Плазменный двигатель: российские ракетные разработки, достоинства и недостатки
Плазменные двигатели основаны на получении тяги за счёт рабочего вещества, которое находится в состоянии плазмы. Они представляют собой разновидность электроракетных двигателей (ЭРД), мощность которых в настоящее время всё ещё невелика. Дальнейшее развитие этой технологии связано с созданием двигателя нового поколения — безэлектродного плазменного ракетного двигателя (БПРД). Российские специалисты в этом направлении разработок на данный момент продвинулись намного дальше зарубежных аналогов. Перспективный российский БПРД способен обладать высокими характеристиками, что сможет обеспечить серьёзный рост его мощности. Кроме того, высокая энергетическая эффективность позволяет использовать в качестве рабочего тела такого плазменного двигателя практически любое вещество.
Когда и как возникла идея разработки плазменного двигателя
О возможностях использования электроракетных двигателей задумывались ещё в начале XX века. Идея создания плазменного двигателя, в котором могла бы возникать реактивная тяга за счёт энергии ионов, параллельно была впервые публично выдвинута в 1911 году российским учёным Константином Циолковским, одним из теоретических основоположников космонавтики. Первые практические эксперименты в этом направлении в 1916 году были проведены уже американским «отцом космонавтики» — учёным Робертом Годдардом.
В то время подобные разработки не смогли стать основой каких-либо полноценных технических решений: они могли действовать только в условиях, максимально приближённых к вакууму. Вопросы использования плазменных технологий стали актуальными к 1960-м годам, когда СССР и США приступили к практическому освоению космического пространства. Учёными этих стран к тому времени были обоснованы принципы работы различных ионных двигателей, способных создавать реактивную тягу за счёт ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.
Первый работающий ионный двигатель был построен инженером НАСА Гарольдом Кауфманом в 1959 году. В качестве топлива он использовал ртуть. Суборбитальные испытания этого двигателя прошли в 1964 году, когда исследовательской ракетой был запущен научный зонд Sert 1 — первое в истории устройство, использовавшее конструкцию ионного двигателя в космосе. В 1970-х годах в США провели ряд повторных испытаний этой технологии, но в дальнейшем развивать её не стали.
В СССР подошли более основательно Теоретическое исследование плазмодинамики, осуществлённое академиком Алексеем Морозовым, считается наиболее фундаментальным в мировой науке. В 1972 году в системе ориентации советского спутника «Метеор» были использованы два электроракетных двигателя: «классический» ионный и стационарный плазменный (СПД). Последний вариант показал себя лучше, и советские специалисты сконцентрировались на этой разновидности двигателей. На их производстве стало специализироваться калининградское ОКБ «Факел», которое в дальнейшем стало развивать и совершенствовать данную технологию.
В настоящее время именно калининградские СПД лидируют в мире по характеристикам достигнутой мощности и производительности. Они широко востребованы многими зарубежными производителями коммерческих геостационарных спутников и применяются для поддержания их орбит. Российские СПД сделали возможным создание спутников без использования химической тяги, основанной на весьма токсичном топливе.
Схема работы плазменного двигателя
Основные типы плазменных двигателей для космических кораблей
Принципы действия
Электростатический
«Классический» ионный двигатель, действующий на основе «эффекта Холла», при котором замкнутый дрейф электронов под действием кольцевого электростатического поля обеспечивает реактивное истекание плазмы.
По принципиальной схеме холловские двигатели делятся на двигатели с анодным слоем (ДАС) и с протяжённой зоной ускорения (СПД)
Электротермический
Для генерации плазмы используются электромагнитные поля, что приводит к повышению температуры топлива. Далее тепловая энергия, передаваемая газообразному топливу, преобразуется в кинетическую
Электромагнитный
Плазменный двигатель, в котором ионы ускоряются за счёт воздействия электромагнитных полей — естественного (земного) и искусственного (генерируемого самим аппаратом)
Самыми используемыми в настоящее время пока что являются устройства, так или иначе действующие на эффекте Холла.
На сегодняшний день ионные двигатели необходимы спутникам, чтобы маневрировать в ближнем космосе — как правило, для удержания параметров стационарной орбиты, изменения своего курса или уклонения от космического мусора. Но существует и несколько проектов, связанных с использование ионных двигателей для дальних космических путешествий.
Самым известным из них стала автоматическая исследовательская миссия Dawn от НАСА. В сентябре 2007 года она была запущена для исследования астероида Веста и карликовой планеты Церера. Аппарат Dawn был оборудован тремя компактными ксеноновыми ионными двигателями NSTAR, которые разгоняли атомы до скорости в десять раз выше, чем могли это сделать современные химические двигатели.
Для полета Dawn требовалось в среднем 3,25 мг топлива в секунду, а на борту аппарата разместилось 425 кг ксенона. Через девять лет после запуска станция Dawn разогналась до скорости 39 900 км/час (11,1 км/с). 1 ноября 2018 года НАСА официально закончила миссию Dawn, поскольку ионные двигатели полностью выработали топливо.
Ещё одним космическим аппаратом, который использует ксеноновые ионные двигатели для дальних полётов, стала японская исследовательская станция по изучению астероида Рюгу «Хаябуса-2». Зонд оснащён четырьмя ионными двигателями IES и ксеноном массой 73 кг.
Можно ли собрать плазменный двигатель своими руками
В качестве демонстрационного образца «ионного двигателя» используется достаточно простое устройство, известное среди радиолюбителей под названием «качер Бровина». С его помощью можно наблюдать эффектные коронные разряды, молнии, а также плазменные дуги. Устройство было изобретено в 1987 году советским радиоинженером Владимиром Бровиным. Оно настолько простое, что изготовить его своими руками сможет даже начинающий радиолюбитель.
Качер Бровина питается от модифицированного сетевого адаптера 12 В, 2 А, потребляет 20 Вт. Он преобразует электрический сигнал в поле частотой 1 Мгц с эффективностью 90%. Для сборки устройства также потребуется пластиковая труба 80х200 мм — на неё будут намотаны первичные и вторичные обмотки резонатора. Вся электронная часть устройства размещается в середине этой трубы. Эта схема полностью стабильна, она может работать сотни часов без перерыва.
Демонстрационный образец работы «ионного двигателя» достигается последовательным повышением напряжения, подаваемого на качер Бровина. Если схема была собрана на транзисторе КТ902А, то стример на конце иглы должен появиться на 4 вольтах. С повышением напряжения он будет возрастать. При достижении 16 вольт он превратится в визуальный аналог фантастического «репульсорного» луча, а при 18 В увеличится примерно до 17 мм. Далее под напряжением 20 В электрические разряды будут напоминать в работе настоящий ионный двигатель.
Реальная двигательная установка, обеспечивающая заметную реактивную тягу при истечении плазмы, более известна как СМОЛА (Спиральная Магнитная Открытая ЛовушкА). Фактически она представляет собой собранный своими руками плазменный двигатель с небольшими по мощности характеристиками. Установка СМОЛА в целом представляет собой трубу с винтовым магнитным полем, которая заканчивается парой расширителей. Оптимальной считается комбинация из общей длины устройства (6 метров), величины магнитного поля (до 0,3 Тесла) и плотности плазмы (10^19 частиц в кубометре).
Реально действующая установка СМОЛА требует наличия достаточно серьёзной техники, в составе которой требуется:
Вакуумная система (в том числе турбомолекулярные роторные насосы), обеспечивающая давление ниже 10^-4 Па (одна миллиардная атмосферы);
Магнитная система, представляющая собой шину сечением 15 мм из твёрдой меди;
Суперконденсаторные сборки, выдающие от 200 кДж накопленной энергии.
Получившаяся плазма растекается вдоль силовых линий магнитного поля, проходит через трубу с винтовым полем, после чего, расширяясь, попадает на плазмоприёмник из изолированных друг от друга молибденовых пластин. Между пластинами можно подавать любые желаемые напряжения, чтобы раскрутить плазму радиальным электрическим полем.
Кто займётся реализацией проекта
Тематикой ЭРД и БПРД в СССР и России на протяжении десятилетий традиционно занимается НИЦ «Курчатовский институт». В настоящее время научно-лабораторная установка СМОЛА действует в новосибирском Институте ядерной физики сибирского отделения Российской Академии наук (ИЯФ СО РАН). Это плазменная ловушка, которая позволит проверить концепцию улучшенного удержания термоядерной плазмы в линейных магнитных системах.
Ученым удалось достичь в ней температуры плазмы в 100 тысяч градусов и добиться её достаточно большой плотности. Установка успешно отработала с параметрами, пригодными для создания ракетного двигателя по типу БПРД. В то же время практическая сторона вопросов разработки и применения нового российского безэлектродного плазменного ракетного двигателя относится к ведению госкорпорации «Роскосмос». Эта работа будет проводиться под эгидой одной из ведущих структур «Роскосмоса» — холдинга «НПО Энергомаш», а в его составе — воронежским АО «Конструкторское бюро химавтоматики» (КБХА).
Это мощное научно-производственное объединение осуществляет полный цикл создания жидкостных ракетных двигателей (в том числе для ракет-носителей «Союз-2» и «Ангара»), кислородно-водородных двигателей разгонных блоков, а также кислородно-метановых двигателей для перспективных ракет-носителей. Электроракетными двигателями КБХА занимается с 2010 года. В рамках этого направления уже был изготовлен демонстрационный образец магнитоплазмодинамического двигателя (МПД) мощностью до 10 кВт.
Какой мощностью будет обладать новый двигатель
Согласно заявлениям «Энергомаша», новое поколение ракетных плазменных двигателей будет обладать мощностью в «сотни» киловатт. Предполагается, что он будет мощнее как уже разработанных российских СПД, так и зарубежных новинок. В числе последних прежде всего следует отметить геликонный плазменный двигатель от Европейского космического агентства, создаваемый им совместно с Иранским космическим агентством и Австралийским национальным университетом. Подобную разработку также проводит американо-канадская компания Ad Astra Rocket Company. Эти двигатели имеют мощность соответственно в 250 и 200 кВт.
Инженеры НАСА в последние несколько лет занимаются разработкой новых плазменных двигателей в прежних схемах, рассчитанных лишь на увеличенное количество ксенона. В этих разработках пока есть сложность, поскольку увеличение веса космических аппаратов за счёт топлива негативно сказывается как на скорости их передвижения, так и на дальности полёта.
Мнение экспертов
Следует отметить, что основные российские разработки плазменных ракетных двигателей новых типов в 2010-е годы, как правило, не выходили за рамки демонстрационных установок, не отличающихся особой мощностью. Так, созданный КБХА совместно с НИИ прикладной механики и электродинамики Московского авиационного института высокочастотный ионный двигатель имеет мощность лишь 300 Вт. Ближайшие озвученные планы «Энергомаша» также сводятся к созданию очередных (разве что более мощных) лабораторных установок, а также испытательных стендов для них.
По мнению специалистов отрасли, это связано прежде всего с отсутствием практической востребованности таких разработок для текущей российской космической программы. При этом не следует забывать и о достаточно высокой стоимости оборудования, необходимого для проведения подобных исследований и разработок.
В то же время мнение экспертов однозначно склоняется к тому, что для космических запусков ракет-носителей традиционные химические двигатели будут применяться ещё очень долго. Плазменные двигатели требуют мощного источника электрической энергии, но и с ним способны обеспечить лишь очень малую тягу, притом с затратами большого времени на разгон и торможение. В то же время такие двигатели за счёт малых запасов рабочего тела весьма эффективны для работы в открытом космосе.
Чем уникальна новая российская разработка
Проект российского БПРД в параметрах, заявленных конечной целью проводимой доработки его конструкции, сможет обладать высочайшей энергоэффективностью. Его максимальные параметры мощности ограничиваются только мощностью подпитки высокочастотного генератора, которая на данный момент потенциально очень высоки благодаря недавним открытиям в области термоядерного синтеза.
Кроме того, российская разработка способна применять в качестве рабочего тела почти любое вещество. В существующих СПД большую проблему представляет собой эрозия электродов даже в инертных рабочих телах. Так как ограничения на воздействие рабочего вещества с конструктивными элементами БПРД сняты, то подобный двигатель будет обладать огромным рабочим ресурсом.
Достоинства и недостатки
Плазменные ракетные двигатели за десятилетия своего использования зарекомендовали себя следующими преимуществами в сравнении с традиционными реактивными двигателями на «химической» тяге:
Высокий импульс;
Малая масса расходуемого рабочего тела;
Малые габариты самого двигателя.
В то же время свойственные таким двигателем недостатки сводятся к главному: слишком малой тяге. Они существенно уступают по данным показателям обычным ракетным двигателям, что делает их использование крайне неэффективным. Кроме того, весьма высоки затраты энергии на ионизацию. К тому же в условиях земной атмосферы высвобождаемые ионы крайне химически активны, образуя весьма агрессивные соединения.
Таким образом, ближайшее будущее плазменных ракетных двигателей будет связано исключительно с их применением на достаточно дальних космических маршрутах и уже сложившейся ролью дополнительных двигателей на околоземных спутниках, которым требуется совершать манёвры в космосе. В последнем варианте перспективным направлением для использования ионных двигателей может стать уборка орбитального «космического мусора», проблема с которым ежегодно обостряется.
