Silniki plazmowe: mity i rzeczywistość

Na pewno wszyscy zgodzą się, że przestrzeń przyciąga. A on jest już badany! To jest bardzo powolne. Ponieważ niezwykle trudno jest stworzyć statek kosmiczny, który mógłby szybko pokonać imponujący setki tysięcy kilometrów dystansu.

Cały punkt dotyczy paliwa! To nie jest nieskończone. Potrzebujemy nowoczesnych urządzeń o innej zasadzie działania i mocniejszych. Tak, istnieją jądrowe silniki rakietowe (YARD). Ale ich maksymalny limit wynosi 100 km / s. Ponadto ich płyn roboczy jest podgrzewany reaktor jądrowy.

Ale silniki plazmowe - perspektywa, która zasługuje na uwagę.

Krótka wycieczka do fizyki

Na początek warto zauważyć, że każdy silnik rakietowy charakteryzuje się wyrzutem z dyszy słabo zjonizowanego osocza. Bez względu na rodzaj. Ale "klasyczne", prawdziwe silniki plazmowe to te, które przyspieszają plazmę z powodu sił elektromagnetycznych oddziałujących na naładowane cząstki.

Proces jest skomplikowany. Każde pole elektryczne, które przyspiesza ładunki w plazmie, daje elektrony i jony równe sumie impulsów wielkości. Zapoznanie się z tymi szczegółami jest opcjonalne. Wystarczy wiedzieć, że impuls jest wartością pomiarową. ruch mechaniczny ciało.

Ponieważ plazma jest elektrycznie obojętna, suma wszystkich ładunków dodatnich jest modulo równa sumie ładunków ujemnych. Jest pewien okres czasu - jest nieskończenie mały. W tych kilku momentach wszystkie pozytywne jony otrzymują potężny impuls. To samo dotyczy odwrotnego kierunku - do ujemnego. Jaki jest wynik? Całkowity moment jest ostatecznie zerowy. Tak więc nie ma trakcji.

Taki wniosek: dla elektrycznego "przyspieszenia" plazmy konieczne jest oddzielenie przeciwnych ładunków. Pozytywy przyspieszą, gdy negatywy zostaną usunięte z zasięgu. Utrudnij, ponieważ Coulomba grawitacja przywrócić równowagę elektryczną, powstającą pomiędzy osoczem naładowanym przeciwciałem w plazmie.

I jak udało ci się wcielić tę zasadę działania w silnik rakietowy plazmowy? Ze względu na pola magnetyczne i elektrostatyczne. Tylko tutaj, w drugim przypadku, jednostka jest tradycyjnie określana jako jonowa, a w pierwszym nazywa się plazmą.

Koncepcja z lat 60

Około pięćdziesiąt lat temu sowiecki fizyk Aleksiej Iwanowicz Morozow zaproponował koncepcję silnika rakietowego plazmowego. Został z powodzeniem przetestowany w latach 70.

Wykorzystał promieniowe pole magnetyczne do oddzielenia osławionych ładunków. Okazuje się, że elektrony, ulegając wpływowi siły Lorentza, rzekomo zwijają się w spirale na linie pola magnetycznego, które "wyciągają" je z plazmy.

Co się stanie, gdy tak się stanie? Masywna bezwładność jonów przechodzi przez pole magnetyczne, przyspieszając w kierunku wzdłużnym pola elektrycznego.

Tak, ten program ma przewagę nad tym, który jest wdrażany w silniki plazmowo-jonowe, jednak istnieje minus. Nie pozwala na większy ciąg, który odbija się w prędkości.

Czy droga do gwiazd jest prawdziwa?

Wiele nadziei zostało przypiętych do silników rakietowych plazmowych. Jednak bez względu na to, jak innowacyjne mogą się wydawać, nie mogą zapewnić ucieczki do odległych ciał niebieskich w ramach jednego ludzkiego życia.

Aby nadać aparatowi wystarczający impuls trakcyjny (a jest to co najmniej 10 000 000 m / s), konieczne jest obecnie wytworzenie nierealnego pola magnetycznego o wartości 10 000 Tesli. Jest to możliwe tylko za pomocą wybuchowych generatorów magnetycznych A.D. Sacharowa i inne nowoczesne urządzenia działające na tej samej zasadzie.

Ale znowu, takie potężne pola istnieją dla katastrofalnie małego przedziału czasowego, mierzonego w mikrosekundach. Aby uzyskać lepszy wynik, należałoby dysponować energią wybuchu jądrowego o sile 10 kt. Dla porównania, konsekwencje takiego "zjawiska" są wyrażone w chmurze o średnicy 4 km i wysokości 2 km. "Grzyb" i osiąga do 7 km.

Tak więc przy masie statku wynoszącej 100 ton wymagany byłby milion takich impulsów. A to tylko zwiększa prędkość z prędkością 100 kilometrów na sekundę! Ponadto, tylko pod warunkiem, że opłaty nie będą musiały zostać przyjęte na pokładzie. Prawdopodobnie można je umieścić w przestrzeni kosmicznej w miejscu przyspieszania.

Ale cały milion bomb atomowych? Unreal To jest tysiące ton plutonu! A przez cały czas istnienia broni jądrowej wyprodukowano nieco ponad 300 ton. Tak więc silnik rakietowy plazmowy z zasadą działania opartą na separacji ładunku magnetycznego nie zapewni drogi do odległych gwiazd.

Silnik Halla

Jest to wariant jednostki plazmowej, dla której nie ma ograniczeń nałożonych przez ładunek kosmiczny. Ich brak zapewnia większą gęstość trakcji. A to oznacza, że ​​silnik plazmowy Halla może kilkakrotnie zwiększyć prędkość statku kosmicznego, jeśli porównamy na przykład jednostkę jonową o tym samym rozmiarze.

Sercem aparatu jest efekt, który odkrył amerykański fizyk Edwin Hall w 1879 roku. Wykazał, w jaki sposób prąd elektryczny jest generowany w przewodniku z wzajemnie prostopadłym polem magnetycznym i elektrycznym. I w kierunku, w którym obie są prostopadłe.

Mówiąc prościej, w urządzeniu Halla plazma jest tworzona przez ładunek pomiędzy anodą (+) i katodą (-). Działanie jest proste - wyładowanie oddziela elektrony od neutralnych atomów.

Należy zauważyć, że około 200 satelitów z silnikami plazmowymi Halla koncentruje się na orbitach wokół Ziemi. W przypadku statku kosmicznego jego moc jest wystarczająca. Nawiasem mówiąc, właśnie taka jednostka została wykorzystana przez Europejską Agencję Kosmiczną, aby ekonomicznie rozproszyć SMART-1 - pierwszą automatyczną stację do eksploracji Księżyca.

AIPD

Teraz możesz mówić o pulsacyjnych sterylizatorach plazmy ablacyjnej (AIPD). Nadają się do zastosowania w małych statkach kosmicznych, które mają duży zakres funkcjonalności. Do jego rozbudowy konieczne jest posiadanie bardzo wydajnej, niewielkiej jednostki zdolnej do korygowania i utrzymywania orbity. AIPD to obiecujące urządzenie z wieloma zaletami, które obejmują:

• Ciągła gotowość do pracy.
• Imponujący zasób.
• Minimalna bezwładność.
• Zdolność do dokładnego dozowania pulsu.
• Brak impulsu po fakcie.
• Zależność ciągu od zużycia energii.

Impulsowe silniki plazmowe tego typu zostały szczegółowo zbadane. Badacze oczywiście mają problemy. W szczególności - przy utrzymaniu długotrwałej pracy urządzenia przeszkodą, na którą jest nawęglanie powierzchni.

Nawet w ramach jednego z badań poświęconych badaniu AIPD-IT stwierdzono, że ta jednostka ma główny wyładowanie na wyjściu kanału. Jest to cecha charakterystyczna dla silników o znacznie bardziej imponującej energii.

Przykładem instalacji AIPD jest satelita Earth Observer 1. Nie może jednak twierdzić, że silnik korekcji ICA, ponieważ zużywa zbyt dużo energii (60 W). Poza tym ma niski całkowity pęd.

Silnik stacjonarny

O tym wynalazku też powinien powiedzieć kilka słów. Stacjonarny silnik plazmowy ma specjalną funkcję w postaci małej mocy i zwartości.

Może być stosowany w technologii kosmicznej jako ciało wykonawcze instalacji electrojet. Lub w ramach badań naukowych. Za pomocą tego wynalazku realistyczne jest modelowanie ukierunkowanych przepływów plazmy.

W rzeczywistości taki silnik plazmowy jest magnetronem szeroko stosowanym w przemyśle. Jest to z kolei urządzenie technologiczne, za pomocą którego cienkie warstwy materiału są osadzane na podłożu przez katodowe rozpylanie tarczy w osoczu. Ale nie należy mylić tego urządzenia z magnetronami próżniowymi. Pełnią zupełnie inną funkcję - generowanie oscylacji mikrofalowych.

Od 1995 r. Stacjonarne silniki plazmowe są zaangażowane w układy korekcyjne szeregu połączonych geostacjonarnych KA. Następnie, począwszy od 2003 roku, urządzenia te zaczęły być wykorzystywane w zagranicznych satelitach geostacjonarnych. Do początku 2012 r. 352 silniki zostały już zainstalowane w pojazdach, które znalazły się w kosmosie.

MPD-Thruster

Jest to kolejna koncepcja agregatu plazmowego. Z tym wiąże się wiele nadziei związanych z technologią kosmiczną.

Jaki jest pomysł? Między katodą i anodą powstaje ładunek plazmy, który przyczynia się do indukcji pierścieniowego pola magnetycznego. Siła Lorentza wchodzi w działanie, za pomocą którego pole działa na ruchome ładunki prądu, w wyniku czego pewna ich część jest odchylana w kierunku wzdłużnym. W rezultacie powstaje skrzep w osoczu, który wygasa "w prawo". To on tworzy siłę.

Silnik ten wykonuje pracę w trybie pulsacyjnym, ponieważ konieczne są krótkie przerwy między wyładowaniami - w ten sposób gromadzi się ładunek na elektrodach.

Co obiecuje MPD-Thruster? Działa bez rozdzielania przeciwnych ładunków. Ponieważ poruszają się one w prądzie ładowania, jest odwrotnie. Oznacza to, że siły Lorentza mają identyczny kierunek.

Teoretycznie koncepcja ta ma wyjątkową wydajność. Może rozwinąć imponującą przyczepność. Ale są też niuanse. "Przyspieszenie" ładunków elektrycznych nie podlega działaniu pola magnetycznego. Wszystko dzięki temu, że siła Lorentza działa, prostopadle do ich prędkości. To znaczy, nie zmienia parametrów kinetycznych. MPD-Thruster tylko nieznacznie zmienia kierunek, w którym następują ładunki - aby plazma wyleciała wzdłużnie.

Idealnie, prąd między katodą i anodą powinien być kilkakrotnie gęstszy. Jest to wymagane do stworzenia trakcji. I wymaga dużo energii elektrycznej. Co jednak nie jest gorsze od mocy strumienia plazmy.

Jeżeli określony impuls wynosi 1000 kilometrów na sekundę, a siła ciągu wynosi 100 kg, to zużyje się setki megawatów. Które generują w przestrzeni jest prawie niemożliwe. Nawet zakładając takie prawdopodobieństwo, statek z MPD-Thruster, o masie netto 100 ton, przyspieszy do wartości 10 000 km / s. w ciągu zaledwie 317 lat! A to jest na zaporowo astronomicznej wadze startowej 2,2 miliona ton.

Przy takich wskaźnikach nawet nie można sobie wyobrazić natężenia przepływu gazu w jednostce, która przesyła ładunki elektronowe. I nie trzeba wykonywać żadnych obliczeń, aby zrozumieć - żadna elektroda nie jest w stanie wytrzymać tak znaczących obciążeń chemicznych i termicznych.

Quantum EmDrive Apparatus

Jest to wynalazek Rogera Schoera z Wielkiej Brytanii, nad którym cała międzynarodowa społeczność naukowa prawie otwarcie się śmiała. Dlaczego? Ponieważ jego kwantowy próżniowy silnik plazmowy został uznany za niemożliwy. Ponieważ jego zasada jest sprzeczna z prawami, które są podstawą fizyki!

Ale, jak się okazało, ten kosmiczny silnik plazmowy działa i bardzo skutecznie! Ten fakt został wyjaśniony podczas testów NASA.

Urządzenie jest proste w konstrukcji. Trakcję wytwarza się za pomocą oscylacji mikrofalowych wokół pojemnika próżniowego. A energia potrzebna do ich wytworzenia jest pobierana z promieni słonecznych. Mówiąc prosto - silnik nie wymaga użycia paliwa i jest zdolny do pracy, jeśli nie na zawsze, to przynajmniej do momentu awarii.

Testerzy byli zszokowani. Silnik został przetestowany przez naukowca Guido Fetta i zespół z EagleA Eagle, którego kierownikiem był Harold White - specjaliści z Centrum Kosmicznego. Lyndon Johnson. Po szczegółowym przestudiowaniu wynalazku opublikowano artykuł, w którym testerzy zapewnili czytelnikom, że urządzenie działa i z powodzeniem tworzy apetyt, nawet jeśli jest to niewytłumaczalna sprzeczność z prawem o zachowaniu pędu.

A jednak naukowcy twierdzili, że ta jednostka wymaga interakcji z tak zwaną próżnią kwantową wirtualnej plazmy.

Problem skutecznego rozdzielania ładunku

Wielu fizyków pesymistycznie twierdzi, że jest nierozwiązywalne. Istnieją zaawansowane projekty, w których opracowywane są innowacyjne zespoły plazmowe o mocy 5 MW i impulsie o wartości 1000 km / s, ale ich siła ciągu jest wciąż zbyt mała, aby pokonać duże odległości.

Deweloperzy rozumieją ten problem i szukają innych rozwiązań. Jednym z najbardziej obiecujących projektów w naszych czasach jest VASIMR. Jego specyficzny impuls wynosi 50 km / s, a siła ciągu wynosi 6 newtonów. To tylko VASIMR nie jest w rzeczywistości jednostką plazmową. Ponieważ wytwarza plazmę o wysokiej temperaturze. Trwa przyspieszanie w dyszy Lavala - bez użycia energii elektrycznej, tylko dzięki efektom dynamicznym gazem. A plazma przyspiesza w taki sam sposób, jak strumień gazu odbiera prędkość na wyjściu ze zwykłego zespołu rakietowego.

Wniosek

Podsumowując, chciałbym powiedzieć, że ani jeden silnik plazmowy dla statku kosmicznego z naszych czasów nie jest w stanie dostarczyć rakiety nawet najbliższym gwiazdom. Dotyczy to zarówno eksperymentalnie przetestowanych urządzeń, jak i teoretycznie obliczonych.

Wielu naukowców dochodzi do pesymistycznych wniosków - przepaść między naszą planetą a gwiazdami jest nie do pokonania. Nawet przed systemem Alpha Centauri, którego niektóre elementy są widoczne gołym okiem z Ziemi, odległość wynosi 39,9 trylionów kilometrów. Nawet na statku kosmicznym, który może podróżować prędkość światła pokonanie tej odległości wynosi około 4,2-4,3 lat.

Tak więc jednostki plazmy statków kosmicznych są raczej ze sfery science fiction. Ale to nie zmniejsza ich znaczenia! Są używane jako boczne, pomocnicze i korekcyjne silniki. Dlatego wynalazek jest w pełni uzasadniony.

Ale impuls jądrowy, który wykorzystuje energię wybuchów, ma potencjalny potencjał rozwojowy. W każdym razie, przynajmniej teoretycznie, możliwe jest wysłanie automatycznej sondy do najbliższego układu gwiazdy.