института атомной энергии им. И. В. Курчатова (Г. Тилинин), ОКБ «Факел» (К. Козубский), ОКБ «Заря» (Л. Новосёлов) и ВНИИЭМ (Ю. Рылов). В декабре 1971 г. двигательная установка с СПД — КДУ «Эол» успешно стартовала в космос в составе КА «Метеор». В феврале-июне 1972 г. были проведены первые включения и испытания, продемонстрировавшие работоспособность СПД в космосе и совместимость с КА на околоземных орбитах. Высота орбиты была поднята на 17 км.

С 1995 года СПД используется в системах коррекции серии связных геостационарных КА типа «Галс», «Экспресс», «Экспресс-А», Экспресс-АМ, Sesat разработки НПО прикладной механики, а с 2003 года — в составе зарубежных геостационарных спутников типа Inmarsat, Intelsat-X, IPSTAR-II, Telstar-8 для решения задач приведения в «рабочую точку», стабилизации положения в этой точке, изменения «рабочей точки» в случае необходимости и увода с неё по окончании эксплуатации.

К январю 2012 года на запущенных в космос аппаратах было установлено в общей сложности 352 двигателя СПД.

Краткий экскурс в физику

Для начала стоит отметить, что любому ракетному двигателю свойственно выбрасывание из сопла слабо ионизированной плазмы. Вне зависимости от его вида. Но «классическими», настоящими плазменными двигателями являются те, которые ускоряют плазму благодаря электромагнитным силам, оказывающим воздействие на заряженные частицы.

Процесс сложный. Любое электрическое поле, которое ускоряет в плазме заряды, придаёт электронам и ионам равные по модулю суммарные импульсы. Вдаваться в эти подробности необязательно. Достаточно знать, что импульс – это величина измерения механического движения тела.

Поскольку плазма является электрически нейтральной, то сумма всех положительных зарядов равна по модулю сумме отрицательных. Есть определённый отрезок времени – он бесконечно мал. За эти считаные мгновения все положительные ионы получают мощный импульс. Такой же направляется в обратную сторону – к отрицательным. Что получается? Суммарный импульс в итоге равен нулю. А значит, тяги не возникает.

Такой вывод: для электрического «разгона» плазмы необходимо разделение разноименных зарядов. Положительные будут разгоняться тогда, когда отрицательные выведены из зоны действия. Сделать это сложно, так как кулоновские силы притяжения восстанавливают электрическое равновесие, возникая между плазменными разноимённо заряженными сгустками.

И как же удалось воплотить этот принцип работы в плазменном ракетном двигателе? За счёт магнитных и электростатических полей. Только вот во втором случае агрегат традиционно именуется ионным, а в первом – именно плазменным.

Холловский двигатель

Это вариант плазменного агрегата, для которого нет ограничений, что налагаются объёмным зарядом. Их отсутствие обеспечивает большую плотность тяги. А это значит, что холловский плазменный двигатель может увеличить скорость космических аппаратов в разы, если сравнивать, например, с ионным агрегатом того же размера.

В основе работы аппарата лежит эффект, который открыл американский физик Эдвин Холл в 1879 году. Он продемонстрировал, как в проводнике с взаимно перпендикулярным магнитным и электрическим полем образуется электроток. Причём в направлении, которое им обоим перпендикулярно.

Проще говоря, в холловском агрегате плазма образуется зарядом между анодом (+) и катодом (-). Действие несложное — разряд отделяет электроны от нейтральных атомов.

Стоит отметить, что на околоземных орбитах сосредоточено порядка 200 спутников с холловскими плазменными двигателями. Для космических аппаратов его мощности хватает вполне. К слову, именно такой агрегат использовался Европейским космическим агентством в целях экономичного разгона SMART-1 – его первой автоматической станции для исследования Луны.

Примечания

Заболевания, с которыми скорее всего заберут в армию

Аллергический дерматит

В отличие от атопического дерматита, наличие аллергического не помешает военкомату вас призвать.

Аллергический бронхит

С аллергическим бронхитом вы подлежите призыву в армию.

Можно разве что попытаться представить его под видом аллергической бронхиальной астмы, если лечащий врач сочтет что степень тяжести симптомов соответствует.

Аллергические риниты

К ним в частности относятся вазомоторный аллергический ринит и круглогодичный аллергический ринит.

Мнение эксперта
Давыдов Дмитрий Станиславович
Заместитель начальника военного комиссариата

Несмотря что заболевания с категории ринитов являются факторами риска развития астмы, их наличие не освобождает от призыва на военную службу.

Впрочем, можно постараться убедить медицинскую комиссию в серьезности заболевания, если наблюдается стойкое нарушение функции носового дыхания.

Аллергический риносинусит

Не является причиной непригодности к службе.

Респираторный аллергоз

Данный диагноз так же не поможет «откосить» от армии по аллергии.

Вопросы охранника 5 разряда

Что такое магнитный двигатель?

Что такое вечный двигатель? Фактически, это механизм, КПД которого составляет 100%. К сожалению, на практике это выглядит несколько по-иному, ведь в работу вмешивается слишком много физических явлений, таких как сила трения и т.д. Со временем составные части любого механизма изнашиваются и выходят из строя, соответственно, требуют замены.

Магнитный двигатель не исключение, он обладает интересной, обоснованной с технической точки зрения конструкцией . Движение здесь обеспечивают постоянные (не электрические) магниты и подвижные металлические поверхности. Получается, что магнитному двигателю достаточно только задать вращение, и в случае необходимости обеспечить остановку.

Схема работы плазменного двигателя

Самыми используемыми в настоящее время пока что являются устройства, так или иначе действующие на эффекте Холла.

Схема ионного двигателя

На сегодняшний день ионные двигатели необходимы спутникам, чтобы маневрировать в ближнем космосе — как правило, для удержания параметров стационарной орбиты, изменения своего курса или уклонения от космического мусора. Но существует и несколько проектов, связанных с использование ионных двигателей для дальних космических путешествий.

Самым известным из них стала автоматическая исследовательская миссия Dawn от НАСА. В сентябре 2007 года она была запущена для исследования астероида Веста и карликовой планеты Церера. Аппарат Dawn был оборудован тремя компактными ксеноновыми ионными двигателями NSTAR, которые разгоняли атомы до скорости в десять раз выше, чем могли это сделать современные химические двигатели.

Для полета Dawn требовалось в среднем 3,25 мг топлива в секунду, а на борту аппарата разместилось 425 кг ксенона. Через девять лет после запуска станция Dawn разогналась до скорости 39 900 км/час (11,1 км/с). 1 ноября 2018 года НАСА официально закончила миссию Dawn, поскольку ионные двигатели полностью выработали топливо.

Ещё одним космическим аппаратом, который использует ксеноновые ионные двигатели для дальних полётов, стала японская исследовательская станция по изучению астероида Рюгу «Хаябуса-2». Зонд оснащён четырьмя ионными двигателями IES и ксеноном массой 73 кг.

https://youtube.com/watch?v=g0qP8CxxYGU

Краткий экскурс в физику

Для начала стоит отметить, что любому ракетному двигателю свойственно выбрасывание из сопла слабо ионизированной плазмы. Вне зависимости от его вида. Но «классическими», настоящими плазменными двигателями являются те, которые ускоряют плазму благодаря электромагнитным силам, оказывающим воздействие на заряженные частицы.

Процесс сложный. Любое электрическое поле, которое ускоряет в плазме заряды, придаёт электронам и ионам равные по модулю суммарные импульсы. Вдаваться в эти подробности необязательно. Достаточно знать, что импульс – это величина измерения механического движения тела.

Поскольку плазма является электрически нейтральной, то сумма всех положительных зарядов равна по модулю сумме отрицательных. Есть определённый отрезок времени – он бесконечно мал. За эти считаные мгновения все положительные ионы получают мощный импульс. Такой же направляется в обратную сторону — к отрицательным. Что получается? Суммарный импульс в итоге равен нулю. А значит, тяги не возникает.

Такой вывод: для электрического «разгона» плазмы необходимо разделение разноименных зарядов. Положительные будут разгоняться тогда, когда отрицательные выведены из зоны действия. Сделать это сложно, так как кулоновские силы притяжения восстанавливают электрическое равновесие, возникая между плазменными разноимённо заряженными сгустками.

И как же удалось воплотить этот принцип работы в плазменном ракетном двигателе? За счёт магнитных и электростатических полей. Только вот во втором случае агрегат традиционно именуется ионным, а в первом – именно плазменным.

Краткие технические характеристики

ЭРД характеризуются малым массовым расходом РТ и высокой скоростью истечения ускоренного потока частиц. Нижняя граница скорости истечения примерно совпадает с верхней границей скорости истечения струи и составляет около 3 000 м/с. Верхняя граница теоретически неограничена (в пределах скорости света), однако для перспективных моделей двигателей рассматривается скорость, не превышающая 200 000 м/с. В настоящее время для двигателей различных типов оптимальной считается скорость истечения от 16 000 до 60 000 м/с.

В связи с тем, что процесс ускорения в ЭРД проходит при низком давлении в ускорительном канале (концентрация частиц не превышает 1020 частиц/м³), плотность тяги довольно мала, что ограничивает применение ЭРД: внешнее давление не должно превышать давление в ускорительном канале, а ускорение КА очень мало (десятые или даже сотые g). Исключением из этого правила могут быть ЭДД на малых КА.

Электрическая мощность ЭРД колеблется от сотен ватт до мегаватт. Применяемые в настоящее время на КА ЭРД имеют мощность от 800 до 2 000 Вт.

ЭРД характеризуются КПД — от 30 до 60 %.

Технические характеристики

Спецификой этого двигателя, как и других электроракетных двигателей, является значительно большая скорость истечения рабочего тела по сравнению с использовавшимися ранее химическими двигателями, позволяющая значительно уменьшить запасы рабочего тела, необходимые для решения названных выше задач. Его применение в составе геостационарных КА позволяет увеличить долю массы целевой аппаратуры и срок их активного существования до 12-15 лет. За счёт этого значительно повышается эффективность КА.

ОКБ «Факел» производит различные двигатели, отличающиеся тягой, массогабаритными характеристиками, потребляемой мощностью для различных КА.

Заключение

В завершение хотелось бы сказать, что ни один плазменный двигатель для космических кораблей из существующих в наше время не способен доставить ракету даже к ближайшим звёздам. Это касается как экспериментально проверенных аппаратов, так и теоретически просчитанных.

Многие учёные приходят к пессимистичному заключению – разрыв между нашей планетой и звёздами фатально непреодолим. Даже до системы Альфа Центавра, некоторые компоненты которой видны невооружённым глазом с Земли, а ведь расстояние составляет 39,9 триллиона километров. Даже на космическом аппарате, способном передвигаться со скоростью света, преодоление данного расстояния составило бы около 4,2-4,3 лет.

Так что плазменные агрегаты звездолётов – это, скорей, из сферы научной фантастики. Но это ничуть не преуменьшает их значимость! Их используют в качестве маневровых, вспомогательных и корректирующих орбиты двигателей. Поэтому изобретение вполне оправдано.

А вот ядерный импульсный агрегат, который утилизирует энергию взрывов, имеет вероятный потенциал развития. Во всяком случае, как минимум в теории отправка автоматического зонда в ближайшую звёздную систему является возможной.

Источник