7 космических двигателей будущего
Современные ракетные двигатели неплохо справляются с задачей выведения техники на орбиту, но совершенно непригодны для длительных космических путешествий. Поэтому уже не первый десяток лет ученые работают над созданием альтернативных космических двигателей, которые могли бы разгонять корабли до рекордных скоростей. Давайте рассмотрим семь основных идей из этой области.
EmDrive
Чтобы двигаться, надо от чего-то оттолкнуться – это правило считается одним из незыблемых столпов физики и космонавтики. От чего конкретно отталкиваться – от земли, воды, воздуха или реактивной струи газа, как в случае ракетных двигателей, – не так важно.
Хорошо известен мысленный эксперимент: представьте, что космонавт вышел в открытый космос, но трос, связывающий его с кораблем, неожиданно порвался и человек начинает медленно улетать прочь. Все, что у него есть, – это ящик с инструментами. Каковы его действия? Правильный ответ: ему нужно кидать инструменты в сторону от корабля. Согласно закону сохранения импульса, человека отбросит от инструмента ровно с той же силой, с какой и инструмент от человека, поэтому он постепенно будет перемещаться по направлению к кораблю. Это и есть реактивная тяга – единственный возможный способ двигаться в пустом космическом пространстве. Правда, EmDrive, как показывают эксперименты, имеет некоторые шансы это незыблемое утверждение опровергнуть.
Создатель этого двигателя – британский инженер Роджер Шаер, основавший собственную компанию Satellite Propulsion Research в 2001 году. Конструкция EmDrive весьма экстравагантна и представляет собой по форме металлическое ведро, запаянное с обоих концов. Внутри этого ведра расположен магнетрон, излучающий электромагнитные волны, – такой же, как в обычной микроволновке. И его оказывается достаточно, чтобы создавать очень маленькую, но вполне заметную тягу.
Сам автор объясняет работу своего двигателя через разность давления электромагнитного излучения в разных концах «ведра» – в узком конце оно меньше, чем в широком. Благодаря этому создается тяга, направленная в сторону узкого конца. Возможность такой работы двигателя не раз оспаривалась, но во всех экспериментах установка Шаера показывает наличие тяги в предполагаемом направлении.
В числе экспериментаторов, опробовавших «ведро» Шаера, такие организации, как NASA, Технический университет Дрездена и Китайская академия наук. Изобретение проверяли в самых разных условиях, в том числе и в вакууме, где оно показало наличие тяги в 20 микроньютонов.
Это очень мало относительно химических реактивных двигателей. Но, учитывая то, что двигатель Шаера может работать сколь угодно долго, так как не нуждается в запасе топлива (работу магнетрона могут обеспечивать солнечные батареи), потенциально он способен разгонять космические корабли до огромных скоростей, измеряемых в процентах от скорости света.
Чтобы полностью доказать работоспособность двигателя, необходимо провести еще множество измерений и избавиться от побочных эффектов, которые могут порождаться, к примеру, внешними магнитными полями. Однако уже выдвигаются и альтернативные возможные объяснения аномальной тяги двигателя Шаера, которая, в общем-то, нарушает привычные законы физики.
К примеру, выдвигаются версии, что двигатель может создавать тягу благодаря взаимодействию с физическим вакуумом, который на квантовом уровне имеет ненулевую энергию и заполнен постоянно рождающимися и исчезающими виртуальными элементарными частицами. Кто в итоге окажется прав – авторы этой теории, сам Шаер или другие скептики, мы узнаем в ближайшем будущем.
Солнечный парус
Как говорилось выше, электромагнитное излучение оказывает давление. Это значит, что теоретически его можно преобразовывать в движение – например, с помощью паруса. Аналогично тому, как корабли прошлых веков ловили в свои паруса ветер, космический корабль будущего ловил бы в свои паруса солнечный или любой другой звездный свет.
Проблема, однако, в том, что давление света крайне мало и уменьшается с увеличением расстояния от источника. Поэтому, чтобы быть эффективным, такой парус должен иметь очень малый вес и очень большую площадь. А это увеличивает риск разрушения всей конструкции при встрече с астероидом или другим объектом.
Попытки строительства и запуска солнечных парусников в космос уже имели место – в 1993 году тестирование солнечного паруса на корабле «Прогресс» провела Россия, а в 2010 году успешные испытания по пути к Венере осуществила Япония. Но еще ни один корабль не использовал парус в качестве основного источника ускорения. Несколько перспективнее в этом отношении выглядит другой проект – электрический парус.
Электрический парус
Солнце излучает не только фотоны, но также и электрически заряженные частицы вещества: электроны, протоны и ионы. Все они формируют так называемый солнечный ветер, ежесекундно уносящий с поверхности светила около одного миллиона тонн вещества.
Солнечный ветер распространяется на миллиарды километров и ответственен за некоторые природные явления на нашей планете: геомагнитные бури и северное сияние. Земля от солнечного ветра защищается с помощью собственного магнитного поля.
Солнечный ветер, как и ветер воздушный, вполне пригоден для путешествий, надо лишь заставить его дуть в паруса. Проект электрического паруса, созданный в 2006 году финским ученым Пеккой Янхуненом, внешне имеет мало общего с солнечным. Этот двигатель состоит из нескольких длинных тонких тросов, похожих на спицы колеса без обода.
Благодаря электронной пушке, излучающей против направления движения, эти тросы приобретают положительный заряженный потенциал. Так как масса электрона примерно в 1800 раз меньше, чем масса протона, то создаваемая электронами тяга не будет играть принципиальной роли. Не важны для такого паруса и электроны солнечного ветра. А вот положительно заряженные частицы – протоны и альфа-излучение – будут отталкиваться от тросов, создавая тем самым реактивную тягу.
Хотя эта тяга будет примерно в 200 раз меньше, чем таковая у солнечного паруса, проект заинтересовал Европейское космическое агентство. Дело в том, что электрический парус гораздо проще сконструировать, произвести, развернуть и эксплуатировать в космосе. Кроме того, с помощью гравитации парус позволяет также путешествовать к источнику звездного ветра, а не только от него. А так как площадь поверхности такого паруса гораздо меньше, чем у солнечного, то для астероидов и космического мусора он уязвим куда меньше. Возможно, первые экспериментальные корабли на электрическом парусе мы увидим уже в следующие несколько лет.
Ионный двигатель
Поток заряженных частиц вещества, то есть ионов, излучают не только звезды. Ионизированный газ можно создать и искусственно. В обычном состоянии частицы газа электрически нейтральны, но, когда его атомы или молекулы теряют электроны, они превращаются в ионы. В общей своей массе такой газ все еще не имеет электрического заряда, но его отдельные частицы становятся заряженными, а значит, могут двигаться в магнитном поле.
В ионном двигателе инертный газ (обычно используется ксенон) ионизируется с помощью потока высокоэнергетических электронов. Они выбивают электроны из атомов, и те приобретают положительный заряд. Далее получившиеся ионы ускоряются в электростатическом поле до скоростей порядка 200 км/с, что в 50 раз больше, чем скорость истекания газа из химических реактивных двигателей. Тем не менее современные ионные двигатели обладают очень маленькой тягой – около 50–100 миллиньютонов. Такой двигатель не смог бы даже сдвинуться со стола. Но у него есть серьезный плюс.
Большой удельный импульс позволяет значительно сократить расходы топлива в двигателе. Для ионизации газа используется энергия, полученная от солнечных батарей, поэтому ионный двигатель способен работать очень долго – до трех лет без перерыва. За такой срок он успеет разогнать космический аппарат до скоростей, которые химическим двигателям и не снились.
Ионные двигатели уже не раз бороздили просторы Солнечной системы в составе различных миссий, но обычно в качестве вспомогательных, а не основных. Сегодня как о возможной альтернативе ионным двигателям все чаще говорят про двигатели плазменные.
Плазменный двигатель
Если степень ионизации атомов становится высокой (порядка 99%), то такое агрегатное состояние вещества называется плазмой. Достичь состояния плазмы можно лишь при высоких температурах, поэтому в плазменных двигателях ионизированный газ разогревается до нескольких миллионов градусов. Разогрев осуществляется с помощью внешнего источника энергии – солнечных батарей или, что более реально, небольшого ядерного реактора.
Горячая плазма затем выбрасывается через сопло ракеты, создавая тягу в десятки раз большую, чем в ионном двигателе. Одним из примеров плазменного двигателя является проект VASIMR, который развивается еще с 70-х годов прошлого века. В отличие от ионных двигателей, плазменные в космосе еще испытаны не были, но с ними связывают большие надежды. Именно плазменный двигатель VASIMR является одним из основных кандидатов для пилотируемых полетов на Марс.
Термоядерный двигатель
Укротить энергию термоядерного синтеза люди пытаются с середины ХХ века, но пока что сделать это так и не удалось. Тем не менее управляемый термоядерный синтез все равно очень привлекателен, ведь это источник громадной энергии, получаемой из весьма дешевого топлива – изотопов гелия и водорода.
В настоящий момент существует несколько проектов конструкции реактивного двигателя на энергии термоядерного синтеза. Самой перспективной из них считается модель на основе реактора с магнитным удержанием плазмы. Термоядерный реактор в таком двигателе будет представлять собой негерметичную цилиндрическую камеру размером 100–300 метров в длину и 1–3 метра в диаметре. В камеру должно подаваться топливо в виде высокотемпературной плазмы, которая при достаточном давлении вступает в реакцию ядерного синтеза. Располагающиеся вокруг камеры катушки магнитной системы должны удерживать эту плазму от контакта с оборудованием.
Зона термоядерной реакции располагается вдоль оси такого цилиндра. С помощью магнитных полей экстремально горячая плазма проистекает через сопло реактора, создавая огромную тягу, во много раз большую, чем у химических двигателей.
Двигатель на антиматерии
Все окружающее нас вещество состоит из фермионов – элементарных частиц с полуцелым спином. Это, к примеру, кварки, из которых состоят протоны и нейтроны в атомных ядрах, а также электроны. При этом у каждого фермиона есть своя античастица. Для электрона таковой выступает позитрон, для кварка – антикварк.
Античастицы имеют ту же массу и тот же спин, что и их обычные «товарищи», отличаясь знаком всех остальных квантовых параметров. Теоретически античастицы способны составлять антивещество, но до сих пор нигде во Вселенной антивещество зарегистрировано не было. Для фундаментальной науки является большим вопросом, почему его нет.
Но в лабораторных условиях можно получить некоторое количество антивещества. К примеру, недавно был проведен эксперимент по сравнению свойств протонов и антипротонов, которые хранились в магнитной ловушке.
При встрече антивещества и обычного вещества происходит процесс взаимной аннигиляции, сопровождаемый выплеском колоссальной энергии. Так, если взять по килограмму вещества и антивещества, то количество выделенной при их встрече энергии будет сопоставимо со взрывом «Царь-бомбы» – самой мощной водородной бомбы в истории человечества.
Причем значительная часть энергии при этом выделится в виде фотонов электромагнитного излучения. Соответственно, возникает желание использовать эту энергию для космических перемещений путем создания фотонного двигателя, похожего на солнечный парус, только в данном случае свет будет генерироваться внутренним источником.
Но чтобы эффективно использовать излучение в реактивном двигателе, необходимо решить задачу создания «зеркала», которое было бы способно эти фотоны отразить. Ведь кораблю каким-то образом надо оттолкнуться, чтобы создать тягу.
Никакой современный материал попросту не выдержит рожденного в случае подобного взрыва излучения и моментально испарится. В своих фантастических романах братья Стругацкие решили эту проблему путем создания «абсолютного отражателя». В реальной жизни ничего подобного пока сделать не удалось. Эта задача, как и вопросы создания большого количества антивещества и его длительного хранения, – дело физики будущего.
Источник
ДВА новых типа двигателей для перемещения в космосе. Испытания первой модели магнито-плазмодинамического двигателя
Ещё осенью 2019-го года промелькнули сообщения, что российские инженеры предложили ДВА новых типа двигателей для перемещения в космосе. Революции в скорости никто не обещал, но сообщения об ожидаемых КПД были обнадёживающие.
Увы, потом наступила тишина. Номера обоих патентов были доступны и теория смотрелась неплохо, но вестей об успехах не было.
И, те кто был в теме, разделились.
Одни решили, что это были очередные прожекты без последствий.
Другие ванговали, что это было просто преждевременное сообщение и работы ведутся втихую, а болтливые торопыги (возможно) получили «по-шапке» 😉
И вот, наконец появилась хорошая новость об одном из проектов — об испытаниях первой модели магнитоплазмодинамического двигателя.
Это уже не теория — вот кадр с первых испытаний:
Кадр испытаний магнитоплазмодинамического двигателя
Пояснение для тех, кто не в теме
(Сведущие сразу могут прокрутить вниз, к самой новости)
Для выхода на орбиту с поверхности Земли по-прежнему нужны ракеты. И так будет ещё очень долго. А вот, на чём летать в межпланетном пространстве — большой вопрос.
Обычные жидкостные двигатели хороши тем, что быстро разгоняются. Но, развиваемые ими итоговые скорости слишком малы для быстрых перелётов от планеты к планете.
Станция «Кассини» летела к Сатурну почти 7 лет.
Нужно сокращать время полёта.
Одно из решений — российский космический ядерный буксир «Нуклон». Это ядерный электрогенератор, который запитывает электрические двигатели. Да, установка в целом всё равно «реактивная», но её КПД в разы выше, чем у обычных ракет. При той же массе топлива, мы получаем более высокую скорость в итоге.
Но, одно из ограничений «Нуклона» — малая тяга движков. Да, при полёте к Юпитеру, он обгонит «обычную» ракету. На расстояниях до Марса выгоды уже практически нет. А, до Луны он и вовсе будет лететь аж 200 дней (хотя, для беспилотника с полезной нагрузкой 10 тонн это не так плохо).
В итоге, Россия спроектировала энергоустановку в 480 кВт. Но, один из важнейших вопросов — увеличение тяги двигателей — остался. Самые лучшие ионные двигатели имеют тягу, с трудом дотягивающую до 1 Н (ньютона).
Вот об этих конечных двигателях и идёт речь. «Нуклону» нужны новые технологии электрических «приводов».
Ионные движки близки к своему пределу — сейчас тяга лучшего из них — всего 1,5 Н. Теоретически, могут сделать ещё раза в два больше. Дальше — тупик.
Магнитный плазмодинамический двигатель
На этом фоне очень интересно сообщение, что российская компания «СуперОкс» представила данные об испытаниях первой версии своей силовой установки с использованием сверхпроводящих магнитов. Насколько можно понять, это промежуточный итог трёхлетней работы. Сообщается, что в работе также принимала участие кафедра физики плазмы НИЯУ МИФИ.
Статья об этом была опубликована в британском журнале Journal of Physics в декабре 2020 года. Посмотрите источник на английском — буду признателен за уточнения.
Кому лень — может посмотреть новость на русском на сайте самой компании.
Вакуумная камера для испытаний первых прообразов двигателей.
Вообще, двигатель на этом принципе был предложен нашим изобретателем Ю. В. Кубаревым в 1958 году (работы под его руководством велись ещё недавно в Воронежском ОАО КБХА).
Так что, неверно говорить о новом типе двигателя в теоретическом смысле.
Но, с точки зрения практики, вполне можно говорить о новинке. Потому что рабочего образца ещё не было ни у кого. Так, в 2014 году Кубарев обмолвился в одном интервью, что американская опытная установка «никуда не полетит, слишком тяжёлая» — изобретателю точно виднее было :).
Эти установки должны обеспечивать скорость истечения рабочего тела от 15 до 60 км/с, а по последним данным до 110 км/с и более. Это в 25 раз выше, чем в жидкостных реактивных двигателях (
4 км/с у водородных).
В двух словах: для создания тяги в этом двигателе используется сила Лоренца (сила, действующая на заряженные частицы электромагнитным полем). В статье также говорится, что это магнитоплазменные двигатели имеют потенциал тяги до 200 Н (правильно ли я перевёл это место? — уж больно хорошо звучит. ).
Хотя, зам. ген. директора ЗАО «СуперОкс» Алексей Воронов был более осторожен, сказав, что:
«Разработанная технология позволяет проектировать двигатель с реактивной тягой вплоть до 5 Ньютонов и более без потери качества преобразования энергии. Этот результат стал возможен только благодаря высокому магнитному полю в нашем двигателе, которое создается магнитом из высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП)»
На этой схеме в качестве рабочего тела используется литий
Сейчас испытан только лабораторный опытный образец, который развил мощность почти в 1 Н при мощности установки
Не впечатлило? Тогда ещё раз вспомните, что это пока только опытный образец, но он уже сравнялся с хорошими ионниками, которые развиваются много лет. есть над чем подумать и помечтать 🙂
(наш ИД-500 развивает 0,35-0,75 Н при чуть большей потребляемой мощности)
Приведу цитату из статьи с более точными данными:
Средние данные с расходом топлива (аргона) 20, 15 и 10 мг/с составляют 1,22, 1,34 и 1,75 кДж/мг.
Максимальная расчетная тяга достигается 850 мН при 50 мг/с. Наилучший полученный удельный импульс равен 3840 с при 10 мг/с. Максимальные получаемые значения тяги при заданной тяге расход топлива 48 мН / кВт при 50 мг / с.
Получена максимальная мощность дуги составляет 27,5 кВт при 20 мг/с.
Наилучшая достигнутая эффективность катода диаметром 10 мм составляет 54% при 15 мг/с при тяге 554 мН и удельном импульсе 3763 с при 18,9 кВт (450 А, 42,1 В) при 29,3 мН / кВт и 1,3 кДж / мг.
Кому мало данных — читайте статью.
Что сказать, пока не густо, но для начала очень даже прилично.
Даже если в итоговых рабочих изделиях будут всего лишь заявленные 5-6 Н, — это в 3-4 раза лучше того, что могут обеспечить лучшие ионники. Лиха беда — начало 🙂
И ещё об одном. В двигателе применены сверхпроводники. А это означает уменьшение массы магнита в 4 раза по сравнению с медными магнитами в современных электрореактивных двигателях.
Меньше масса — выше ускорение, быстрее долетим!
Тот самый магнит — вес 9 кг.
Думаю, что именно об этих движках говорилось в ТЗ на Нуклон — если мне не изменяет память, там шла речь именно о плазменных двигателях, а не об ионниках.
Первый — как обеспечат низкие температуры для сверхпроводников? Принято считать, что в космосе холодно, но не достаточно (и не забудем, что вакуум — лучший теплоизолятор). Значит, будет криогенная установка, а это дополнительный груз, снижение надёжности и т.д.
С другой стороны — материаловеды работают, иногда проскакивают сообщения о высокотемпературных сверхпроводниках. И тут следует заметить, что написано на сайте самой компании:
Компания СуперОкс создана в 2006 году Андреем Вавиловым для разработки технологии производства высокотемпературных сверхпроводниковых проводов 2го поколения – ВТСП-проводов.
Выводы делайте сами. Мне пока ясно одно — явно не новички в этой теме, но об их вовлечённости в космические проекты ничего не знаю.
Второе. В двигателях этого типа используется электроразряд. Значит, есть эррозия элементов конструкции. Специалисты «СуперОкс» говорят, что нашли довольно удачную конструкцию катода:
Катод после всех испытаний
Говорится, что катод испытывался суммарно 2500 секунд с максимальным непрерывным временем 140 с. В итоге отмечен низкий износ.
Но, это всё частности. Главное то, что износ от электрокоррозии вообще есть — это влияет на срок службы всего двигателя. На Земле электрод — всего лишь быстро заменяемый расходник, а в космосе он становится непреодолимой проблемой.
Это насчёт работы в составе многоразового космического буксира.
А в итоге мы имеем ещё один прототип электрического реактивного двигателя. Вдобавок к плазменным и ионным, появился магнитоплазмодинамический. Интересным является применение в нём сверхпроводников, хотя ряд вопросов конечно остаётся.
Пока он не впечатляет, да и не обязан — от первого рабочего образца много ожидать не следует. Его задача — отработать основные принципы работы. Первые автомобили ездили не быстрее лошадей. Но, теория говорила, что они могут гораздо больше — вскоре это и произошло.
Здесь — то же самое. Осталось набраться терпения. И пожелать нашим инженерам успехов! 🙂
Реакция читателей:
-(Виталий) Автор, спасибо за статью. Видел эту новость раньше, но у Вас она гораздо лучше рассмотрена. Еще раз, респект ))
А теперь позвольте «ложку дегтя» ))
Вы пишете: «В двигателе применены сверхпроводники. А это означает уменьшение массы магнита в 4 раза по сравнению с медными магнитами в современных электрореактивных двигателях.
Меньше масса — выше ускорение, быстрее долетим!»
Да, масса уменьшится. На 3-5 кг на каждом двигателе. На 20-30 двигателях — на 100 кг. И что нам дадут 100 кг при массе того же «Нуклона» в 20-30 тонн ?
На мой взгляд, гораздо важнее мЕньший расход эл.мощности на 1 Ньютон тяги. У ИД-500 эл.мощность 35 кВт при тяге примерно 0,5 Н. Тут 30 кВт на 1 Н. Т.е. примерно в 2 раза меньше. Значит можно или поставить реактор поменьше (полегче), или увеличить тягу буксира. Вот еще бы уточнить уд.импульсы этого двигателя и ИД-500.
— (Автор) Виталий, применительно к Нуклону — полностью согласен.
Но, во-первых, с миру по нитке — каждый килограмм на счету.
И потом — движки можно и на мЕньшие спутники поставить — там заметнее будет.
А напрямую сравнивать пока рановато — это экспериментальная установка.
Но в целом да — именно бОльшего удельного импульса от этой технологии все и ждут 🙂
1. На мЕньших спутниках будет примерно та же самая проблема. 30 кВт эл.мощности требуют серьезную энергетической установку. С большой массой.
Но, в целом, сокращение массы двигателя — это, конечно, плюс.
2. С одной стороны, сравнивать пока рано. С другой, а как же без сравнения ? Надо же на что-то ориентироваться. Пусть даже с поправкой на дальнейший рост характеристик.
— Виталий, если всё-же настаиваете на сравнении, то я просто повторюсь — первая же опытная установка работает на уровне лучших ионников, которые развиваются не один десяток лет. А если точнее, то даже немного лучше — 0,85Н при потреблении меньше 30 кВт (у ИД-500 больше 30-ти).
Туда же — по расчётам потенциал этих движков — до 200 Н. По крайней мере, в данной разработке прогнозируют не менее 5-6Н. Плазменникам и ионникам это сегодня даже не снится, насколько я знаю.
Нет, конечно круто, когда опытный образец на голову превосходит современные аналоги, но. не всегда так получается — иногда вместо прыжков приходится двигаться потихоньку 🙂
— Спасибо за сравнение. Но тут не хватает удельного импульса. Без него сравнение недостаточно корректное.
5-6 Н — это неплохо, но не главное. Можно поставить 5 ионников, и они дадут эти 5 Н. Вопрос в потреблении энергии и расходе РТ (удельном импульсе). С энергией вроде бы у нового двигателя всё хорошо .
— Виталий, насчёт удельного я же давал в статье — 3763с в одном из режимов. Остальные режимы смотрите в исходной статье — там по-моему ещё что-то было.
Похвастать особо нечем, как видите.
Но, сейчас не импульс важен, а то, что установка вообще заработала. Ну а неплохие выходные характеристики на данном этапе — скорее приятный бонус.
У меня нет данных, сколько там было у первых ионников, но судя по сегодняшним крохам — на порядок точно меньше.
5 ионников можно, но они будут весить и потреблять кратно больше — смысла нет. Вы же сами про важность удельного импульса говорите.
Вот с энергопотреблением да: минус 5кВт при той же мощности — это конечно же радует уже сейчас. Ну и чуть меньшая масса тоже в плюс идёт.
Гораздо больше расстраивает другое — нет данных в рамках чего создана эта установка, был ли на неё заказ или на свой страх и риск сделали.
— Здорово конечно, когда правительство Москвы вкладывается в такие стартапы. Но, стартап должен быть не только интересным и многообещающим, но и встроенным в космическую программу страны — у нас же клановость развита, чужих не жалуют.
То есть, ребятам ещё надо доказать, что они свои, встроиться в систему. А это лишние препятствия.
Ладно, посмотрим что получаться будет — столица России всё-таки вложилась, не кто нибудь. 🙂
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов
Источник