masterok

Мастерок.жж.рф

Хочу все знать

Проблема перемещения в космосе стоит перед человечеством с момента начала орбитальных полетов. Ракета взлетая с земли расходует практически все свое топливо, плюс заряды ускорителей и ступеней. И если ракету еще можно оторвать от земли, заправив её огромным количеством топлива, на космодроме, то в открытом космосе заправляться попросту негде и нечем. А ведь после выхода на орбиту нужно двигаться дальше. А топлива нет.

И в этом то и состоит основная проблема современной космонавтики. Выбросить на орбиту корабль с запасом топлива до луны еще можно, под эту теорию строятся планы создать на луне базу дозаправки «дальнобойных» космических кораблей, летящих например на Марс. Но это все слишком сложно.

А решение проблемы было создано очень давно, еще в 1955 году, когда Алексей Иванович Морозов опубликовал статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». В ней он описывал концепцию принципиально нового космического двигателя.

Устройство ионно плазменного двигателя

Принцип действия плазменного двигателя состоит в том, что рабочим телом выступает не сгорающее топливо, как в реактивных двигателях, а разогнанный магнитным полем до безумных скоростей поток ионов.

Источником ионов служит газ, как правило это аргон или водород, бак с газом стоит в самом начале двигателя, оттуда газ подается в отсек ионизации, получается холодная плазма, которая разогревается в следующем отсеке посредством ионного циклотронного резонансного нагрева. После нагрева, высокоэнергетическая плазма подается в магнитное сопло, где она формируется в поток посредством магнитного поля, разгоняется и выбрасывается в окружающую среду. Таки образом достигается тяга.

С тех пор плазменные двигатели прошли большой путь и разделились на несколько основных типов, это электротермические двигатели, электростатические двигатели, сильноточные или магнитодинамические двигатели и импульсные двигатели.

В свою очередь электростатические двигатели делятся на ионные и плазменные (ускорители частиц на квазинейтральной плазме).

В данной статье мы напишем про современные ионные двигатели и их перспективные разработки, так как на наш взгляд именно за ними будущее космического флота.

Ионный двигатель использует в качестве топлива ксенон или ртуть. Первый ионный двигатель назывался сетчатый электростатический ионный двигатель.

Принцип его действия таков:

В ионизатор подается ксенон, который сам по себе нейтрален, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны.

Положительные же ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2 или 3 сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против – 225 на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона.

Российские ионные двигатели. На всех хорошо видны катодные трубки, направленные в сторону сопла

Электроны, пойманные в катодную трубку выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается по двум причинам:

Во первых чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным, а во вторых чтобы ионы «нейтрализованные» таким образом не притягивались обратно к кораблю.

Чтобы ионный двигатель работал нужны всего две вещи – газ и электричество. С первым все просто отлично, двигателю американского межпланетного аппарата Dawn, который стартовал осенью 2007-го, для полета в течении почти 6 лет потребуется всего 425 килограммов ксенона. Для сравнения для корректировки орбиты МКС с помощью обычных ракетных двигателей каждый год затрачивается 7,5 тонн горючего.

Одно плохо – ионные двигатели имеют очень небольшую тягу, порядка 50–100 миллиньютонов, что абсолютно недостаточно при перемещении в атмосфере Земли. Но в космосе, где нет практически никаких сопротивлений, ионный двигатель при длительном разгоне может достигнуть значительных скоростей. Общее приращение скорости за всё время миссии Dawn составит порядка 10 километров в секунду.

Тест ионного двигателя для корабля Deep Space

Недавние испытания проведенные американской компанией Ad Astra Rocket, проведенные в вакуумной камере показали, что их новый Магнитоплазменный двигатель с переменным удельным импульсом” (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) VASIMR VX-200может дать тягу уже в 5 ньютонов.

Второй вопрос – электричество. Тот же VX-200 потребляет 201 кВт энергии. Солнечных батарей такому двигателю просто мало. Следовательно необходимо изобретать новые способы получения энергии в космосе. Тут есть два пути – заправляемые батареи например тритиевые, выводимые на орбиту вместе с кораблем, либо автономный атомный реактор, который и будет питать кораблю на протяжении всего полета.

Еще в 2006 году Европейское космическое агентство (European Space Agency) и Австралийский национальный университет (Australian National University) успешно провели испытания нового поколения космических ионных двигателей, достигнув рекордных показателей.

Двигатели, в которых заряженные частицы ускоряются в электрическом поле — давно известны. Они применяются для ориентации, коррекции орбиты на некоторых спутниках и межпланетных аппаратах, а в ряде космических проектов (как уже осуществившихся, так и только задуманных — читайте тут,тут и тут) — даже в качестве маршевых.

С ними специалисты связывают дальнейшее освоение Солнечной системы. И хотя все разновидности так называемых электроракетных двигателей сильно уступают химическим в максимальной тяге (граммы против килограммов и тонн), зато кардинально превосходят их в экономичности (расходе топлива на каждый грамм тяги за секунду). А эта экономичность (удельный импульс) прямо пропорционально зависит от скорости выбрасываемой реактивной струи.

Так вот, в опытном двигателе, названном «Двухступенчатый с четырьмя решётками» (Dual-Stage 4-Grid — DS4G), построенном по контракту ESA в Австралии, скорость эта достигла рекордных 210 километров в секунду.

Это, к примеру, раз в 60 выше, чем скорость выхлопа у хороших химических двигателей, и в 4-10 раз больше, чем у прежних «ионников».

Как ясно из названия разработки, такая скорость достигнута двухступенчатым процессом разгона ионов при помощи четырёх последовательных решёток (вместо традиционных одной стадии и трёх решёток), а также высоким напряжением — 30 киловольт. Кроме того, расхождение выходного реактивного пучка составило всего 3 градуса, против примерно 15 градусов — у прежних систем.

А вот информация последних дней.

Ионный двигатель (ИД) работает просто: газ из бака (ксенон, аргон и пр.) ионизируется и разгоняется электростатическим полем. Поскольку масса иона мала, а заряд он может получить значительный, ионы вылетают из двигателя со скоростями до 210 км/с. Химические двигатели могут достичь… нет, ни чего-то подобного, а всего лишь в двадцать раз меньшей скорости истечения продуктов сгорания лишь в исключительных случаях. Соответственно, расход газа в сравнении с расходом химического топлива крайне мал.

В 2014 году ионные двигатели справляют полувековой юбилей в космосе. Всё это время проблему эрозии не удавалось решить даже в первом приближении. (Здесь и ниже илл. NASA, Wikimedia Commons.)

Как и всё хорошее, ИД любит, чтобы его питали: на один ньютон тяги нужно до 25 кВт энергии. Представим, что нам поручили запустить 100-тонный космический корабль к Плутону (вы уж простите нас за мечтательность!). В идеале даже для Юпитера нам потребуется 1 000 ньютонов тяги и 10 месяцев, а до Нептуна на той же тяге — полтора года. В общем, давайте про Плутоны всё-таки не будем, а то грустно как-то…

Ну а чтобы получить эти пока умозрительные 1 000 ньютонов, нам потребуется 25 мегаватт. В принципе, ничего технически невозможного — 100-тонный корабль мог бы принять атомный реактор. Кстати, в настоящее время НАСА и Министерство энергетики США работают над проектом Fission Surface Power. Правда, речь идёт о базах на Луне и Марсе, а не о кораблях. Но масса реактора не так уж высока — всего пять тонн, при размерах в 3×3×7 м…

Ну ладно, помечтали и хватит, скажете вы, и тут же вспомните частушку, якобы придуманную Львом Толстым во время Крымской войны. В конце концов, такой большой поток ионов, проходящий через двигатель (а это ключевое препятствие), вызовет его эрозию, и значительно быстрее, чем за десять месяцев или полтора года. Причём это не проблема выбора конструкционного материала — благо разрушаться в таких условиях будут и титан, и алмаз, — а неотъемлемая часть конструкции ионного двигателя per se.

Так вот, исследователи из Лаборатории реактивного движения НАСА считают, что как минимум частично покончили с этой проблемой.

При большой тяге ионы в двигателе врезаются в анод, что ведёт к анодному разбрызгиванию. Чем выше тяга двигателя и скорость ионов, тем быстрее, следовательно, будет эродировать анод.

Стенки из нитрида бора — самое уязвимое место ионного двигателя, однако магнитное поле смогло повысить их предельный ресурс в 500–1 000 раз.

Они попробовали изолировать стенки анода (на базе нитрида бора) от положительных ионов магнитным полем. А линии такого магнитного поля были параллельны поверхности стенок, и по ним заряженные частицы уносились прочь, не трогая стенок. Решение, при всей его очевидности, оказалось довольно эффективным: скорость эрозии упала в 500–1 000 раз. Испытания проводились на ИД, основанном на эффекте Холла и потребляет значительное количество электроэнергии — около 25КВатт на создание силы тяги в 1 ньютон…

Разумеется, это не конец всех проблем. При дальнейшем масштабировании ИД энергия ионов может оказаться такой, что на защитное магнитное поле либо не хватит располагаемой электрической мощности, либо даже при её наличии обеспечить защиту от ионов полностью не получится. И всё же это решительный шаг вперёд — такое замедление эрозии делает принципиально возможной отправку даже весьма тяжёлого корабля к относительно удалённым объектам Солнечной системы.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Applied Physics Letters .

Подготовлено по материалам Gizmag. и Источник Источник Источник Источник http://lab-37.com

А вы в курсе что в России активно работает над ядерным двигателем для ракет или например о том, что скоро может появится Первый автомобиль с ядерным двигателем

Ионный двигатель — Ion thruster

Ионный двигатель или ионный двигатель является формой электрической силовой установки , используемой для движени космической летательного аппарата . Он создает тягу , ускоряя ионы с помощью электричества .

Ионный двигатель ионизирует нейтральный газ, извлекая часть электронов из атомов , создавая облако положительных ионов . Эти ионные двигатели полагаются в основном на электростатику, поскольку ионы ускоряются кулоновской силой вдоль электрического поля . Временно сохраненные электроны, наконец, повторно вводятся нейтрализатором в облако ионов после того, как оно прошло через электростатическую решетку, так что газ снова становится нейтральным и может свободно рассеиваться в пространстве без какого-либо дальнейшего электрического взаимодействия с двигателем. Напротив, электромагнитные двигатели используют силу Лоренца для ускорения всех частиц (свободных электронов, а также положительных и отрицательных ионов) в одном и том же направлении независимо от их электрического заряда , и их конкретно называют плазменными двигательными установками , где электрическое поле отсутствует. направление ускорения.

Ионные двигатели в оперативном использовании имеют входную мощность потребность 1-7 кВт (1.3-9.4 л.с.), скорость истечения 20-50 км / с (I _SP 2000 — 5000 секунд), тяги 25-250 мН (0.090-0.899 унций _п ) и КПД 65–80%, хотя экспериментальные версии достигли 100 кВт (130 л.с.), 5 Н (1,1 фунт- _сила ).

Deep Space 1 космический аппарат, приведенный в действие ионного ракетного двигателя малой тяги, изменена скорость на 4,3 км / с (2,7 миль / с), потребляя меньше , чем 74 кг (163 фунтов) ксенона . Космический корабль Dawn побил рекорд, изменив скорость на 11,5 км / с (7,1 миль / с), хотя он был вдвое менее эффективен, потребовалось 425 кг (937 фунтов) ксенона.

Применения включают управление ориентацией и положением орбитальных спутников (на некоторых спутниках есть десятки маломощных ионных двигателей) и использование в качестве главного двигателя для маломассивных космических аппаратов-роботов (таких как Deep Space 1 и Dawn ).

Двигатели с ионной тягой применимы только в космическом вакууме и не могут перемещать транспортные средства через атмосферу, поскольку ионные двигатели не работают в присутствии ионов вне двигателя. Кроме того, мизерная тяга двигателя не может преодолеть сколько-нибудь значительного сопротивления воздуха. Космические аппараты полагаются на обычные химические ракеты, чтобы достичь своей начальной орбиты .

Содержание

• 1 Истоки
• 2 Общий принцип работы
• 3 Электростатические ионные двигатели
  • 3.1 Сетевые электростатические ионные двигатели
  • 3.2 Двигатели на эффекте Холла
  • 3.3 Автоэмиссионная электрическая силовая установка
• 4 электромагнитных двигателя
  • 4.1 Импульсные индуктивные двигатели
  • 4.2 Магнитоплазмодинамический двигатель малой тяги
  • 4.3 Безэлектродные плазменные двигатели
  • 4.4 Двухслойные подруливающие устройства Helicon
  • 4.5 Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом (ВАСИМР)
  • 4.6 СВЧ электротермические двигатели
• 5 Радиоизотопный двигатель малой тяги
• 6 сравнений
• 7 Срок службы
• 8 порохов
• 9 Энергоэффективность
• 10 миссий
  • 10.1 Демонстрационные автомобили
    • 10.1.1 SERT
  • 10.2 Оперативные задачи
    • 10.2.1 На околоземной орбите
      • 10.2.1.1 Starlink
      • 10.2.1.2 GOCE
    • 10.2.2 В глубоком космосе
      • 10.2.2.1 Глубокий космос 1
      • 10.2.2.2 Хаябуса
      • 10.2.2.3 Умный 1
      • 10.2.2.4 Рассвет
    • 10.2.3 LISA Pathfinder
    • 10.2.4 BepiColombo
  • 10.3 Предлагаемые миссии
    • 10.3.1 Международная космическая станция
    • 10.3.2 Лунный шлюз
    • 10.3.3 MARS-CAT
    • 10.3.4 Межзвездный зонд
• 11 Популярная культура
• 12 См. Также
• 13 Ссылки
  • 13.1 Библиография
• 14 Внешние ссылки
  • 14.1 Статьи

Происхождение

Первым, кто написал статью, публично представившую идею, был Константин Циолковский в 1911 году. Методика была рекомендована для условий, близких к вакууму, на большой высоте, но тяга была продемонстрирована с помощью ионизированных воздушных потоков при атмосферном давлении. Эта идея снова появилась в книге Германа Оберта « Wege zur Raumschiffahrt » (Пути к космическому полету), опубликованной в 1923 году, где он объяснил свои мысли об экономии массы электрической тяги, предсказал ее использование в двигательных установках космических аппаратов и управлении ориентацией , а также отстаивал электростатические возможности. ускорение заряженных газов.

Рабочий ионный двигатель был построен Гарольдом Р. Кауфманом в 1959 году в исследовательском центре NASA Glenn Research Center . Он был похож на электростатический ионный двигатель с сеткой, и в качестве топлива использовался ртуть . Суборбитальные испытания проводились в 1960-х годах, а в 1964 году двигатель был отправлен в суборбитальный полет на борту космического электрического ракетного испытания-1 (СЕРТ-1). Он успешно проработал запланированную 31 минуту до падения на Землю. За этим испытанием последовало орбитальное испытание SERT-2 в 1970 году.

Альтернативная форма электрической тяги, двигатель на эффекте Холла , изучалась независимо в Соединенных Штатах и Советском Союзе в 1950-х и 1960-х годах. Двигатели на эффекте Холла работали на советских спутниках с 1972 года до конца 1990-х годов и в основном использовались для стабилизации спутников в направлениях север-юг и восток-запад. От 100 до 200 двигателей совершили полеты на советские и российские спутники. Советская конструкция двигателя была представлена ​​на Западе в 1992 году после того, как группа специалистов по электродвигателям при поддержке Организации противоракетной обороны посетила советские лаборатории.

Общий принцип работы

Ионные двигатели используют пучки ионов (электрически заряженных атомов или молекул) для создания тяги в соответствии с законом сохранения импульса . Способы ускорения ионов различаются, но во всех конструкциях используется соотношение заряда и массы ионов. Это соотношение означает, что относительно небольшие разности потенциалов могут создавать высокие скорости выхлопа. Это уменьшает количество требуемой реакционной массы или топлива, но увеличивает требуемую удельную мощность по сравнению с химическими ракетами . Таким образом, ионные двигатели способны создавать высокие удельные импульсы . Недостатком малой тяги является малое ускорение, поскольку масса силового агрегата напрямую коррелирует с величиной мощности. Такая низкая тяга делает ионные двигатели непригодными для запуска космических аппаратов на орбиту, но эффективными для движения в космосе.

Ионные двигатели делятся на электростатические или электромагнитные . Основное отличие — способ ускорения ионов.

• Электростатические ионные двигатели используют кулоновскую силу и ускоряют ионы в направлении электрического поля.
• Электромагнитные ионные двигатели используют силу Лоренца для перемещения ионов.

Источниками питания для ионных двигателей обычно являются электрические солнечные батареи , но на достаточно больших расстояниях от Солнца используется ядерная энергия . В каждом случае масса источника питания пропорциональна максимальной мощности, которая может быть предоставлена, и оба обеспечивают для этого приложения почти неограниченное количество энергии.

Электрические подруливающие устройства имеют тенденцию создавать низкую тягу, что приводит к низкому ускорению. Определение , в стандартное гравитационное ускорение Земли , а также отметить , что это может быть проанализирована. NSTAR подруливающее устройство производит силу тяги 92 мН будет ускорять спутник с массой 1 Mg от 0,092 N / 1000 кг = 9,2 × 10 -5 м / с 2 (или 9,38 × 10 -6 г). Однако это ускорение может продолжаться месяцами или годами, в отличие от очень коротких ожогов химических ракет. 1 г знак равно 9,81 м / s 2 < Displaystyle 1g = 9,81 ; mathrm <м / с ^ <2>>> F знак равно м а ⟹ а знак равно F / м < displaystyle F = ma подразумевает a = F / m>

Ионный двигатель малой тяги — не самый многообещающий тип двигателя космического корабля с электрическим приводом , но на сегодняшний день он является наиболее успешным на практике. Ионному двигателю потребуется два дня, чтобы разогнать автомобиль до скорости шоссе в вакууме. Технические характеристики, особенно тяга , значительно уступают прототипам, описанным в литературе, технические возможности ограничиваются объемным зарядом, создаваемым ионами. Это ограничивает плотность тяги ( сила в поперечном сечении зоны двигателя). Ионные двигатели создают небольшие уровни тяги (тяга Deep Space 1 примерно равна весу одного листа бумаги) по сравнению с обычными химическими ракетами , но достигают высокого удельного импульса или эффективности массы топлива за счет ускорения выхлопа до высокой скорости. Мощности придана выхлопных возрастает пропорционально квадрату скорости истечения в то время как увеличение тяги является линейным. И наоборот, химические ракеты обеспечивают высокую тягу, но их общий импульс ограничен небольшим количеством энергии, которое может храниться химически в топливе. Учитывая практический вес подходящих источников энергии, ускорение ионного двигателя малой тяги часто составляет менее одной тысячной стандартной силы тяжести . Однако, поскольку они работают как электрические (или электростатические) двигатели, они преобразуют большую часть входной мощности в кинетическую мощность выхлопа. Химические ракеты работают как тепловые двигатели , и теорема Карно ограничивает скорость истечения.

Электростатические ионные двигатели

Сеточные электростатические ионные двигатели

В сетевых электростатических ионных двигателях обычно используется ксенон . Газообразное топливо начинается без заряда; он ионизируется путем бомбардировки энергичными электронами, так как передаваемая энергия выбрасывает валентные электроны из атомов рабочего газа. Эти электроны могут создаваться нитью накала с горячим катодом и ускоряться через разность потенциалов по направлению к аноду. Альтернативно, электроны могут быть ускорены колеблющимся индуцированным электрическим полем, создаваемым переменным электромагнитом, что приводит к самоподдерживающемуся разряду без катода (радиочастотный ионный двигатель).

Положительно заряженные ионы извлекаются системой, состоящей из 2 или 3 многоапертурных сеток. После входа в систему сеток вблизи плазменной оболочки ионы ускоряются разностью потенциалов между первой сеткой и второй сеткой (называемой экранной сеткой и сеткой ускорителя соответственно) до конечной энергии ионов (обычно) 1-2 кэВ. , создающий тягу.

Ионные двигатели испускают пучок положительно заряженных ионов ксенона. Чтобы космический корабль не накапливал заряд, рядом с двигателем помещается еще один катод, который испускает электроны в ионный пучок, оставляя топливо электрически нейтральным. Это предотвращает притяжение (и возвращение) пучка ионов к космическому кораблю, что могло бы нейтрализовать тягу.

Сеточные исследования электростатических ионных двигателей малой тяги (прошлые / настоящие):

• Готовность к применению солнечных технологий NASA (NSTAR), 2,3 кВт, использовалась в двух успешных миссиях
• Эволюционный ксеноновый двигатель НАСА ( NEXT ), 6,9 кВт, построено оборудование для летной квалификации
• Ядерная электрическая ксенон-ионная система (NEXIS)
• Электродвигатель большой мощности ( HiPEP ), 25 кВт, испытательный образец построен и ненадолго проработан на земле
• Радиочастотный ионный двигатель EADS (RIT)
• Двухступенчатый 4-х сеточный (DS4G)

Двигатели на эффекте Холла

Двигатели на эффекте Холла ускоряют ионы с помощью электрического потенциала между цилиндрическим анодом и отрицательно заряженной плазмой, которая образует катод. Основная масса топлива (обычно ксенон) вводится около анода, где оно ионизируется и течет к катоду; ионы ускоряются по направлению к нему и сквозь него, собирая электроны, когда они уходят, чтобы нейтрализовать пучок и покидать двигатель с высокой скоростью.

Анод находится на одном конце цилиндрической трубки. В центре находится штырь, намотанный для создания радиального магнитного поля между ним и окружающей трубкой. Ионы практически не подвержены влиянию магнитного поля, поскольку они слишком массивны. Однако электроны, образующиеся около конца иглы для создания катода, захватываются магнитным полем и удерживаются на месте своим притяжением к аноду. Некоторые электроны движутся по спирали к аноду, циркулируя вокруг пика холловского тока. Когда они достигают анода, они ударяют по незаряженному топливу и вызывают его ионизацию, прежде чем, наконец, достичь анода и замкнуть цепь.

Автоэмиссионная электрическая тяга

В двигателях с автоэмиссионным двигателем (FEEP) в качестве топлива используется цезий или индий . Конструкция включает небольшой резервуар для топлива, в котором хранится жидкий металл, узкую трубку или систему параллельных пластин, через которые протекает жидкость, и ускоритель (кольцо или удлиненное отверстие в металлической пластине) примерно в миллиметре от конца трубки. Цезий и индий используются из-за их большого атомного веса, низкого потенциала ионизации и низкой температуры плавления. Когда жидкий металл достигает конца трубки, электрическое поле, приложенное между эмиттером и ускорителем, заставляет поверхность жидкости деформироваться в серию выступающих выступов или конусов Тейлора . При достаточно высоком приложенном напряжении положительные ионы извлекаются из кончиков конусов. Электрическое поле, создаваемое эмиттером и ускорителем, затем ускоряет ионы. Внешний источник электронов нейтрализует поток положительно заряженных ионов, чтобы предотвратить зарядку космического корабля.

Электромагнитные двигатели

Импульсные индуктивные двигатели

Импульсные индуктивные двигатели (PIT) используют импульсы вместо непрерывной тяги и могут работать на уровнях мощности порядка мегаватт (МВт). Ямы состоят из большой катушки, окружающей трубу конической формы, из которой выделяется пороховой газ. Аммиак — это обычно используемый газ. Для каждого импульса в группе конденсаторов за катушкой накапливается большой заряд, который затем высвобождается. Это создает ток, который движется по кругу в направлении jθ. Затем ток создает магнитное поле во внешнем радиальном направлении (Br), которое затем создает ток в газе, который только что был выпущен в направлении, противоположном исходному току. Этот противоположный ток ионизирует аммиак. Положительно заряженные ионы ускоряются от двигателя из-за электрического поля jθ, пересекающего магнитное поле Br, из-за силы Лоренца.

Магнитоплазмодинамический двигатель

Магнитоплазмодинамические двигатели (MPD) и литиевый ускоритель силы Лоренца (LiLFA) используют примерно ту же идею. Подруливающее устройство LiLFA построено на подруливающем устройстве MPD. В качестве пропеллента можно использовать водород , аргон , аммиак и азот . В определенной конфигурации окружающий газ на низкой околоземной орбите (НОО) может использоваться в качестве топлива. Газ поступает в основную камеру, где он ионизируется в плазму электрическим полем между анодом и катодом . Затем эта плазма проводит электричество между анодом и катодом, замыкая цепь. Этот новый ток создает вокруг катода магнитное поле, которое пересекает электрическое поле, тем самым ускоряя плазму за счет силы Лоренца.

Подруливающее устройство LiLFA использует ту же общую идею, что и подруливающее устройство MPD, с двумя основными отличиями. Во-первых, LiLFA использует пары лития, которые можно хранить в твердом виде. Другое отличие состоит в том, что один катод заменен несколькими катодными стержнями меньшего размера, упакованными в трубку с полым катодом . Катоды MPD легко корродируют из-за постоянного контакта с плазмой. В двигателе малой тяги LiLFA пар лития впрыскивается в полый катод и не ионизируется до плазменной формы / не вызывает коррозию катодных стержней до тех пор, пока не выйдет из трубки. Затем плазма ускоряется с использованием той же силы Лоренца .

В 2013 году российская компания « Конструкторское бюро химической автоматики» успешно провела стендовые испытания своего двигателя MPD для дальних космических путешествий.

Безэлектродные плазменные двигатели

Безэлектродные плазменные двигатели обладают двумя уникальными особенностями: удаление анодного и катодного электродов и возможность дросселировать двигатель. Удаление электродов устраняет эрозию, которая ограничивает срок службы других ионных двигателей. Нейтральный газ сначала ионизируется электромагнитными волнами, а затем переносится в другую камеру, где он ускоряется колеблющимся электрическим и магнитным полем, также известным как пондеромоторная сила . Такое разделение ступеней ионизации и ускорения позволяет дросселировать поток топлива, что затем изменяет величину тяги и значения удельного импульса.

Двухслойные подруливающие устройства Helicon

Геликонный двухслойный двигатель малой тяги — это тип плазменного двигателя, который выбрасывает высокоскоростной ионизированный газ для создания тяги . В этой конструкции газ вводится в трубчатую камеру ( трубу источника ) с одним открытым концом. Радиочастотный источник переменного тока ( 13,56 МГц в прототипе) подводится к антенне специальной формы, обернутой вокруг камеры. Электромагнитная волна , излучаемая антенна заставляет газ , чтобы сломать и образовывать плазму. Затем антенна возбуждает геликонную волну в плазме, которая дополнительно нагревает ее. Устройство имеет примерно постоянное магнитное поле в трубке источника (питаемое соленоидами в прототипе), но магнитное поле расходится и быстро уменьшается по величине вдали от области источника, и его можно рассматривать как своего рода магнитное сопло . Во время работы резкая граница разделяет плазму высокой плотности внутри области источника и плазму низкой плотности в выхлопе, что связано с резким изменением электрического потенциала. Свойства плазмы быстро меняются через эту границу, известную как бестоковый двойной электрический слой . Электрический потенциал внутри области источника намного выше, чем в выхлопе, и это служит как для удержания большей части электронов, так и для ускорения ионов от области источника. Достаточное количество электронов покидает область источника, чтобы гарантировать, что плазма в выхлопе в целом нейтральна.

Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом (ВАСИМР)

Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом (ВАЗИМИР) работает с использованием радиоволн для ионизации топлива в плазму, а затем магнитного поля для ускорения плазмы из задней части ракетного двигателя для создания тяги. VASIMR в настоящее время разрабатываются частная компания Ad Astra Rocket Company , со штабом — квартирой в Хьюстоне , штат Техас , с помощью из Канады -А Nautel , производя 200 кВт радиочастотных генераторов ионизирующего пропеллент. Некоторые компоненты и эксперименты с «плазменными выстрелами» проходят испытания в лаборатории, расположенной в Либерии, Коста-Рика . Этот проект возглавляет бывший астронавт НАСА доктор Франклин Чанг-Диас (CRC-США). Тестовый двигатель VASIMR мощностью 200 кВт обсуждался для установки снаружи Международной космической станции в рамках плана по испытанию VASIMR в космосе, однако планы по проведению этого испытания на борту МКС были отменены в 2015 году НАСА с бесплатным вместо этого Ad Astra обсуждает летающий тест VASIMR. Предполагаемый двигатель мощностью 200 мегаватт мог бы сократить продолжительность полета с Земли на Юпитер или Сатурн с шести лет до четырнадцати месяцев, а на Марс — с 7 месяцев до 39 дней.

Гонка за ядерным движком. Кто первым полетит на нём: Россия или США?

На этой неделе из Соединённых Штатов прозвучало требование к России прекратить разработку ракет с ядерными энергетическими установками. Озвучил его спецпредставитель президента по контролю над вооружениями Маршалл Биллингсли. «Мы считаем, что они вообще не должны существовать. Кому вообще нужно иметь крылатую ракету с ядерной силовой установкой? Это не что иное, как летающий Чернобыль», — сказал он, добавив, что это «неимоверная трата средств» и «дестабилизирующая идея».

На поверхности у этого высказывания — благие намерения и забота о мировой безопасности. Но корни «заботы», конечно, гораздо глубже. И дело не только в стремлении приостановить державу, создающую более эффективное вооружение. В перспективе речь идёт о создании ядерного двигателя для полётов в глубокий космос. Это соревнование между СССР и США началось ещё в пятидесятые годы прошлого века.

РД0410 из Воронежа

Идею использовать в космосе ракеты с ядерными двигателями впервые выдвинули в Советском Союзе. Академик Мстислав Келдыш в 1955 году выступил с инициативой создания двигателя, где источником энергии служил бы ядерный реактор. Учёные и инженеры предложили несколько вариантов. В 1958 году постановлением Совмина СССР были назначены ответственные за разработку ядерного ракетного двигателя (ЯРД): Келдыш, Курчатов и Королёв. К работам подключили десятки НИИ, проектных, конструкторских, строительных и монтажных организаций. Двигатель разрабатывался в воронежском КБ «Химавтоматика».

Первоначальная идея была в том, чтобы вместо химической энергии сгорания горючего и окислителя (как в обычных ракетах) использовать нагрев водорода до температуры 3000 °С. Он выступал в качестве рабочего тела: подавался из бака в активную зону реактора, проходил через нагретые реакцией ядерного распада каналы и выбрасывался через сопло, создавая реактивную тягу.

Задача оказалась непростой, с момента постановления Совмина до первых испытаний ЯРД прошло 20 лет. Испытания провели в 1978 году на Семипалатинском полигоне, они оказались успешными. При этом сама идея двигателя вызывала нарекания, в первую очередь — экологического характера. При нештатной работе реактора струя становилась радиоактивной, а ведь она выбрасывалась в атмосферу. К тому же нагреть водород до 3000 °С — серьёзная техническая задача.

И всё же к середине 1980-х в распоряжении СССР был ядерный ракетный двигатель РД0410. Его можно было ставить на разгонный блок ракеты-носителя, но до этого так и не дошло. Началась перестройка, которая поставила крест на многих космических проектах (один «Буран» чего стоит), в том числе на идее освоения дальнего космоса с помощью ЯРД. В 1988 году все работы по этой теме были свёрнуты.

KIWI из Зоны 25

В США к разработке ЯРД приступили в начале 1960-х. Тогда американцы уже были нацелены на Луну и мечтали о Марсе. А лететь к нему лучше на ядерном двигателе: у него выше тяга, дольше срок эксплуатации и время работы на одном включении. Вернер фон Браун, ставший отцом американской космонавтики, рассчитывал отправить первые пилотируемые миссии на Марс уже в 1980-е.

Работы велись на полигоне в Неваде, в так называемой Зоне 25, что неподалёку от знаменитой Зоны 51. Проект назвали NERVA. Ракеты с ядерными двигателями планировалось использовать не только для полёта к Марсу и к постоянной лунной базе, но и как «буксиры» для снабжения орбитальных станций у Земли и Луны.

В январе 1965 года американцы провели испытания ЯРД под кодовым названием KIWI. Он тоже использовал водород как рабочее тело, но нагревался до 2000 °C. Было произведено 28 пусков, общее время работы составило 115 минут. «Ядерный двигатель подходит для применения космической техники и в состоянии работать с удельным импульсом в два раза большим, чем химическая система», — сделали вывод эксперты NASA.

До Альфы Центавра — за 12 лет

Два года назад появились сообщения о том, что США возобновляют исследования по этой тематике. Причём мирные цели и задачи теперь переплетены с военными, что и не скрывается. Агентство оборонных исследований DARPA в своём бюджете на 2021 год выделило 158 млн долларов на космические программы и технологии, связанные с американской лунной программой, в том числе с разработкой ракеты с ЯРД.

Заказчиком создания ракеты выступают ВВС США. Что это значит? Похоже, Пентагон намерен осваивать окололунное пространство (а затем и Луну), преследуя какие-то свои интересы. И вряд ли речь идёт о мирных научных исследованиях.

В таком случае американской стороне выгодно, чтобы аналогичные работы не велись в других странах. А они ведутся. С 2009 года предприятия «Роскосмоса» и «Росатома» реализуют совместный проект по созданию ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) мегаваттного класса, предназначенной для космических транспортных систем. В ней используется ионный (плазменный) двигатель. То есть тягу будет создавать не раскалённая струя водорода, а поток ионов. А ядерная реакция нужна для выработки электричества.

«Мы предложили схему, в которой реактор не нагревает струю, выбрасываемую из него, а вырабатывает электричество. Горячий газ от реактора крутит турбину, турбина крутит электрогенератор и компрессор, который обеспечивает циркуляцию рабочего тела по замкнутому контуру. Генератор же вырабатывает электричество для плазменного двигателя, — объяснял принцип установки научный руководитель Исследовательского центра им. Келдыша академик Анатолий Коротеев в интервью РГ. — Выходящая из двигателя струя не будет радиоактивной, поскольку через реактор проходит совершенно другое рабочее тело, которое содержится в замкнутом контуре. Кроме того, нам не надо при этой схеме нагревать до запредельных значений водород: в реакторе циркулирует инертное рабочее тело, которое нагревается до 1500 °C. Мы серьёзно упрощаем задачу. И в итоге поднимаем удельную тягу в 20 раз по сравнению с химическими двигателями».

Согласно расчётам, благодаря ядерной двигательной установке можно будет добраться до Марса не за 1,5 года, а чуть более чем за месяц. А до Альфы Центавра — за 12 лет. Если так, то двигатель нового типа сделает возможными пилотируемые полёты не только к планетам Солнечной системы, но и к другим звёздам.

Тем не менее наши учёные и конструкторы проделали огромную по сложности работу, и понятно, что теперь она не прекратится. Возможно, Россия станет первой страной, которая перейдёт на качественно новый способ передвижения в космосе.

Источник Источник http://masterok.livejournal.com/768787.html
Источник http://ru.qaz.wiki/wiki/Ion_thruster
Источник http://aif.ru/society/science/gonka_za_yadernym_dvizhkom_kto_pervym_poletit_na_nyom_rossiya_ili_ssha