Магнитоплазмодинамический двигатель: Магнитоплазмодинамический двигатель — Циклопедия – Будущее (или засекреченное настоящее) плазменных движков или как достичь 27 махов в атмосфере

Магнитоплазмодинамический двигатель — Циклопедия

Магнитоплазмодинамический двигатель — гипотетически самый совершенный на сегодняшний день тип электрических ракетных двигателей. По силе тяги превосходит ионный и холловский двигатели и способен работать главным тяговым двигателем для тяжелых пилотируемых и грузовых космических кораблей. Например «литиевый» МПД-двигатель а2 проекта НАСА способен доставить к Марсу пилотируемую космическую экспедицию на корабле с ядерной силовой установкой. Однако МПД двигатель пока не готов для практического применения.

Первый МПДД был изобретён Ю. В. Кубаревым в 1958 году.

Схема МПД двигателя

МПД-двигатель имеет габариты, сравнимые с обычным ведром, способен перерабатывать около мегаватта мощности от солнечного или ядерного источника и обеспечивает скорости истечения от 15 до 60 км/с.

Помимо большей мощности МПД двигатель отличается возможностью менять силу тяги путем усиления или ослабления электрического тока или потока рабочего вещества, что позволяет выбирать оптимальные режимы работы.

МПД двигатель появился в рамках дальнейших попыток повысить плотность тяги электроракетного двигателя. МПД двигатель имеет центральный катод, вокруг которого расположен цилиндрический анод. В пространство между катодом и анадом закачивается рабочеее тело (пары лития). Между катодом и анодом создается электрический ток, который в свою очередь порождает магнитное поле. Электрический ток превращает атомы лития в положительные ионы (ионизирует). В результате взаимодействия магнитного поля и породившего его электрического тока появляется сила Лоренца, которая и ускоряет ионы в направлении сопла двигателя. преимуществом МПД двигателя по сравнению с холловским является то, что электрический ток не совпадает с потоком частиц, а идет вдоль него. Благодаря этому электрический ток меньше ослабляется от столкновений электронов и ионов.

Тактико-технические характеристики:

  • Состояние: испытан в полетах, но для практического применения еще не готов
  • Потребляемая мощность: 100. .500 кВт
  • Скорость истечения: 15..60 км/с
  • Применение: главный тяговый двигатель для тяжелых грузовых и пилотируемых космических кораблей; для практического применения еще не готов

Будущее (или засекреченное настоящее) плазменных движков или как достичь 27 махов в атмосфере

«Говорят, что те, кто видел гиперзвуковой экраноплан, летящий в пузыре плазмы, из которого выехал танк, сфотался, а потом заехал обратно, никому про это уже ничего не расскажут.»

Зимой я долго приставал к Зеленому Коту по поводу плазменных движков и их физических ограничений. И вот он опубликовал пост, а я вдогонку хочу немного разобраться со «лженаукой» и мифами, а также понять, есть ли в ближайшей перспективе заменитель химическим ракетным движкам для моего реактивного ранца.

Я не специалист в движках. Ну совсем ни разу не специалист, но разобраться хочу. Сделаю небольшой «вброс» с расчетом на то, что хабраинтеллект выведет на чистую

воду плазму.

  • Как звучит в атмосфере двигатель, скорость истечения «струи» которого выше четвертой космической?
  • Возможно ли, что уже сейчас есть рабочие образцы плазменных движков на военной технике, которые могут обеспечит скорость полета 27 махов для объекта 100-1000 кг?
  • Какие есть первоисточники с разным уровнем достоверности по этому вопросу?

Вот испытания немцев:


Статья в Journal of Physics: Conference Series.

Прототип, будучи масштабированным до размеров обычного авиационного двигателя, как утверждается, сможет развивать тягу от 50 до 150 килоньютонов в зависимости от подаваемого напряжения. Испытанный прототип представляет собой установку длиной 80 миллиметров и диаметром 14 миллиметров.

Исследователи полагают, что в будущем такие магнитоплазмодинамические двигатели можно будет устанавливать на самолеты, причем силовые установки будут эффективно работать на всех этапах: от взлета до полета на высоте 50 тысяч метров.

Принцип работы магнито-плазменного компрессора для аналога сопла Лаваля.

Тяга и импульс для различных типов батарей при различном давлении.

Общая схема

Тестовый образец

Струя/факел плазмы при различном вольтаже.

Плазма в различных фильтрах.

Распределение магнитного поля.

Эрозия после 1000 запусков.

Источники


Магнитоплазмодинамический двигатель и способ его работы

Изобретение относится к электроракетным двигателям. Магнитоплазмодинамический двигатель содержит анод, нейтральную вставку, изоляторы, монтажный фланец, катод-испаритель, снабженный многополостным катодом, испарителем лития, емкостью активирующего вещества на основе бария и нагревателем. Емкость активирующего вещества выполнена кольцеобразной формы из тугоплавкого металла и охватывает нагреватель и испаритель лития, внутри емкости расположен пористый вкладыш с высокой пористостью, пропитанный активирующим веществом. Одним торцом емкость состыкована с монтажным фланцем, а другим герметично соединена с катодом и корпусом испарителя лития, при этом в стенке емкости, сообщающейся с внутренней полостью катода, выполнены равномерно расположенные по окружности калиброванные отверстия. В способе работы двигателя, включающем измерение и поддержание постоянными величин тока разряда и расхода рабочего тела, дополнительно измеряют напряжение между катодом и нейтральной вставкой и при увеличении его на 12-15% включают нагреватель катода. Изобретение позволяет упростить двигательную установку и снизить ее вес. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД).

Магнитоплазмодинамический двигатель (МПДД), в России его также называют торцевым сильноточным двигателем (ТСД), обладает рядом преимуществ по отношению к другим типам ЭРД: он имеет наиболее высокую плотность тяги (отношение тяги к площади максимального поперечного сечения двигателя), высокую электрическую мощность единичного модуля в сочетании с высокими достижимыми значениями тяги, удельного импульса и КПД и обладает возможностью непосредственной стыковки с космической энергоустановкой (без использования преобразователя напряжения энергоустановки).

Известен МПДД [1], работающий на литии, включающий многополосной катод, нагреватель, анод, системы подачи лития и охлаждения. Для поддержания постоянной величины тяги в таком двигателе поддерживают постоянными ток разряда и расход лития. Значительным недостатком этого двигателя является функционирование его лишь в течение десятков часов.

Также известен МПДД [2], принятый за прототип, содержащий анод, нейтральную вставку, изоляторы, монтажный фланец, катод-испаритель, снабженный многополостным катодом, испарителем лития, емкостью активирующего вещества на основе бария и нагревателем. Емкость активирующего вещества в виде ампулы размещена в полости катода-испарителя. Такой двигатель на мощности до 500 кВт отработал около 500 часов.

При работе МПД двигателя рабочее тело (литий) от специальной системы подачи и дозировки подается в жидком состоянии с заданным расходом (при мощности 500 кВт расход лития равен ~0,3-0,35 г/c) в нагретый до температуры 1000°С катод-испаритель, после которого пар лития ионизируется в каналах многополостного катода и поступает в разрядный промежуток. Образовавшаяся плазма ускоряется в собственном магнитном поле сильноточного дугового разряда. При этом измеряют и поддерживают постоянными величину тока разряда и расход рабочего тела (лития), что позволяет поддерживать номинальный режим работы двигателя. Использование активирующего вещества на основе бария в многополостных катодах МПДД позволяет снизить температуру катода с 3000-3100К до 1730-1750К, т.е. на несколько порядков уменьшить скорость эрозии вольфрама. Испытания показали, что при этом скорость уноса бария мала и составляет лишь ~0,1-0,5% от величины расхода лития. Учитывая, что размеры катода-испарителя не позволяют разместить во внутренней полости катода ампулу объемом более 150-200 см

3, такого запаса бария хватает примерно на 500 часов. Необходимый ресурс двигателя должен на порядок превышать эту величину.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение ресурса работы МПДД.

Поставленная задача решается тем, что в магнитоплазмодинамическом двигателе, содержащем анод, нейтральную вставку, изоляторы, монтажный фланец, катод-испаритель, снабженный многополостным катодом, испарителем лития, емкостью активирующего вещества на основе бария и нагревателем, емкость активирующего вещества выполнена кольцеобразной формы из тугоплавкого металла и охватывает нагреватель и испаритель лития, внутри емкости расположен пористый вкладыш с высокой пористостью, пропитанный активирующим веществом, одним торцом емкость состыкована с монтажным фланцем, а другим герметично соединена с катодом и корпусом испарителя лития, при этом в стенке емкости, сообщающейся с внутренней полостью катода, выполнены равномерно расположенные по окружности калиброванные отверстия.

Поставленная задача также решается тем, что в способе работы магнитоплазмодинамического двигателя, включающем измерение и поддержание постоянными величин тока разряда и расхода рабочего тела, дополнительно измеряют напряжение между катодом и нейтральной вставкой и при увеличении его на 12-15% включают нагреватель катода.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение и снижение веса двигательной установки, так как для увеличения ресурса работы не требуется специальной автономной системы подачи активирующего вещества на основе бария.

На чертеже представлена конструкция предлагаемого МПДД.

МПДД состоит из анода 1, нейтральной вставки 2, изоляторов 3, управляющего соленоида 4, монтажного фланца 5, многополостного катода 6, испарителя лития 7 и нагревателя 8. Емкость активирующего вещества 9 выполнена из тугоплавкого металла и имеет кольцевую форму, охватывая нагреватель 8 и испаритель лития 7. Во внутренней полости емкости 9 расположен пористый вкладыш 10 с высокой пористостью (выше 50%), пропитанный активирующим веществом на основе бария. Со стороны одного торца емкость 9 состыкована с монтажным фланцем 5 и прикреплена к нему, а с другой стороны — герметично соединена с катодом 6 и корпусом испарителя лития 7, причем в стенке емкости 9, сообщающейся с внутренней полостью катода 6, выполнены равномерно расположенные по окружности калиброванные отверстия 11. Анод 1, управляющий соленоид 4, нейтральная вставка 2 и катод-испаритель, прикрепленный к монтажному фланцу 5, соединены с помощью изоляторов 3 и крепежных деталей 12.

Предлагаемый МПДД работает следующим образом. Литий с заданным расходом в жидком состоянии подают в испаритель лития 7, нагретый с помощью нагревателя 8 до температуры 1000-1100°С, из которого пар лития поступает во внутренние полости многополостного катода 6, где ионизируется. Плазма лития попадает в разрядный промежуток между катодом 6 и анодом 1 и ускоряется в собственном магнитном поле дугового разряда. Поступающий из источника активирующего вещества 9 барий и его окислы адсорбируются на вольфраме катода 6, значительно снижая работу выхода вольфрама, что приводит к уменьшению температуры катода 6 на примерно 1300°С. Эксперимент показал, что скорость уноса активирующего вещества на основе бария составляет ~0,1% от расхода лития, т.е. для работы МПДЦ мощностью ~500 кВт в течение 5000 часов необходимый запас активирующего вещества на основе бария составляет около 6,5 кг, занимающей объем ~1,5 литра. В ампуле двигателя-прототипа можно поместить на порядок меньше активирующего вещества. В предложенном двигателе при пористости вкладыша 10 порядка 70% объем источника активирующего вещества составит ~2 литра. При работе МПДЦ на указанной мощности на катоде выделяется более 10 кВт энергии, что достаточно, чтобы при выключенном нагревателе 8 испарять необходимый расход лития и активирующего вещества. Как показал эксперимент, достаточность расхода активирующего вещества с большой точностью определяется постоянным значением падения потенциала между катодом и нейтральной вставкой. Так при увеличении указанного падения потенциала на 12-15% температура катода возрастает на 30-40°С, что характеризует уменьшение степени покрытия катода активирующим веществом на основе бария. В предложенном способе работы двигателя на постоянном по расходу лития и по току разряда режиме при увеличении падения потенциала на 12-15% включают нагреватель 8 для увеличения температуры источника активирующего вещества, т.е. для увеличения его расхода. При восстановлении номинального значения падения потенциала между катодом и нейтральной вставкой нагреватель выключают.

Преимуществом предлагаемого изобретения является увеличение ресурса работы МПДД в десять раз без использования специальной автономной системы подачи активирующей присадки на основе бария, что значительно упрощает и облегчает двигательную установку с использованием МПДД.

Литература.

1. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Ионные и плазменные ракетные двигатели. Т.4. М.: Наука, 2000, с.316-320.

2. Агеев В.П., Островский В.Г. Магнитоплазмодинамический двигатель большой мощности непрерывного действия на литии. М.: Наука, «Известия Российской академии наук. Энергетика», 2007, №3, с.82-95.

1. Магнитоплазмодинамический двигатель, содержащий анод, нейтральную вставку, изоляторы, монтажный фланец, катод-испаритель, снабженный многополостным катодом, испарителем лития, емкостью с активирующим веществом на основе бария и нагревателем, отличающийся тем, что емкость активирующего вещества выполнена кольцеобразной формы из тугоплавкого металла и охватывает нагреватель и испаритель лития, внутри емкости расположен пористый вкладыш с высокой пористостью, пропитанный активирующим веществом, со стороны одного торца емкость состыкована с монтажным фланцем двигателя, а со стороны другого герметично соединена с катодом и корпусом испарителя лития, при этом в стенке емкости, сообщающейся с внутренней полостью катода, выполнены равномерно расположенные по окружности калиброванные отверстия.

2. Способ работы магнитоплазмодинамического двигателя, включающий измерение и поддержание постоянными величин тока разряда и расход рабочего тела, отличающийся тем, что дополнительно измеряют напряжение между катодом и нейтральной вставкой и при увеличении его на 12-15% включают нагреватель катода.

Двигательная установка космического аппарата — Википедия

Двигательная установка космического аппарата — Привод, система космического аппарата, обеспечивающая его ускорение. Преобразует различные виды энергии в механическую, при этом могут отличаться как источники энергии, так и сами способы преобразования. Каждый способ имеет свои преимущества и недостатки, их исследования и поиск новых вариантов продолжаются по сей день. Наиболее распространенный тип двигательной установки космического аппарата — химический ракетный двигатель, в котором газ с высокой скоростью истекает из сопла Лаваля.

Кроме этого, распространение получили реактивные установки без сжигания топлива, в том числе электроракетные двигатели и другие. Перспективными двигателями являются установки на основе солнечного паруса.

После выведения космического аппарата в космос его положение в пространстве нуждается в корректировке. На начальном этапе это может быть связано с необходимостью переведения аппарата на заданную орбиту или траекторию, а также с обеспечением максимальной освещенности солнечных батарей, направленности антенн и систем наблюдения. В дальнейшем могут проводиться орбитальные манёвры[1], связанные как с использованием аппарата по назначению, так и вызванные технической необходимостью, например, в случае уклонения от других объектов[2]. Низкоорбитальные системы, кроме того, подвержены торможению атмосферой, из-за чего поддержание их орбиты в течение долгого времени требует наличия у аппарата двигательной установки[3]. После исчерпания возможностей манёвра период активной жизни аппарата считается завершённым.

Задачей двигательной установки межпланетных аппаратов может являться разгон до второй космической скорости (иногда для этого используется последняя ступень ракеты-носителя). Корректировка траектории обычно осуществляется серией коротких запусков двигателя, между которыми аппарат находится в свободном полете. Наиболее эффективным способом перемещения космического аппарата с одной круговой орбиты на другую является эллиптическая переходная орбита, касательная к обеим круговым. Для её формирования на начальном участке используется серия ускорений, а на конечном — серия торможений, остальное время аппарат перемещается по инерции[4]. Иногда для торможения используются особые методы — например, за счёт аэродинамического сопротивления атмосферы планеты[5].

Некоторые типы двигательных установок, например, электроракетные двигатели или солнечный парус[6], обеспечивают малое приращение скорости при длительном действии. В этом случае траектория межпланетного аппарата будет иной: постоянное ускорение в первой части пути и постоянное торможение во второй. Солнечный парус в качестве движителя был успешно испытан на японском аппарате «IKAROS»[7].

Для межзвездных перелётов также требуются свои двигательные установки. В настоящее время таких устройств не существует, но ведётся обсуждение их возможных вариантов. Расстояние до ближайших к Солнцу звёзд чрезвычайно велико, и достижение цели за приемлемое время требует высокой скорости полёта. Разгон и торможение межзвёздного корабля является непростой задачей для конструкторов.[8]

Основная задача двигательной установки — изменять скорость космического аппарата. Поскольку требуемая для этого энергия зависит от массы аппарата, конструкторы используют понятие импульса, равного произведению массы на скорость[9]. Таким образом, двигательная установка изменяет импульс космического аппарата.

Для аппаратов, двигательная установка которых работает на участке выведения (как, например, у транспортной системы «Спейс шаттл»), выбранный способ ускорения должен обеспечить преодоление земного притяжения — придать аппарату первую космическую скорость[10], которая для Земли составляет около 7,9 км/с. При движении вокруг планеты воздействие двигательной установки приводит к изменению орбиты аппарата.

Достижение заданной скорости может быть обеспечено короткими периодами включения двигательной установки при больших ускорениях либо длительными периодами включения с малыми ускорениями. При этом второй метод малопригоден для выведения аппарата в космос, так как требует непомерных затрат энергии на преодоление планетарной гравитации. Однако тело, выводимое в космос, на начальном этапе траектории может, аналогично самолёту, использовать подъёмную силу крыла, пока не достигнет менее плотных слоёв атмосферы.

Для человека привычно воздействие гравитации, характеризуемой ускорением свободного падения примерно 9,8 м/с², или 1 g. Для пилотируемого аппарата идеальной двигательной установкой была бы система, обеспечивающая постоянное ускорение, равное этой величине, что устранило бы неприятные явления у экипажа: тошноту, ослабление мышц, вымывание кальция из костной ткани, потерю чувства вкуса. Однако обеспечить такое ускорение затруднительно: при выведении это привело бы к неэффективному расходу горючего, а в космосе не соответствовало бы основным задачам аппарата или приводило бы к слишком долгому времени полёта.

Закон сохранения импульса устанавливает, что при изменении импульса космического аппарата должен меняться импульс чего-то ещё, чтобы общий импульс системы был постоянным. Для двигательных установок, использующих энергию магнитных полей или давления света, этой проблемы не существует, но большинство космических аппаратов вынуждены иметь на борту запас рабочего тела, за счет отбрасывания которого может меняться импульс самого аппарата. Двигательные установки, работающие на этом принципе, называются реактивными.

Для ускорения рабочего тела нужна энергия, которую можно получить из различных источников. В твердотопливных, жидкостных и гибридных ракетных двигателях энергия выделяется при химической реакции компонентов, а рабочим телом является образовавшийся в результате газ, под высоким давлением истекающий из сопла. В ионном двигателе для разгона частиц рабочего тела используется электрическая энергия, получаемая от солнечных батарей, ядерной силовой установки или из других источников.[10]

При оценке эффективности реактивных двигательных установок используют понятие удельного импульса, равного отношению создаваемого импульса к расходу рабочего тела. В системе СИ удельный импульс имеет размерность «метр в секунду», но на практике чаще используется размерность системы МКГСС — «секунда».

Более высокий удельный импульс соответствует более высокой скорости истечения рабочего тела, однако энергия, требуемая для ускорения рабочего тела, пропорциональна квадрату скорости, из-за чего с увеличением удельного импульса падает энергетическая эффективность двигательной установки. Это является недостатком двигателей большой мощности, в результате чего большинство двигателей с высоким удельным импульсом имеют малую тягу, как, например электроракетные двигатели.

Двигательные установки подразделяются на несколько типов в зависимости от физических принципов, лежащих в их основе.

Реактивные двигатели[править | править код]

Реактивная двигательная установка изменяет скорость космического аппарата за счет отбрасывания рабочего тела. При этом движение аппарата подчиняется закону сохранения импульса и следствиям из него.

Примерами реактивных двигателей могут служить ракетные двигатели, в том числе электрические, двигатели с использованием сжатого газа, а также экзотические варианты на основе электромагнитных ускорителей. На участке выведения космические аппараты могут использовать реактивные двигатели, работающие на атмосферном кислороде.

Химический ракетный двигатель[править | править код]
Испытания двигателя «Кестрел» компании «SpaceX»

Большинство ракетных двигателей является двигателями внутреннего сгорания. Рабочим телом в них является горячий газ, который образуется при реакции горючего с окислителем в камере сгорания.l. В некоторых случаях в качестве топлива используются один или более двух компонентов. Продукты химической реакции из камеры сгорания попадают в сопло Лаваля, обеспечивающее максимальное преобразование тепловой энергии в кинетическую. Скорость газа на выходе обычно десятикратно превышает скорость звука на уровне моря.

Химические ракетные двигатели являются самыми мощными среди всех видов двигателей космических аппаратов. Они используются в том числе при выводе аппаратов в космос.

Проект ионного ракетного двигателя предполагает разогрев плазмы или ионизированного газа внутри «магнитной бутылки[en]» и выпуск его через «магнитное сопло». При этом плазма не контактирует с частями аппарата. Создание подобного двигателя представляет собой чрезвычайно сложную задачу, но его принципы уже используются в ядерной физике или проходят апробацию в лабораторных условиях.

Электрический ракетный двигатель[править | править код]
Испытания ионного двигателя

Помимо ускорения рабочего тела за счёт газодинамических сил, возможно использование прямого воздействия на его частицы. Для этого используются электромагнитные силы, а в качестве рабочего тела выбирается, как правило, газ. За счет электрической энергии газ сначала ионизируется, а затем ускоряется электрическим полем и с высокой скоростью выбрасывается из двигателя.

Возможность создания такого двигателя в 1906 году впервые упомянул Роберт Годдард в своей записной книжке[11]. В 1911 году подобную идею опубликовал Константин Циолковский.

Для электрических ракетных двигателей энергетическая эффективность обратно пропорциональна скорости истечения рабочего тела и создаваемой тяги. Из-за этого при современном развитии энергетики двигательные установки такого типа являются маломощными, но при этом расходуют очень малое количество рабочего тела.

При полётах на относительно близких расстояниях от Солнца энергию для электрических ракетных двигателей можно получать с помощью солнечных батарей. При полетах в дальний космос требуется использовать другой источник энергии — например, ядерный реактор.

Возможности энергетической установки являются основным сдерживающим фактором при использовании электрических ракетных двигателей, так как вместе с количеством вырабатываемой энергии растет и масса самой установки, что повышает массу космического аппарата и требуемую тягу для его ускорения.

Существующие ядерные силовые установки примерно в два раза легче солнечных батарей той же мощности при работе в окрестностях земной орбиты. Химические генераторы не используются из-за более короткого времени работы. Одним из перспективных вариантов электропитания космического аппарата является передача энергии в виде луча, но потери на рассеивание делают такой способ неподходящим для дальних перелетов.

К электрическим ракетным двигателям относятся:

  • Ионный двигатель (ускорение ионов с последующей нейтрализацией потоком электронов)
  • Электротермический двигатель (разогрев рабочего тела электромагнитным полем до состояния плазмы и выпуск через сопло)
  • Электромагнитный двигатель (ускорение ионов силой Лоренца или электромагнитным полем, в котором электрическое поле не совпадает с направлением ускорения)

В электротермических и электромагнитных двигателях ионы и электроны ускоряются одновременно, что устраняет необходимость нейтрализации потока.

Двигатели без рабочего тела[править | править код]

По данным NASA, размер космического паруса должен быть порядка полукилометра

Закон сохранения импульса устанавливает, что без отбрасывания рабочего тела изменить положение центра масс космического аппарата невозможно. Однако в космосе действуют гравитационные силы, магнитные поля и солнечная радиация. Несколько двигательных установок основаны на их использовании, но из-за распределённости этих сил в пространстве установки имеют большой размер.

Существует несколько двигателей, не требующих рабочего тела или требующих крайне малое его количество. К ним относятся тросовые системы[en][12], солнечные паруса, использующие давление света, и магнитные паруса[en], отражающие солнечный ветер с помощью магнитного поля.

Космический аппарат подчиняется закону сохранения момента импульса, поэтому вместо вращения вокруг центра масс в качестве двигательной установки может быть использована часть этого аппарата, поворачиваемая в противоположную сторону. При этом не требуется расхода рабочего тела, однако на аппарат влияют внешние силы, например, гравитационные или аэродинамические[13], из-за чего периодически требуется «разгрузка» основной двигательной установки другим способом, например, за счет реактивных двигателей. Реализацией данного принципа являются силовые гироскопы (гиродины).[14]

Ещё одним способом использования гравитационного поля планеты является инерционный двигатель. Он основан на изменении момента инерции аппарата на различных участках орбиты, однако для получения ощутимого эффекта размеры системы должны быть достаточно большими.

Также для изменения траектории космического аппарата используется гравитационный манёвр. В этом случае для разгона или торможения используется гравитация небесных тел.[15] При использовании ракетного двигателя эффективность гравитационного манёвра можно повысить.

Гипотетические двигатели[править | править код]

Существует несколько гипотетических вариантов двигательных установок космических аппаратов, основанных на новых физических принципах и, возможно, не реализуемых на практике. К настоящему моменту особый интерес вызывают следующие:

Ниже приведена сравнительная таблица различных типов двигательных установок, включающая как проверенные, так и гипотетические варианты.

В первой колонке указан удельный импульс (равный скорости истечения рабочего тела), или эквивалентная ему величина для нереактивных двигателей, во второй колонке — тяга двигателя, в третьей — время работы двигателя, в четвёртой — максимальное приращение скорости (для одноступенчатой системы), при этом:

  • если приращение скорости много больше удельного импульса, требуется огромное количество топлива;
  • если приращение скорости много меньше удельного импульса, требуется пропорционально большее количество энергии, а при её отсутствии — времени.

В пятой колонке указан уровень готовности технологии:

  • 1 — известны только основные физические принципы;
  • 2 — сформулирована теория;
  • 3 — теория подтверждена экспериментально;
  • 4 — компоненты испытаны в лаборатории;
  • 5 — компоненты испытаны в вакууме;
  • 6 — проведены наземные испытания / компоненты испытаны в космосе;
  • 7 — проведены испытания в космосе;
  • 8 — допущено к лётным испытаниям;
  • 9 — проведены лётные испытания.
Двигательные установки
Тип Эквивалентный
удельный
импульс (км/с)
Тяга
(Н)
Время
работы
Макс.
приращение
скорости
(км/с)
Уровень
готовности
Твердотопливный ракетный двигатель &0000000000000002.5000001 — 4 &0000000000100000.000000103 — 107 &0000000000000060.000000минуты &0000000000000007.000000~ 7 &&&&&&&&&&&&&&09.&&&&&09
Гибридный ракетный двигатель &0000000000000002.8500001,5 — 4,2 &0000000000001000.000000<0,1 — 107 &0000000000000060.000000минуты &0000000000000003.000000> 3 &&&&&&&&&&&&&&09.&&&&&09
Однокомпонентный ракетный двигатель &0000000000000002.0000001 — 3 &0000000000000003.1622780,1 — 100 &0000000000000001.000000миллисекунды/минуты &0000000000000003.000000~ 3 &&&&&&&&&&&&&&09.&&&&&09
Жидкостный ракетный двигатель &0000000000000002.8500001,0 — 4,7 &0000000000001000.0000000,1 — 107 &0000000000000060.000000минуты &0000000000000009.000000~ 9 &&&&&&&&&&&&&&09.&&&&&09
Ионный двигатель &0000000000000112.50000015 — 210[16] &0000000000000000.10000010−3 — 10 &0000000009109894.427489месяцы/годы &0000000000000100.000000> 100 &&&&&&&&&&&&&&09.&&&&&09
Двигатель на эффекте Холла &0000000000000029.0000008 — 50 &0000000000000000.10000010−3 — 10 &0000000009109894.427489месяцы/годы &0000000000000100.000000> 100 &&&&&&&&&&&&&&09.&&&&&09[17]
Резисторный ракетный двигатель[en] &0000000000000004.0000002 — 6 &0000000000000000.31622810−2 — 10 &0000000000000060.000000минуты ? &&&&&&&&&&&&&&08.&&&&&08[18]
Электрический ракетный двигатель термический &0000000000000010.0000004 — 16 &0000000000000000.31622810−2 — 10 &0000000000000060.000000минуты ? &&&&&&&&&&&&&&08.&&&&&08
[источник не указан 3641 день]
Электростатический ракетный двигатель &0000000000000115.000000100[19] — 130 &-1-1-1-1000000000000.00003210−6[19] — 10−3[19] &0000000009109894.427489месяцы/годы ? &&&&&&&&&&&&&&08.&&&&&08[19]
Пульсирующий плазменный двигатель &0000000000000020.000000~ 20 &0000000000000000.100000~ 0.1 &0000000016099689.437998~2 000-10 000 ч ? &&&&&&&&&&&&&&07.&&&&&07
Двухрежимный ракетный двигатель &0000000000000002.8500001 — 4,7 &0000000000001000.0000000.1 — 107 &0000000000000001.000000миллисекунды/минуты &0000000000000006.000000~ 3 — 9 &&&&&&&&&&&&&&07.&&&&&07
Солнечный парус &&&&&&&&&0300000.&&&&&0300 000 (давление света)
145 — 750 (солнечный ветер)
&&&&&&&&&&&&&&09.&&&&&09 на 1 а. е.
230 на 0,2 а. е.
10−10 на 4 св. годах
(для паруса площадью 1 км²)
неограниченно &0000000000000040.000000> 40 &0000000000000006.6670009,
6,
5
Трехкомпонентный ракетный двигатель &0000000000000003.9000002,5 — 5,3 &0000000000001000.0000000,1 — 107 &0000000000000060.000000минуты &0000000000000009.000000~ 9 &&&&&&&&&&&&&&06.&&&&&06[20]
Магнитоплазмодинамический двигатель &0000000000000060.00000020 — 100 &&&&&&&&&&&&0100.&&&&&0100 &0000000000604800.000000недели ? &&&&&&&&&&&&&&06.&&&&&06[21]
Ядерный ракетный двигатель &&&&&&&&&&&&&&09.&&&&&09[22] &0000000010000000.000000107[22] &0000000000000060.000000минуты[22] &0000000000000020.000000> ~ 20 &&&&&&&&&&&&&&06.&&&&&06
Электромагнитный ускоритель &0000000000000015.0000000 — ~30 &0000000001000000.000000104 — 108 &0000000002678400.000000месяцы ? &&&&&&&&&&&&&&06.&&&&&06
Тросовая система &0000000001000000.0000001 — 1012 &0000000000000060.000000минуты &0000000000000007.000000~ 7 &&&&&&&&&&&&&&07.&&&&&07[23]
Прямоточный воздушно-реактивный двигатель &0000000000000005.5000005 — 6 &0000000000001000.0000000.1 — 107 &0000000000000007.745967секунды/минуты &0000000000000007.000000> 7? &&&&&&&&&&&&&&06.&&&&&06[24][25]
Двигатель с ожижением атмосферного воздуха &&&&&&&&&&&&&&04.5000004,5 &0000000000100000.000000103 — 107 &0000000000000007.745967секунды/минуты ? &&&&&&&&&&&&&&06.&&&&&06
Пульсирующий индуктивный двигатель &0000000000000045.00000010[26] — 80[26] &&&&&&&&&&&&&020.&&&&&020 &0000000002678400.000000месяцы ? &&&&&&&&&&&&&&05.&&&&&05[26]
Электромагнитный ракетный ускоритель &0000000000000155.00000010 — 300 &0000000000000620.00000040 — 1,200 &0000000000481054.840949дни/месяцы &0000000000000100.000000> 100 &&&&&&&&&&&&&&05.&&&&&05
Плазменный двигатель &0000000000000070.00000010 — 130 &0000000000000000.3162280.1 — 1 &0000000000481054.840949дни/месяцы &0000000000000100.000000> 100 &&&&&&&&&&&&&&05.&&&&&05
Солнечный ракетный двигатель &0000000000000009.5000007 — 12 &0000000000000010.0000001 — 100 &0000000000604800.000000недели &0000000000000020.000000> ~ 20 &&&&&&&&&&&&&&04.&&&&&04[27]
Радиоизотопный ракетный двигатель &0000000000000007.5000007 — 8 &0000000000000001.4000001.3 — 1.5 &0000000002678400.000000месяцы ? &&&&&&&&&&&&&&04.&&&&&04
Ядерный электрический ракетный двигатель переменная переменная переменная ? &&&&&&&&&&&&&&04.&&&&&04
Проект «Орион» (ядерный «взрыволёт») &0000000000000060.00000020 — 100 &0000031622776601.683998109 — 1012 &0000000000604800.000000несколько дней &0000000000000045.000000~ 30 — 60 &&&&&&&&&&&&&&03.&&&&&03[28][29]
Космический лифт неограниченно &0000000000000012.000000> 12 &&&&&&&&&&&&&&03.&&&&&03
Ракетный двигатель SABRE[en] &0000000000000017.25000030/4,5 &0000000000001000.0000000.1 — 107 &0000000000000060.000000minutes &&&&&&&&&&&&&&09.4000009,4 &&&&&&&&&&&&&&03.&&&&&03
Магнитный парус &0000000000000447.500000145 — 750 &&&&&&&&&&&&&070.&&&&&070/40 тонн[30] неограниченно ? &&&&&&&&&&&&&&03.&&&&&03
Мини-магнитосферный плазменный двигатель[en] &&&&&&&&&&&&0200.&&&&&0200 &0000000000000400.000000~1 Н/кВт &0000000002678400.000000месяцы ? &&&&&&&&&&&&&&03.&&&&&03[31]
Лучевой (лазерный) двигатель переменная переменная переменная ? &&&&&&&&&&&&&&03.&&&&&03
Пусковая петля/космический мост &0000000000010000.000000~104 &0000000000000060.000000минуты &0000000000000020.500000≫ 11 — 30 &&&&&&&&&&&&&&02.&&&&&02
Проект «Дедал» &0000000000000510.00000020 — 1000 &0000031622776601.683998109 — 1012 &0000000031557600.000000годы &0000000000015000.000000~ 15 000 &&&&&&&&&&&&&&02.&&&&&02
Газофазный ядерный реактивный двигатель &0000000000000015.00000010 — 20 &0000000000031622.776602103 — 106 ? ? &&&&&&&&&&&&&&02.&&&&&02
Ядерный ракетный двигатель на гомогенном растворе солей ядерного топлива &&&&&&&&&&&&0100.&&&&&0100 &0000000000100000.000000103 — 107 &0000000000001800.000000полчаса ? &&&&&&&&&&&&&&02.&&&&&02
Парус на частицах ядерного распада ? ? ? ? &&&&&&&&&&&&&&02.&&&&&02
Ракетный двигатель на частицах ядерного распада &&&&&&&&&&015000.&&&&&015 000 ? ? ? &&&&&&&&&&&&&&02.&&&&&02
Фотонный двигатель &&&&&&&&&0300000.&&&&&0300 000 &-1-100000000000000.00316210−5 — 1 &0000000099793893.488530годы/десятилетия ? &&&&&&&&&&&&&&02.&&&&&02
Термоядерный ракетный двигатель &0000000000000550.000000100 — 1000 ? ? ? &&&&&&&&&&&&&&02.&&&&&02
Каталитический ядерный импульсный ракетный двигатель на антиматерии &0000000000002100.000000200 — 4000 ? &0000000000228592.913276дни/недели ? &&&&&&&&&&&&&&02.&&&&&02
Межзвёздный прямоточный двигатель Бассарда &0000000000010001.1000002.2 — 20 000 ? неограниченно &0000000000030000.000000~30 000 &&&&&&&&&&&&&&02.&&&&&02
Варп-двигатель > 300 000 ? ? неограниченно &&&&&&&&&&&&&&01.&&&&&01
Тип Эквивалентный
удельный
импульс (км/с)
Тяга
(Н)
Время
работы
Максимальное
приращение
скорости
(км/с)
Уровень
готовности
  1. Olsen, Carrie Hohmann Transfer & Plane Changes (неопр.). NASA (21 сентября 1995). Дата обращения 30 июля 2007. Архивировано 15 июля 2007 года.
  2. Hess, M.; Martin, K. K.; Rachul, L. J.. Thrusters Precisely Guide EO-1 Satellite in Space First, NASA (7 февраля 2002). Архивировано 6 декабря 2007 года. Дата обращения 30 июля 2007.
  3. Phillips, Tony Solar S’Mores (неопр.). NASA (30 мая 2000). Дата обращения 30 июля 2007. Архивировано 4 июля 2012 года.
  4. Doody, Dave. Chapter 4. Interplanetary Trajectories, Basics of Space Flight, NASA JPL (7 февраля 2002). Архивировано 17 июля 2007 года. Дата обращения 30 июля 2007.
  5. Hoffman, S. (August 20–22, 1984). «A comparison of aerobraking and aerocapture vehicles for interplanetary missions». AIAA and AAS, Astrodynamics Conference: 25 p., Seattle, Washington: American Institute of Aeronautics and Astronautics. Проверено 2007-07-31.  Архивная копия от 27 сентября 2007 на Wayback Machine
  6. Anonymous. Basic Facts on Cosmos 1 and Solar Sailing (неопр.) (недоступная ссылка). The Planetary Society (2007). Дата обращения 26 июля 2007. Архивировано 8 февраля 2006 года.
  7. ↑ Japan Aerospace Exploration Agency (9 July 2010). About the confirmation of photon acceleration of «IKAROS», the small solar-sail demonstrating craft (на японском языке). Пресс-релиз. Проверено 2010-07-10.
  8. Rahls, Chuck Interstellar Spaceflight: Is It Possible? (неопр.). Physorg.com (7 декабря 2005). Дата обращения 31 июля 2007. Архивировано 4 июля 2012 года.
  9. Zobel, Edward A. Summary of Introductory Momentum Equations (неопр.). Zona Land (2006). Дата обращения 2 августа 2007. Архивировано 4 июля 2012 года.
  10. 1 2 Benson, Tom Guided Tours: Beginner’s Guide to Rockets (неопр.). NASA. Дата обращения 2 августа 2007. Архивировано 4 июля 2012 года.
  11. Choueiri, Edgar Y. A Critical History of Electric Propulsion: The First 50 Years (1906–1956) (англ.) // Journal of Propulsion and Power : journal. — 2004. — Vol. 20, no. 2. — P. 193—203. — DOI:10.2514/1.9245.
  12. Drachlis, Dave. NASA calls on industry, academia for in-space propulsion innovations, NASA (24 октября 2002). Архивировано 6 декабря 2007 года. Дата обращения 26 июля 2007.
  13. King-Hele, Desmond. Satellite orbits in an atmosphere: Theory and application (англ.). — Springer (англ.)русск., 1987. — ISBN 978-0-216-92252-5.
  14. Tsiotras, P.; Shen, H.; Hall, C. D. Satellite attitude control and power tracking with energy/momentum wheels (англ.) // Journal of Guidance, Control, and Dynamics (англ.)русск. : journal. — 2001. — Vol. 43, no. 1. — P. 23—34. — ISSN 0731-5090. — DOI:10.2514/2.4705.
  15. John J. Dykla1, Robert Cacioppo2 и Asim Gangopadhyaya1. Gravitational slingshot (англ.) // American Journal of Physics. — 2004. — Vol. 72, iss. 5. — P. 619. — DOI:10.1119/1.1621032.
  16. ↑ ESA Portal — ESA and ANU make space propulsion breakthrough
  17. ↑ Hall effect thrusters have been used on Soviet/Russian satellites for decades.
  18. A Xenon Resistojet Propulsion System for Microsatellites Архивировано 18 сентября 2010 года. (Surrey Space Centre, University of Surrey, Guildford, Surrey)
  19. 1 2 3 4 Alta — Space Propulsion, Systems and Services — Field Emission Electric Propulsion Архивировано 7 июля 2011 года.
  20. ↑ RD-701 Архивировано 10 февраля 2010 года.
  21. ↑ Google Translate
  22. 1 2 3 RD-0410 Архивировано 8 апреля 2009 года.
  23. ↑ Young Engineers’ Satellite 2
  24. ↑ Gnom Архивировано 2 января 2010 года.
  25. ↑ NASA GTX Архивировано 22 ноября 2008 года.
  26. 1 2 3 The PIT MkV pulsed inductive thruster
  27. ↑ Pratt & Whitney Rocketdyne Wins $2.2 Million Contract Option for Solar Thermal Propulsion Rocket Engine Архивная копия от 28 апреля 2019 на Wayback Machine (Press release, June 25, 2008, Pratt & Whitney Rocketdyne)
  28. ↑ Operation Plumbbob (неопр.) (July 2003). Дата обращения 31 июля 2006. Архивировано 4 июля 2012 года.
  29. Brownlee, Robert R. Learning to Contain Underground Nuclear Explosions (неопр.) (June 2002). Дата обращения 31 июля 2006. Архивировано 4 июля 2012 года.
  30. ↑ アーカイブされたコピー (неопр.). Дата обращения 27 февраля 2009. Архивировано 27 февраля 2009 года.
  31. ↑ MagBeam
  • Оценка гипотетических двигателей (NASA): Marc G Millis Assessing potential propulsion breakthroughs (2005)

Изготовление плазменных двигателей в России / Habr

Гигантские звездолеты с призрачно светящимися двигателями стали одним из постоянных атрибутов космической фантастики. В то же время плазменные двигатели уже полвека успешно используются в настоящей космонавтике, и российские разработчики являются одними из мировых лидеров. Мне удалось посетить калининградское предприятие «ОКБ Факел» и увидеть, как создаются стационарные плазменные двигатели.

Стационарный плазменный двигатель (СПД) — это одна из разновидностей электроракетного двигателя, где электрическая энергия используется для ионизации газа и придания полученной плазме высокой скорости истечения из «сопла».

У такого двигателя нет топлива в привычном понимании, т.е. горючего и окислителя, необходимого для химической реакции с выделением тепла. СПД подходит практически любой газ, но лучше использовать химически неактивные и с высокой атомной массой, вроде аргона или ксенона. Плазменные двигатели обеспечивают очень высокую скорость выбрасываемой струи газа, например, для ксенона это около 30 км/с. Для сравнения, скорость выброса газа у одного из самых эффективных химических ракетных двигателей — кислород-водородного — около 4,5 км/с. Преимуществом химических двигателей является способность выбрасывать сразу много газа, что дает большую тягу. СПД же требует мощного источника электрической энергии, и даже с ним способен выбрасывать лишь незначительную массу газа за момент времени, то есть имеет очень малую тягу и требует много времени на разгон и торможение. Плазменные двигатели применяются только в космосе: оснащенные ими космические аппараты имеют относительно малый запас рабочего тела и большой размах солнечных батарей.

О возможностях использования электроракетных двигателей задумывались еще в начале XX века, но к первым испытаниям в космосе перешли только в 60-е годы. В 1972 году в системе ориентации советского спутника «Метеор» использовались два электроракетных двигателя: ионный и стационарный плазменный. СПД показал себя лучше, и советские специалисты сконцентрировались на этой разновидности. В создании экспериментальных образцов принимали участие специалисты «ОКБ Факел», и с того времени предприятие стало специализироваться на производстве двигателей такого типа, развивать и совершенствовать технологию.

В начале XXI века калининградский СПД-100 прошел успешные испытания на лунном спутнике Европейского космического агентства Smart-1.

После успешного полета к Луне европейские производители коммерческих геостационарных спутников стали закупать российские двигатели и создавать новые поколения спутников. Ранее на спутниках-ретрансляторах использовались химические двигатели на токсичном гидразине. Применение российских СПД открыло возможность создания т.н. «полностью электрических спутников», на которых уже не было химической тяги.

Калининградские СПД имеют довольно небольшой размер, но цикл их производства всё же требует немалых производственных площадей.

Разработчики «ОКБ Факел» активно сотрудничают с европейскими производителями и даже помогали французам сделать свой двигатель. Однако на предприятии строжайшие нормы безопасности. Фотосъемка на экскурсии была запрещена сотрудниками службы безопасности, а кадры использованные в репортаже, сняли позже сотрудники пресс-службы по моей просьбе.

На «ОКБ Факел» наглядно видна преемственность поколений.
Молодые работают рядом с опытными специалистами.

Кульманы давно заменены на САПР «Компас-3D» для разработки трехмерных моделей и выпуска конструкторской документации.

Цех механической обработки открывается современными станками ЧПУ.

— В некоторых случаях у нас токари пишут программы сами, — говорит генеральный конструктор предприятия Евгений Космодемьянский. И я понимаю, что пришло время выбросить свое удостоверение токаря второго разряда.

Однако в глубине зала работа идет на универсальных станках, где роль ручного труда сохраняет значение, и мои надежды на космическую карьеру возрождаются.

Необходимый этап создания космического двигателя — испытание. Для проверки СПД требуется смоделировать условия космоса, прежде всего вакуум.

Вакуумные камеры кажутся огромными для таких небольших двигателей. Они пригодны для испытания всей линейки двигателей, которые производят на «ОКБ Факел».

В советские времена здесь разрабатывали самый мощный двигатель в своем классе — СПД-290. Сейчас создается сравнимый по мощности СПД-230.

Своими глазами работу плазменного двигателя увидеть, к сожалению, не удалось, но фото нам предоставили.

Недавно «Роскосмос» показал классное видео с бортовых камер спутника Egyptsat-A, созданного в «РКК Энергия».

На этих кадрах, пожалуй, впервые миру показана работа плазменных двигателей СПД-70 в космосе.

Возможно, моя фраза про мировое лидерство «ОКБ Факел» может показаться излишне пафосной, но практика показывает правоту этих слов. Space System/Loral, Airbus — это одни из самых крупных производителей коммерческих спутников связи в мире, и они берут калининградские СПД. А совсем недавно заключен вероятно самый большой контракт в истории мирового спутникостроения — на несколько сотен модернизированных двигателей СПД-50М.

Когда проходила моя экскурсия сотрудники предприятия не признавались кто заказчик ссылаясь на соглашение о неразглашении. Позже информация попала в СМИ и теперь мы знаем, что это OneWeb. Проект низкоорбитального спутникового интернета предполагает запуск почти тысячи космических аппаратов в течение трех-четырех лет. И на каждом спутнике будет российский плазменный двигатель.

Новый заказ требует перестройки всего производства, ведь надо создавать практически по двигателю в день. Специалистов на работу набирают даже из других городов. Такой нагрузки не было никогда, поэтому под проект OneWeb провели модернизацию с новыми станками ЧПУ и оборудовали новое современное чистое помещение для сборки.

За каждым столом собирается по двигателю.

Готовые изделия запираются в специальном шкафу, где поддерживается определенный режим температуры и влажности.

Работа почти ювелирная и неподготовленным взглядом воспринимается непривычно. Обычно под сборкой космических двигателей понимается что-то более масштабное.

Зато в результате получаются вот такие красавцы.

Финальный этап экскурсии — музей предприятия. Здесь первым делом показывают историческую гордость, «лунный камин» — макет радиоизотопного теплогенератора, который был установлен на советских «Луноход-1» и «Луноход-2» и согревал электронику в холодные лунные ночи.

Разумеется, музейный образец не начинен полонием и не радиоактивен.

Еще одно направление производимых «ОКБ Факел» двигателей для космических аппаратов — термокаталитические. Они требуют химического топлива, но его разложение до газообразных компонентов происходит при помощи металлического катализатора, размещенного внутри двигателя. Для повышения интенсивности реакции катализатор нагревается подобно спирали электроплитки.

Термокаталитические двигатели имеют меньшую эффективность чем плазменные или даже химические двухкомпонентные, зато они позволяют создать более простую топливную систему. Обычно такие двигатели используются для ориентирования космических аппаратов и располагаются в блоках по несколько штук.

Особый интерес вызывает один музейный образец — стационарный плазменный двигатель, прошедший длительные испытания в вакуумной камере. Тысячи часов работы приводят к деградации поверхности двигателя под воздействием плазмы.

Такие испытания позволяют повышать ресурс двигателей. Сейчас СПД обеспечивают гарантированную работу в течение нескольких тысяч часов. И, по словам представителей «ОКБ Факел», этот ресурс многократно подтвержден заказчиками, и новые заказы лучше всего говорят о качестве.

Хотелось бы приурочить эту публикацию к Дню космонавтики, чтобы не на словах, а на примере «ОКБ Факел» показать, что у нас есть космос, надо просто уметь его готовить.

Выражаю признательность пресс-службе и сотрудникам «ОКБ Факел» и компании «Аскон» за большую помощь в подготовке материала.

Немцы испытали высокочастотный плазменный двигатель

Разряд между анодами и катодом в плазменном двигателе

Berkant Göksel / Technical University of Berlin

Исследователи из Берлинского технического университета разработали и испытали новую версию плазменного двигателя, способного, в отличие от других прототипов, работать при нормальном, а не низком, атмосферном давлении. Работа ученых опубликована в Journal of Physics: Conference Series, а краткое ее изложение приводит New Scientist. Новая силовая установка относится к типу магнитоплазмодинамических двигателей, которые потенциально могут быть использованы на самых разных классах летательных аппаратов.

Плазменный двигатель представляет собой разновидность электрического ракетного двигателя. В нем рабочее тело приобретает ускорение, находясь в состоянии плазмы. Разработка таких двигательных установок с переменным успехом ведется разными исследовательскими организациями с 1950-х годов. В частности, первый рабочий прототип плазменного двигателя был создан и испытан Исследовательским центром имени Льюиса (ныне Исследовательский центр Гленна) в 1961 году.

В плазменном двигателе газ подается в рабочую кольцевую зону, внешняя часть которой представляет анод, а внутренняя, расположенная ближе к выходу, — катод. При подаче на анод и катод постоянного напряжения в сотни вольт, в рабочей зоне возникает ионизирующий разряд и образуется плазма. Затем эта плазма под действием силы Лоренца начинает двигаться в сторону выхода из рабочей зоны, создавая тягу. Для работы плазменного двигателя требуется большое количество энергии.

Как утверждают разработчики, их магнитоплазмодинамический двигатель по своей тяге значительно превосходит существовавшие до сих пор прототипы. Испытанный их прототип, будучи масштабированным до размеров обычного авиационного двигателя, как утверждается, сможет развивать тягу от 50 до 150 килоньютонов в зависимости от подаваемого напряжения. Испытанный прототип представляет собой установку длиной 80 миллиметров и диаметром 14 миллиметров.

Прототип плазменного двигателя состоит из шести медных анодов, расположенных вокруг медного же катода на расстоянии двух миллиметров. Конец катода выполнен в виде конуса. Во время испытаний исследователи через высокочастотный высоковольтный импульсный генератор подавали на анод и катод напряжение до 16 киловольт. Подаваемое напряжение зависело от заряда конденсаторов перед генератором. Конденсаторы заряжались 300, 400 и 500 вольтами.

При подаче напряжения на анод и катод импульсами между ними возникали разряды с частотой 3,5 килогерца. Благодаря им в двигателе и образовывалась плазма. То, что силовая установка способна выдавать заметную тягу, исследователи проверили с помощью маятника длиной 55 миллиметров и массой 15 граммов. В зависимости от подаваемого на аноды и катод двигателя напряжения отклонение маятника от сопла составляло от пяти до 25 градусов.

Исследователи полагают, что в будущем такие магнитоплазмодинамические двигатели можно будет устанавливать на самолеты, причем силовые установки будут эффективно работать на всех этапах: от взлета до полета на высоте 50 тысяч метров. При этом исследователи отмечают, что плазменные двигатели нуждаются в большом количестве энергии, запасти которую при помощи аккумуляторов невозможно. Разработчики полагают, что новые плазменные двигатели будут востребованы тогда, когда будут созданы компактные термоядерные реакторы.

Следует отметить, что сами по себе электрические ракетные двигатели уже существуют и даже используются на спутниках. Они создают относительно небольшую тягу, а потому пригодны для использования только в космосе. К электрическим ракетным двигателям (ионный тип) относится, в частности, двигатель Холла, устанавливаемые на некоторые модели спутников. Испытания модернизированной версии двигателя Холла проводились американцами на орбитальном беспилотнике X-37B.

Двигатель Холла является разновидностью ионного двигателя, однако отличается от последнего большей тягой и меньшим расходом рабочего тела. В качестве рабочего тела в силовой установке используется ксенон. Силовая установка представляет собой кольцевую камеру, расположенную между анодом и катодом. В нее подается рабочее тело, которое ионизируется катодом и анодом и разгоняется электростатическим полем в осевом направлении.

Василий Сычёв

магнитоплазмодинамический двигатель и способ его работы — патент РФ 2351800

Изобретение относится к электроракетным двигателям. Магнитоплазмодинамический двигатель содержит анод, нейтральную вставку, изоляторы, монтажный фланец, катод-испаритель, снабженный многополостным катодом, испарителем лития, емкостью активирующего вещества на основе бария и нагревателем. Емкость активирующего вещества выполнена кольцеобразной формы из тугоплавкого металла и охватывает нагреватель и испаритель лития, внутри емкости расположен пористый вкладыш с высокой пористостью, пропитанный активирующим веществом. Одним торцом емкость состыкована с монтажным фланцем, а другим герметично соединена с катодом и корпусом испарителя лития, при этом в стенке емкости, сообщающейся с внутренней полостью катода, выполнены равномерно расположенные по окружности калиброванные отверстия. В способе работы двигателя, включающем измерение и поддержание постоянными величин тока разряда и расхода рабочего тела, дополнительно измеряют напряжение между катодом и нейтральной вставкой и при увеличении его на 12-15% включают нагреватель катода. Изобретение позволяет упростить двигательную установку и снизить ее вес. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Рисунки к патенту РФ 2351800

Предлагаемое изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД).

Магнитоплазмодинамический двигатель (МПДД), в России его также называют торцевым сильноточным двигателем (ТСД), обладает рядом преимуществ по отношению к другим типам ЭРД: он имеет наиболее высокую плотность тяги (отношение тяги к площади максимального поперечного сечения двигателя), высокую электрическую мощность единичного модуля в сочетании с высокими достижимыми значениями тяги, удельного импульса и КПД и обладает возможностью непосредственной стыковки с космической энергоустановкой (без использования преобразователя напряжения энергоустановки).

Известен МПДД [1], работающий на литии, включающий многополосной катод, нагреватель, анод, системы подачи лития и охлаждения. Для поддержания постоянной величины тяги в таком двигателе поддерживают постоянными ток разряда и расход лития. Значительным недостатком этого двигателя является функционирование его лишь в течение десятков часов.

Также известен МПДД [2], принятый за прототип, содержащий анод, нейтральную вставку, изоляторы, монтажный фланец, катод-испаритель, снабженный многополостным катодом, испарителем лития, емкостью активирующего вещества на основе бария и нагревателем. Емкость активирующего вещества в виде ампулы размещена в полости катода-испарителя. Такой двигатель на мощности до 500 кВт отработал около 500 часов.

При работе МПД двигателя рабочее тело (литий) от специальной системы подачи и дозировки подается в жидком состоянии с заданным расходом (при мощности 500 кВт расход лития равен ~0,3-0,35 г/c) в нагретый до температуры 1000°С катод-испаритель, после которого пар лития ионизируется в каналах многополостного катода и поступает в разрядный промежуток. Образовавшаяся плазма ускоряется в собственном магнитном поле сильноточного дугового разряда. При этом измеряют и поддерживают постоянными величину тока разряда и расход рабочего тела (лития), что позволяет поддерживать номинальный режим работы двигателя. Использование активирующего вещества на основе бария в многополостных катодах МПДД позволяет снизить температуру катода с 3000-3100К до 1730-1750К, т.е. на несколько порядков уменьшить скорость эрозии вольфрама. Испытания показали, что при этом скорость уноса бария мала и составляет лишь ~0,1-0,5% от величины расхода лития. Учитывая, что размеры катода-испарителя не позволяют разместить во внутренней полости катода ампулу объемом более 150-200 см3, такого запаса бария хватает примерно на 500 часов. Необходимый ресурс двигателя должен на порядок превышать эту величину.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение ресурса работы МПДД.

Поставленная задача решается тем, что в магнитоплазмодинамическом двигателе, содержащем анод, нейтральную вставку, изоляторы, монтажный фланец, катод-испаритель, снабженный многополостным катодом, испарителем лития, емкостью активирующего вещества на основе бария и нагревателем, емкость активирующего вещества выполнена кольцеобразной формы из тугоплавкого металла и охватывает нагреватель и испаритель лития, внутри емкости расположен пористый вкладыш с высокой пористостью, пропитанный активирующим веществом, одним торцом емкость состыкована с монтажным фланцем, а другим герметично соединена с катодом и корпусом испарителя лития, при этом в стенке емкости, сообщающейся с внутренней полостью катода, выполнены равномерно расположенные по окружности калиброванные отверстия.

Поставленная задача также решается тем, что в способе работы магнитоплазмодинамического двигателя, включающем измерение и поддержание постоянными величин тока разряда и расхода рабочего тела, дополнительно измеряют напряжение между катодом и нейтральной вставкой и при увеличении его на 12-15% включают нагреватель катода.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение и снижение веса двигательной установки, так как для увеличения ресурса работы не требуется специальной автономной системы подачи активирующего вещества на основе бария.

На чертеже представлена конструкция предлагаемого МПДД.

МПДД состоит из анода 1, нейтральной вставки 2, изоляторов 3, управляющего соленоида 4, монтажного фланца 5, многополостного катода 6, испарителя лития 7 и нагревателя 8. Емкость активирующего вещества 9 выполнена из тугоплавкого металла и имеет кольцевую форму, охватывая нагреватель 8 и испаритель лития 7. Во внутренней полости емкости 9 расположен пористый вкладыш 10 с высокой пористостью (выше 50%), пропитанный активирующим веществом на основе бария. Со стороны одного торца емкость 9 состыкована с монтажным фланцем 5 и прикреплена к нему, а с другой стороны — герметично соединена с катодом 6 и корпусом испарителя лития 7, причем в стенке емкости 9, сообщающейся с внутренней полостью катода 6, выполнены равномерно расположенные по окружности калиброванные отверстия 11. Анод 1, управляющий соленоид 4, нейтральная вставка 2 и катод-испаритель, прикрепленный к монтажному фланцу 5, соединены с помощью изоляторов 3 и крепежных деталей 12.

Предлагаемый МПДД работает следующим образом. Литий с заданным расходом в жидком состоянии подают в испаритель лития 7, нагретый с помощью нагревателя 8 до температуры 1000-1100°С, из которого пар лития поступает во внутренние полости многополостного катода 6, где ионизируется. Плазма лития попадает в разрядный промежуток между катодом 6 и анодом 1 и ускоряется в собственном магнитном поле дугового разряда. Поступающий из источника активирующего вещества 9 барий и его окислы адсорбируются на вольфраме катода 6, значительно снижая работу выхода вольфрама, что приводит к уменьшению температуры катода 6 на примерно 1300°С. Эксперимент показал, что скорость уноса активирующего вещества на основе бария составляет ~0,1% от расхода лития, т.е. для работы МПДЦ мощностью ~500 кВт в течение 5000 часов необходимый запас активирующего вещества на основе бария составляет около 6,5 кг, занимающей объем ~1,5 литра. В ампуле двигателя-прототипа можно поместить на порядок меньше активирующего вещества. В предложенном двигателе при пористости вкладыша 10 порядка 70% объем источника активирующего вещества составит ~2 литра. При работе МПДЦ на указанной мощности на катоде выделяется более 10 кВт энергии, что достаточно, чтобы при выключенном нагревателе 8 испарять необходимый расход лития и активирующего вещества. Как показал эксперимент, достаточность расхода активирующего вещества с большой точностью определяется постоянным значением падения потенциала между катодом и нейтральной вставкой. Так при увеличении указанного падения потенциала на 12-15% температура катода возрастает на 30-40°С, что характеризует уменьшение степени покрытия катода активирующим веществом на основе бария. В предложенном способе работы двигателя на постоянном по расходу лития и по току разряда режиме при увеличении падения потенциала на 12-15% включают нагреватель 8 для увеличения температуры источника активирующего вещества, т.е. для увеличения его расхода. При восстановлении номинального значения падения потенциала между катодом и нейтральной вставкой нагреватель выключают.

Преимуществом предлагаемого изобретения является увеличение ресурса работы МПДД в десять раз без использования специальной автономной системы подачи активирующей присадки на основе бария, что значительно упрощает и облегчает двигательную установку с использованием МПДД.

Литература.

1. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Ионные и плазменные ракетные двигатели. Т.4. М.: Наука, 2000, с.316-320.

2. Агеев В.П., Островский В.Г. Магнитоплазмодинамический двигатель большой мощности непрерывного действия на литии. М.: Наука, «Известия Российской академии наук. Энергетика», 2007, № 3, с.82-95.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Магнитоплазмодинамический двигатель, содержащий анод, нейтральную вставку, изоляторы, монтажный фланец, катод-испаритель, снабженный многополостным катодом, испарителем лития, емкостью с активирующим веществом на основе бария и нагревателем, отличающийся тем, что емкость активирующего вещества выполнена кольцеобразной формы из тугоплавкого металла и охватывает нагреватель и испаритель лития, внутри емкости расположен пористый вкладыш с высокой пористостью, пропитанный активирующим веществом, со стороны одного торца емкость состыкована с монтажным фланцем двигателя, а со стороны другого герметично соединена с катодом и корпусом испарителя лития, при этом в стенке емкости, сообщающейся с внутренней полостью катода, выполнены равномерно расположенные по окружности калиброванные отверстия.

2. Способ работы магнитоплазмодинамического двигателя, включающий измерение и поддержание постоянными величин тока разряда и расход рабочего тела, отличающийся тем, что дополнительно измеряют напряжение между катодом и нейтральной вставкой и при увеличении его на 12-15% включают нагреватель катода.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *