Плазменные двигатели: миф иреальность
Проклятие Циолковского
Экстремально непростая неприятность создания космического аппарата, талантливого за разумное время (сравнимое с людской судьбой) преодолеть межзвездные расстояния, обусловлена парадигмой классической ракеты. Которая несет на борту запас горючего и, как следствие, расходует на его разгон практически всю извлекаемую из горючего энергию! Математическим выражением этого проклятия есть т.н. формула Циолковского, вытекающая из закона сохранения импульса
Тут не учитываются затраты горючего на подъем с Почвы и выход на орбиту, где начинается разгон до крейсерской скорости. Но разумеется, что перед тем как отправиться в далекое путешествие, корабль будет собран из модулей на околоземной либо окололунной орбите.
На сегодня отсутствует ясное представление о том, как как раз космические аппараты когда-нибудь преодолеют предел скорости в 10 000 км/cек. Это — приблизительно 130 лет полета до ближайшей звездной совокупности Альфы Центавра. Ненужно разглядывать бесплодные фантазии наподобие фотонного звездолета.
Нелепа сама мысль применять для тяги фотоны, с их ничтожным если сравнивать с энергией импульсом ! В качестве настоящей возможности рассматривается двигатель, применяющий энергию термоядерного синтеза. Но предлагаемые методысинтеза в малом масштабе, сводящиеся к поджиганию пилюль из дейтерия + гелия-3 лучами лазеров либо пучками ионов/электронов, чуть ли когда-нибудь будут реализованы на борту космического судна https://sites.гугл.com/site/extremalmechanics/inertial-fusion.
Надежды на солнечные паруса в полной мере неисправимы, т.к. по мере удаления от Солнца их тяга пытается к нулю. При площади паруса в 1000 кв. км и фантастически малой массе аппарата с парусом в 1 тонну, через год будет пройдено 107.7 млрд. км, а скорость парусника достигнет 1714 км/сек. И это практический предел, потому, что кроме того через 700 лет полета, в то время, когда аппарат достигнет совокупности Альфа-Центавра, скорость не превысит 1715 км/сек.
Полубезумные проекты парусов размером с Европу, каковые приводятся в перемещение огромным числом замечательных лазеров, наглядно демонстрируют бессилие данной идеи.
Среди испытанных конструкций, талантливых дать значительную тягу, вне конкуренции ядерные двигатели с теплоносителем (ЯРД) . В СССР был создан и испытан отличный пример таковой установки — РД 0410 www.kbkha.ru/?p=8cat=11prod=66 .Скорость истечения рабочего тела из сопла, т.е. удельный импульс ЯРД может составлять 9 — 10 км/сек. Это более, чем в два раза превышает показатели любых химических ракетных двигателей. При разумном ограничении стартовой массы в 10 000 тысячь киллограм и скромной нетто-массе 100 т (не учитывая топлива и рабочего тела), предельная скорость корабля
V = 10 ln(10000 / 100) = 45.5 км/сек.Превосходно для полетов в нашей системе, но не годится для путешествия в совокупность Альфа Центавра, которое продлилось бы около 29 000 лет.
Двухступенчатая схема даст в два раза громадную скорость, но стартовая масса увеличится на порядок. Для отечественного корабля с ЯРД и нетто-массой 100 т, что разогнался до скорости 200 км/сек, стартовая масса приблизилась бы к50 миллиардам тысячь киллограм! Скорости V = 100 км/сек отвечает не столь кошмарный, но также впечатляющий запас рабочего тела, что превышает 2 миллиона тысячь киллограм.
Так 100 км/сек — это тяжело достижимый, практический предел для ракет с ЯРД, по мере приближения к которому начинается гигантомания. Из формулы Циолковского вытекает, на первый взгляд, простое решение проблемы. Необходимо на порядки расширить удельный импульс v0, и тогда не придется экспоненциально наращивать расход рабочего тела. Для этого принципиально не годится ЯРД — в связи с тем, что рабочее тело нагревается в ядерном реакторе.
Нужную скорость истечения струи может обеспечить т.н. плазменный двигатель. Этот термин возможно отнести к громадному семейству устройств, разным образом оперирующих с плазмой, включая ионные двигатели.
Хорошие плазма-моторы
Любой ракетный двигатель выбрасывает из сопла слабоионизированную плазму, но плазменным, ионным, электрореактивным в большинстве случаев именуется только тот, что активизирует плазму за счет электромагнитных сил, действующих на заряженные частицы.Но сделать это весьма сложно, потому, что любое электрическое поле, ускоряющее заряды в плазме, придаст равные по модулю суммарные импульсы электронам и ионам. В действительности, изменение импульса заряда q за время dt равняется Fdt , где F= qE – сила, действующая на заряд в поле с напряженностью E. Потому, что плазма в целом электрически нейтральна, сумма всех хороших зарядов Q равна (по модулю) сумме отрицательных -Q . Из этого следует, что за бесконечно малое времяdt вся масса хороших ионов возьмёт импульс QEdt . Равный по величине, но направленный в противоположную сторону импульс возьмёт вся масса отрицательных зарядов.В сумме эти импульсы равны нулю, исходя из этого они никак не поменяют импульс двигателя и, следовательно, тяги не появится.
Так, для электрического разгона плазмы нужно как-то поделить разноименные заряды, дабы разогнать заряды одного символа, тогда как заряды другого символа выведены из территории действия ускоряющего поля. Но действенно поделить заряды очень сложно! Этому мешают замечательные кулоновские силы притяжения, появляющиеся между разноименно заряженными сгустками плазмы и срочно восстанавливающие электрическое равновесие.
Используемые в существующих плазменных двигателях способы разделения хороших ионов с электронами применяют электростатическое либо магнитное поле. В первом случае двигатель традиционно именуется ионным, а во втором — плазменным.
Схема электростатического ионного двигателя.
«Громадная Советская Энциклопедия»
Функциональная схема «хорошего» ионного двигателя:
1 — подвод рабочего тела; 2 — ионизатор; 3 — пучок ионов; 4 — фокусирующий электрод; 5 — ускоряющий электрод; 6 — блокирующий электрод; 7 — нейтрализатор; 8 — главный источник энергии; 9 — вспомогательный источник энергии.
В относительно узком промежутке между катодом и 4 сетчатыми анодом 5 происходит разгон хороших ионов газа (ксенон, аргон, водород и т.д.), являющегося рабочим телом двигателя. Наряду с этим свободные электроны, образующиеся в ходе ионизации, притягиваются к аноду, по окончании чего выводятся в истекающую наружу струю положительно заряженного газа, для его нейтрализации.
Катод 6 блокирует притягивание к аноду электронов, покидающих нейтрализатор 7. Анодом есть не только электрод 4, но и вся внешняя оболочка камеры, в которой происходит ионизация газа. Анод имеет громаднейший потенциал ~1 000 В, тогда как потенциал катода 5 образовывает ~100 В, а у катода 6 он еще ниже.
Скорость струи газа, ускорившейся в промежутке между сетками 4 и 5, может доходить до 200 км/cек. Но тяга ионного двигателя ничтожно мелка, в лучшем случая достигая нескольких грамм (~ 0.1 ньютона). Это прямо связано с проблемой разделения ионов и электронов.
Которая в этом, как и во всех других плазменных двигателях решается очень неэффективно.
Оптимистически предположим, что тягу ионного двигателя с удельным импульсом 200 км/cек удалось довести до
1 ньютона (10 грамм). Тогда корабль со стартовой массой около 15 000 тысячь киллограм, из которых 14 900 т приходится на рабочее тело (газ), сумеет разогнаться до 1 000 км/сек(по формуле Циолковского1000 ~= 200 ln (15 000 / 100)). Время разгона T выражается формулойT = p/F ,где p — полученный кораблем импульс и F — сила тяги. В этом случае имеем
T = 100 000 кг ? 1 000 000 м/сек / 1 Н = 100 млрд. секунд , что образовывает приблизительно 3 200 лет !
Мощность для того чтобы двигателя равна F?v0 = 200 000 Ватт. Реально трудящиеся образцы имеют в десять раз меньше. Дабы сократить время разгона до крейсерской скорости V, т.е., расширить тягу, направляться повысить потребляемую электрическую мощность и габариты двигателя.
Предположим, что так мы увеличили тягу в 1 000 раз и сократили время разгона до разумных 3.2 года. Хорошо для скорости V = 1 000 км/cек, не смотря на то, что до Альфы Центавра было нужно бы лететь еще 1 300 лет. Но потребляемая мощность составит много милионов ватт, что соответствует мощности энергоблока средней АЭС.
Это указывает, что не существует разумных источников энергии для космических ионных двигателей с тягой хотя бы в десятки килограмм.
Еще в 60-х годах А.И. Морозов предложил свой концепт плазменного двигателя, что был удачно испытан в 70-х. Тут заряды разделяются радиальным магнитным полем, которое прикладывается в зоне разгона хороших ионов продольным электрическим полем. Намного более легкие электроны, под действием сил Лоренца, спирально навиваются на силовые линии магнитного поля и как бы «выдергиваются» магнитным полем из плазмы.
Наряду с этим массивные ионы по инерции проскакивают магнитное поле,ускоряясь электрическим в продольном направлении. Механизм нейтрализацииработает кроме этого, как в ионном двигателе. Эта схема, имея перед ним определенные преимущества, не разрешает добиться значительно большей тяги при сравнимой мощности.
Магнитный способ разделения зарядов далек от действенного решения проблемы и не разрешает создавать плазменные двигатели, каковые имели возможность бы быть использованы для межзвездных путешествий.
Дабы убедиться в этом предположим, что 1 грамм ионов удалось поделить с электронами и последние скопились на выходе из сопла, навиваясь на силовые линии поперечного магнитного поля с индукцией B = ~ 10 000 Тс. Тогда данный избыточный отрицательный заряд будет равна около -95 000 Кл. Легко проверить, что соответствующие «избыточные» ионы с неспециализированной массой 1 г за пара фемтосекунд разгонятся до ~10 000 км/сек.
Наряду с этим электроны избыточного заряда не купят равного импульса навстречу ионам, что нивелировало бы реактивный эффект, т.к.магнитное поле завернет эти электроны на круговые траектории с радиусами порядка 1 метр.
Так,для придачи аппарату тягового импульса
10 000 кг ? м / сек = 0.001 кг ? 10 000 000 м/cек
придетсяв количестве нескольких кубов создать сверхмощное магнитное поле порядка 10 000 Тесла. Такие экстремальныеполя создаются лишь взрывомагнитными генераторами А.Д. Сахарова и их современными вариациями, причем они существуют только микросекунды и в количествах, измеряемых кубическими дециметрами.
Наряду с этим энергия магнитного поля будет иметь порядок 10 ТераДжоулей. С учетом того, что кумулятивные генераторы способны преобразовать до 20 – 30 % энергии химического взрыва, для придания космическому аппарату тягового импульса ~10 000 кг?м/сек было нужно бы действенно утилизировать энергию ядерного взрыва мощностью ~10 Кт.
При массе корабля в 100 т потребуется миллион таких импульсов, дабы расширить его скорость всего на 100 км/cек. Да и то только при условии, что ядерные заряды не было нужно везти на борту и они были заблаговременно размещены в космосе на участке разгона. Но миллион ядерных бомб — это пара млн кг плутония, которого за целый период существования атомного оружия было произведено немногим более 300 тысячь киллограм.Так, имея только плазменным мотор с магнитным разделением зарядов, о полете к звездам лучше забыть.
Что делать с плазмой ?
По-видимому, неприятность действенного разделения зарядов в плазменных двигателях принципиально неразрешима. Существуют передовые проекты плазменных двигателей с мощностью 5 МВт и удельным импульсом 1 000 км/cек, но их тяга была бы равна 5 000 000 Вт / 1 000 000 м/сек = 5 Н, исходя из этого неприятность сокращения времени разгона остается непреодолимой. Не говоря уже о том, что в космосе тяжело добыть мегаватты потребляемой электрической мощности.
Осознавая эти неприятности, разработчики плазменных моторов ищут другие подходы. Заметный энтузиазм приводит к новому концепту VASIMR, что в лаборатории показывает лучшие среди плазменных движков результаты:удельный импульс 50 км/cек, тяга 6 ньютонов и КПД 60 — 70 % (тест VX-200). Строго говоря VASIMR кроме того не есть плазменным двигателем, по причине того, что он генерирует высокотемпературную плазму, которая разгоняется в сопле Лаваля — за счет газодинамических эффектов и без электричества (рисунок в начале статьи).
Через трубку 1 под давлением подается газ, что сперва разогревается и легко ионизируется микроволновым излучением от 3. После этого поток плазмы, изолированный от стенок магнитным полем катушек 4, дополнительно разогревается антенной 5, которая излучает радиоволны на циклотронной частоте (это частота винтового вращения электрона около силовой линии продольного магнитного поля) . Таковой резонансный нагрев повышает температуру плазмы до миллионов градусов, по окончании чего она истекает в магнитное сопло Лаваля 6. Последнее предохраняет стены от контакта с тёплой плазмой и преобразовывает энергию теплового перемещения ионов в энергию поступательного перемещения газовой струи.
В сущности VASIMR дает возможность приобрести весьма тёплую, высоко ионизированную плазму при помощи микроволнового нагрева. Ускорение плазмы происходит в полной мере подобно тому, как ускоряется газовая струя на выходе из простого ракетного двигателя.Сжиганием химического горючего такую температуру плазмы взять запрещено, но за счет ядерного взрыва это сделать возможно https://sites.google.com/site/extremalmechanics/ramjet-orion .
Результаты VASIMR демонстрируют некий прогресс, но они так же, как и прежде вечно далеки от потребностей межзвездных экспедиций и очевидно не имеют возможностей развития в этом направлении. Что касается удельного импульса, то VASIMR есть шагом назад.
Имеется еще один, относительно новый концепт плазменного двигателя — MPD thruster, с которым связывают громадные надежды. Мысль содержится в следующем. Создается таковой плазменный разряд между катодом и анодом, дабы соответствующийэлектрическийток j индуцировал кольцевое магнитное полеB.Силой Лоренца jxB поле действует на движущиеся заряды токаj ,отклоняя часть из них в продольном направлении.
Так появляется истекающий «вправо» сгусток плазмы, что формирует тяговый толчок. Двигатель трудится в импульсном режиме, т.к. нужны маленькие паузы между разрядам для скапливания зарядов на электродах.
Принципиальная Схема MPD — thruster.
Источник www.emeraldinsight.com/journals.htm?articleid=877310show=html
MPD — thruster не испытывает недостаток в разделении разноименных зарядов, по причине того, что в разрядном токе они движутся во встречных направлениях и силы Лоренца имеют однообразные направления. Теоретически данный концепт имеет выдающиеся показатели на фоне вторых плазменных моторов, по причине того, что может развивать килограммы тяги.
Но магнитное поле в принципе не может разгонять заряды, по причине того, что сила Лоренца действует перпендикулярно скорости заряда и, значит,не меняет его кинетическую энергию.MPD — thruster только отклоняет направление перемещения зарядов так, что плазма вылетает наружу в продольном направлении.Но чтобы ток между катодом и анодом был достаточно плотным для тяги,нужно будет затратить большое количество электроэнергии. По крайней мере, потребляемаяэлектрическая мощность не уступает мощности плазменной струи. При удельном импульсе ~1 000 км/сек и тяге в 100 кг потребляемая мощность составит много милионов ватт, что фактически нереально генерировать в космосе.
Но кроме того при таких,вероятных до тех пор пока только теоретически показателяхMPD — thruster-а, оснащенный им корабль с нетто-массой 100 т разгонится до10 000 км/сек за 317 лет (!)при нереальной стартовой массе 2 200 000 тысячь киллограм.Помимо этого, нереально вообразить себерасход миллионов тоннгаза в двигателе, пропускающем через него замечательные электрические разряды.Разумеется, что никакие электроды не выдержат таких тепловых и химических нагрузок.
Так ясно, что ни один из экспериментально проверенных илитеоретически просчитанных плазменных двигателей не может доставить космический корабль к ближайшим звездам хотя бы за время людской судьбе.И данный разрыв, по-видимому, есть фатально непреодолимым, так что плазменные двигатели звездолетов окончательно останутся в сфере научной фантастики.Но плазменные моторы имеют ответственные примененияв качестве маневровых, корректирующих орбиты и т.п.запасных двигателей космических аппаратов, исходя из этого упрочнения по их разработке в полной мере оправданы.Что касаетсяядерных ракетных двигателей, то они кроме этого не годятся для межзвездных полетов, не смотря на то, что замечательно подходят для межпланетных путешествий в нашей системе.
Наряду с этим ядерный импульсный двигатель, утилизирующий энергию ядерных взрывов, возможно имеет потенциал развития в контексте отправки автоматического зондав одну из ближайших звездных системhttps://sites.гугл.com/site/extremalmechanics/next_orion
Дмитрий Зотьев
в первый раз опубликовано
https://sites.гугл.com/site/extremalmechanics/plasma-propulsion
