Двигатели для покорения космоса: краткая история смелых проектов и перспективные разработки
14 февраля 2013
Новые программы освоения космоса требуют разработки более совершенных двигателей. Конструкторам всегда хотелось уменьшить их массу, увеличить тягу и повысить экономичность. Сейчас это стало не простым стремлением сделать лучше, а необходимым условием для будущих пилотируемых миссий и доставки научной аппаратуры к другим планетам в разумные сроки. Какие технические решения выглядят заманчиво в отдалённой перспективе, а какие реализуются прямо сейчас?
С движением мы сталкиваемся ежедневно и привыкли к нему настолько, что не слишком задумываемся о его природе. В обычных условиях всегда есть какая-то среда и возможность взаимодействовать с ней. Ноги и колёса автомобиля отталкиваются от твёрдой поверхности дороги, гребной винт лодки увлекает воду, а турбина самолёта – воздух. Отсутствие привычной среды в космосе не даёт столь богатых возможностей.
Единственный освоенный принцип движения космических аппаратов (КА) был и остаётся прежним: реактивная струя выбрасывается в одну сторону, создавая тягу в противоположном направлении. Вся соль в том, из чего формируется и что представляет собой сама реактивная струя.
Независимо от типа в ракетных двигателях «рабочим телом» принято называть то, что покидает сопло на большой скорости. Для разгонных блоков ракет-носителей это продукты сгорания топлива, для ионных двигателей спутников – ионизированный газ. Во всех случаях время работы двигателя ограничено имеющимся на борту запасом вещества, используемого при создании реактивной тяги.
Для вывода спутника на орбиту Земли и отправки автоматических межпланетных станций (АМС) за её пределы двигатель ракеты-носителя должен обеспечить тягу в сотни и тысячи килоньютон, но ему достаточно проработать несколько минут. Самим космическим аппаратам вне гравитационного поля планеты достаточно тяги в доли ньютона, но эксплуатироваться их двигатели будут годами. Пока даже на одном КА приходится использовать несколько разных типов двигателей в качестве маршевых и корректирующих, но всё может измениться.
HyperV
Недавно в рамках проекта HyperV были собраны через Kickstarter средства на доработку импульсного плазменного двигателя. В качестве рабочего тела сгодятся практически любые газы. Сам двигатель обещает быть гораздо дешевле в производстве и эксплуатации, чем имеющиеся аналоги.
Главное преимущество заключается в универсальности. За счёт регулирования соотношения тяги к удельному импульсу один двигатель можно использовать для разных задач.
Orion, Daedalus, Longshot и другие ядерные ракетные двигатели
Ядерные двигатели разрабатываются с пятидесятых годов прошлого века и актуальны до сих пор. Изначально их предполагалось делать импульсными – ядерные взрывы малой мощности должны были придавать ускорение огромному космическому кораблю. Грандиозный проект Orion был рассчитан на пилотируемую миссию с командой в 200 человек, но его так и не удалось воплотить по техническим и экономическим причинам.
Позже предпочтение отдали менее экстремальному режиму работы ЯРД – реактивному, в котором ядерный реактор используется для контролируемого нагрева рабочего тела. Следующий проект (Daedalus) предполагал строительство на орбите Юпитера автономного зонда. Аппарат длиной почти в полкилометра должен был разогнаться термоядерными ракетными двигателями и достичь через 49 лет звезды Барнарда в созвездии Змееносца. Проект был свёрнут в 1977 году из-за недостаточных знаний об устройстве Солнечной системы вблизи её внешних границ.
В конце восьмидесятых NASA вернулось к идее межзвёздных полётов космических кораблей. Проект Longshot выглядел более реалистично и основывался на использовании лазерно-термоядерного двигателя. В качестве цели была выбрана звезда альфа Центавра B. Время полёта увеличилось до века, а миссия не предполагала возвращения. В отличие от проекта Daedalus, Longshot опирался преимущественно на существующие, а не на перспективные технологии. На последнем этапе стало очевидно, что кораблю потребуется порядка 264 тонн смеси гелия-3 и дейтерия, которых получить в таких количествах ценой разумных затрат не удастся.
Несмотря на серию неудачных проектов, ядерные ракетные двигатели не теряют актуальности. Глава Роскосмоса Владимир Поповкин сообщил в интервью «Российской газете», что опытный образец ядерной установки мегаваттного класса для межпланетных полётов появится в России в 2017 году.
Проведение стендовых испытаний ядерного реактора запланировано в Сосновом Бору Ленинградской области. По сравнению с прямоточным ядерным двигателем температура нагрева рабочего тела должна снизиться до 1500 градусов, а создаваемая реактивная струя не будет радиоактивной. Второе свойство позволит использовать двигатель уже на ранних этапах полёта без риска радиационного загрязнения атмосферы Земли. Подобная программа NASA «Прометей» была закрыта в 2006 году из-за недостаточного финансирования.
VASIMR
Другим многообещающим проектом является разработка электромагнитного ускорителя с изменяемым удельным импульсом (в англоязычной литературе – VASIMR). Рабочее тело (аргон) ионизируется радиоволнами, и полученная плазма затем разгоняется в электромагнитном поле, создавая реактивную тягу.
Впервые появившись в 1979 году, идея стала по-настоящему революционной и сейчас близка к воплощению. Такой двигатель был бы крайне востребован в системе орбитального и межпланетного транспорта. Для начала «космический буксир» мог бы перемещать многотонные грузы между орбитами Земли и Луны. Модель VASIMR VF-200 производства Ad Astra Rocket Company планируется разместить на борту МКС.
Макет двигателя VASIMR VF-200-1 представлен в ролике ниже.
EmDrive
В конце 2012 года профессор Академии наук Китая Ян Цзюань представила перевод своей статьи, описывающей прототип уникального электромагнитного ракетного двигателя. На бумаге он выглядит гораздо интереснее имеющихся сегодня ионных двигателей хотя бы потому, что не требует расхода рабочего тела, но в этом и главная причина сомнений. Совсем недавно о таком типе электрического ракетного двигателя можно было только мечтать.
В отличие от всех иных типов ракетных двигателей, здесь ускорение должно достигаться за счёт направленного микроволнового излучения. О том, что электромагнитные волны создают давление, было известно ещё со времён Максвелла, однако описание принципов работы EmDrive вызывает множество вопросов.
Образно говоря, такой двигатель похож на микроволновку, к которой добавили резонирующую полость в виде замкнутого усечённого конуса. По идее, излучаемые микроволны оказывают давление на внутреннюю полость, которое не компенсируется только в одном направлении. Так (по мнению госпожи Цзюань) у EmDrive возникает реактивная тяга.
К сожалению, такой принцип работы EmDrive вызывает множество сомнений и напоминает печальный опыт установки экспериментального «движителя без выброса реактивной массы» на спутник «Юбилейный» в 2008 году.
Радует то, что EmDrive хотя бы не относится к пресловутым инерциоидам – типу устройств, работоспособность которых без взаимодействия с внешней средой невозможна. Сомнения касаются и большинства заявленных характеристик. Помимо того что в сравнении с лучшими ионными двигателями EmDrive обещает обеспечить больший срок службы, декларируется примерно в десять раз меньшая масса при той же мощности и большей (720 мН) тяге. Подробнее об истории разработки EmDrive смотрите статью Евгения Золотова.
При исследованиях дальнего космоса энергию для EmDrive, скорее всего, будут вырабатывать привычные модули РИТЭГ. Во внутренней области Солнечной системы (условно – до главного пояса астероидов) можно ограничиться солнечными батареями. Срок автономной работы КА с электромагнитным двигателем и солнечными батареями будет практически ограничен только износом, так как у него на борту нет расходуемых компонентов.
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