Американський ракетний комплекс "Сатурн - Аполлон" при стартовій масі 2900 тонн виводить в космос тільки 129 тонн.

Стенд в Будинку науки і техніки (Париж), присвячений стаціонарним плазмовим двигунів і їх творцеві - А. І. Морозову.

ПЛАЗМОВИЙ ДВИГУН. Так влаштований стаціонарний плазмовий двигун (СПД).

Наука і життя // Ілюстрації

<

>

Нерозмірністю ЗАВДАНЬ І ЗАСОБІВ

При запусках штучних супутників Землі постійно виникає одна і та ж ситуація. Супутник виводиться на первинну, опорну орбіту висотою близько 150 кілометрів. Далі його потрібно перевести на робочу орбіту, скажімо, геостаціонарну, на висоту 36 тисяч кілометрів. Для цього включають двигун, який і виробляє потрібний маневр, пропрацювавши якийсь час. Оцінити вироблену ним роботу можна через поняття так званої характеристичної швидкості. Суть його полягає в наступному.

Припустимо, що є два абсолютно однакових апарату: один, скажімо, на орбіті біля Землі, інший - в абсолютно порожньому просторі, без полів тяжіння та інших впливів. Вони одночасно включають двигуни, що працюють в абсолютно однаковому режимі. Перший апарат здійснює маневри, сідає на Місяць, повертається і взагалі робить все, що потрібно. А другий рухається по прямій, не маневрує, але його двигун весь час працює в тому ж режимі, що і у першого. Зрештою цей апарат набуває певної швидкість, яка і називається характеристичною. Вона-то і визначає ефективність двигуна в даних умовах. Оскільки для кожного польоту вона своя, можна, зробивши нескладні розрахунки, відразу і з великою точністю оцінити, у скільки обійдеться кожен маневр.

У 1897 році К. Е. Ціолковський вивів для величини характеристичної швидкості нескладну формулу:

V = w ln M 0 / M 1,

де w - швидкість вильоту газів із сопла реактивного двигуна, M 0 - початкова маса апарату, M 1 - його кінцева маса.

З формули видно, що розганяти апарат до швидкості V, більшою швидкості витікання w, за рахунок збільшення викидається маси вкрай невигідно. Якщо на частку палива припадає 0,9 всієї маси ракети і, отже, кінцева маса становить 0,1 маси початкової (M 0 / M 1 = 10), характеристична швидкість V = 2,3 w. Коли це відношення мас зменшується до 0,01, швидкість зростає тільки в два рази, і, навіть зробивши M 0 / M 1 = 0,001, вдасться отримати всього V = 6,9 w: величина логарифма зростає дуже повільно. Тому під час польоту доводиться катастрофічно зменшувати масу апарату: згадаймо, як виглядають важка ракета-носій на старті і спусковий апарат в кінці польоту. Цей шлях в принципі можливий, але для високих швидкостей практично неможливий.

Залишається другий варіант: збільшити швидкість витікання реактивних газів. Характеристична швидкість залежить від неї лінійно, тобто пропорційно. Вона виросте у стільки ж разів, у скільки збільшиться швидкість витікання газів.

Сучасні реактивні двигуни працюють, як правило, за рахунок хімічної реакції з'єднання компонентів палива і окислювача. Чим більше енергії виділяється в ході цієї реакції, тим вище швидкість витікання з сопла двигуна її газоподібних продуктів однакової маси. Майже граничну енергію забезпечує реакція кисню з воднем (більше дає тільки фтор, особливо атомарний, з воднем; але і сам окислювач, і фтористий водень неймовірно хімічно активні і агресивні). Однак і вона не здатна створити потоки зі швидкостями більше 4-5 км / с. Для сучасної космічної техніки цього в багатьох випадках недостатньо.

Щоб вивести супутник на кругову орбіту, носій повинен розвинути швидкість близько 8 км / с; щоб відійти від Землі в космічний простір - більше 11 км / с; відповідні характеристичні швидкості будуть відсотків на тридцять вище. І якщо швидкість витікання газів зробити порядку характеристичної швидкості для даного маневру, кінцева маса апарату буде порівнянна з масою початкової. Вона може бути менше нехай навіть в два-три рази, а не в десятки і сотні, як сьогодні. Для цього потрібні інші двигуни, засновані не на хімічних реакціях, а на інших процесах. Вони вимагатимуть нових джерел енергії, бо, чим вище швидкість витікання робочого речовини, тим більше енергії потрібно на одиницю тяги:

P / F = w / 2η,

де Р - потужність двигуна у ВАТ, F - сила тяги в ньютонах, w - швидкість витікання в м / с, η - коефіцієнт корисної дії.

У космосі є тільки два джерела енергії - Сонце і ядерні реакції.

Внутрішньоядерних енергію отримують або з реакцій розподілу важких елементів, або шляхом синтезу елементів легких. Реакція синтезу здатна дати колосальну кількість енергії, але керувати нею найближчим часом навряд чи навчаться. Залишаються реактори, засновані на поділі, а для маленьких апаратів - ізотопні батареї. Ядерна енергетика, однак, себе сильно скомпрометувала і нажила безліч супротивників.

На внутрішніх орбітах джерелом енергії може служити Сонце. Був, наприклад, проект використовувати бортові дзеркала-концентратори, що збирають сонячну енергію на теплообміннику з воднем. Нагрітий до 2000о газ потече з сопла реактивного двигуна зі швидкістю близько 10 км / с, що вже цілком достатньо для маневру в навколоземному просторі. Однак така система громіздка і ненадійна, тому основним джерелом електроенергії на борту поки залишаються сонячні батареї. Якщо в 60-х роках кіловат потужності знімався з панелі масою близько центнера, то сьогодні "рекордні" пристрою дають ту ж потужність з 20 кілограмів маси. В цілому ж бортові батареї дають сумарну потужність не вище 20 кВт і залишаються досить ефективними тільки порівняно недалеко від Сонця - всередині орбіти Марса або пояса астероїдів. Інтенсивність світла сильно падає з відстанню (I ~ R -2), і для польотів до віддалених планет волею-неволею доведеться використовувати реактори. Бо перехід на швидкості витікання газів, співмірні з характеристичними, - абсолютно неминучий шлях розвитку космонавтики.

ЕЛЕКТРИЧНА ЕНЕРГІЯ ЗАМІСТЬ ХІМІЧНОЇ

Щоб підняти з Землі і розігнати до першої космічної швидкості величезний космічний апарат, потрібні потужності в мільйони і десятки мільйонів кіловат. На цьому етапі ніяких реальних альтернатив реактивним двигунам на хімічному паливі поки немає. Але якщо апарат вже виведений на орбіту, їм цілком можна управляти за допомогою двигунів малої потужності. Вони можуть підтримувати орієнтацію супутника, стабілізувати його на орбіті, переводити з однієї орбіти на іншу.

Існує кілька конструкцій таких двигунів. В даний час, наприклад, створені хороші моделі так званих електронагревних двигунів. Газ - аміак або гідразин - пропускають через каталізатор, який його розкладає на молекули, і нагрівають ізотопним джерелом тепла або електричної грубкою. Молекули мають набагато меншу масу і при нагріванні набувають більш високу швидкість. Але є й інший шлях: отримати спрямований потік не молекул, а іонів або плазми, розігнавши їх за допомогою електричних і магнітних полів.

Шлях цей надзвичайно перспективний. Елементарні розрахунки показують, що іон водню, пройшовши різниця потенціалів 4,5 вольта (напруга батарейки "Крона" в два рази вище), придбає швидкість 30 км / с - набагато більшу, ніж може дати хімічна реакція. Не дивно, що на початку 60-х років, після запуску першого штучного супутника Землі, роботи зі створення електрореактивних двигунів розгорнулися відразу в багатьох країнах, але провідними залишалися СРСР і США. У нашій країні були створені дуже сильні наукові колективи, серед яких особливо виділилася група з Інституту атомної енергії. Їй вдалося знайти цікаві наукові рішення, завдяки яким ми досі утримуємо лідируючу позицію в цій галузі, а створені нею стаціонарні плазмові двигуни (СПД) визнані кращими в світі.

ЯК ПРАЦЮЄ СПД

Прискорення іонів в полях дозволяє отримати швидкості, які вирішують всі проблеми недалекого майбутнього космонавтики. Залишалося цю принципову можливість реалізувати в металі. Для цього є два шляхи.

Можна взяти два електроди і прикласти до них постійна напруга. Нехай на одному буде напруга +4,5 вольта, а потенціал другого (катода) будемо вважати нульовим. Позитивний електрод (анод) з'єднаний з іонізатором газу. Іони, що вийшли з нього через отвір в аноді, почнуть прискорюватися в електричному полі, прямуючи до електрода з нульовим потенціалом. Якщо в ньому зробити отвір, іони пролетять крізь нього в простір зі швидкістю 30 км / с. А електрони, що залишилися в іонізаторі, йдуть через електричний ланцюг і джерело живлення на катод. Ця система отримала назву іонний двигун: в зоні його прискорення знаходяться тільки іони.

Насправді ж водневих іонних двигунів на 4,5 вольта немає. Причина цього одна: в ускоряющем проміжку неможливо отримати високу щільність частинок. Іони створюють в ньому досить великий об'ємний заряд, який швидко екранує потенціал нульового електрода і "замикає" потік. Щоб забезпечити досить великий струм, потрібно створити високу напруженість поля, як можна сильніше зсунувши електроди. Але граничне відстань між ними обмежене частками міліметра: в занадто вузькому зазорі виникне пробій. Швидкість нарощувати теж не можна: це веде до підвищення енергетичних витрат на одиницю тяги. Тому в такому двигуні використовують важкі частинки - іони ксенону, ртуті або цезію, працюють при напрузі близько тисячі вольт і отримують досить пристойний струм і порівняно велику тягу.

Другий шлях - плазмові двигуни, де в зоні прискорення є і електрони, і іони. Розглянемо докладніше, як вони працюють.

Найбільш істотний недолік іонних двигунів - поява об'ємного заряду в ускоряющем проміжку. Здавалося б, цього можна уникнути, помістивши в нього електрони і отримавши квазінейтральності плазму. Однак в електричному полі відразу ж почнуть прискорюватися легші електрони, причому до швидкостей в тисячі і десятки тисяч кілометрів на секунду. Це в сотні разів більше, ніж нам потрібно.

Щоб подолати рухливість електронів, їх потрібно до чогось "прив'язати". Це легко зробити, створивши в проміжку магнітне поле, перпендикулярне електричному. У магнітному полі заряджені частинки обертаються по круговій, так званої ларморовской, орбіті. У електронів її діаметр в наших умовах - десяті частки міліметра, а у іонів - близько метра. Іони практично не відчувають магнітного поля, рухаються тільки під дією поля електричного і з великою швидкістю залишають двигун. Таким чином, система перетворюється в прискорювач іонів, в якому заважає об'ємного заряду немає.

На перший погляд плазмовий двигун - дуже простий пристрій. Це кільцевої електромагніт, в зазор якого поміщена камера (її називають також каналом) з діелектричного матеріалу. В глибині камери розташований анод. Зовні, біля зрізу камери, розташований катод-нейтралізатор. Робоча речовина (ксенон) надходить в канал і поблизу анода ионизуется. Іони прискорюються в електричному полі і вилітають з двигуна, створюючи реактивну тягу. А електрони, як і в іонному двигуні, потрапляють на анод, проходять по ланцюгу до катода-нейтралізатора і надходять в іонний потік, нейтралізуючи і його, і двигун. Робити це абсолютно необхідно - в іншому випадку супутник, викидаючи позитивні іони з двигуна, придбав би негативний потенціал великий величини.

СПД НА ЗЕМЛІ І В КОСМОСІ

Наша країна продовжує лідирувати в області конструювання електроракетних систем. Стаціонарні плазмові двигуни стоять майже на шістдесят вітчизняних супутниках як двигуни корекції. Вони підлаштовують положення супутника на орбіті і в принципі можуть перевести його, скажімо, з опорної орбіти на висоті 150 - 200 кілометрів на геостаціонарну орбіту висотою 36 тисяч кілометрів. Для цієї операції знадобляться три-чотири місяці безперервної роботи, за які буде викинуто всього лише десять кілограмів речовини. Фахівці вважають, що в найближчі два-три роки почнеться справжній бум використання електроракетних двигунів і для корекції орбіт штучних супутників Землі, і для польотів на інші планети. Для всіх цих робіт СПД незамінні; вони будуть стояти і на автоматичній станції, яку за програмою Російської академії наук запустять до супутника Марса Фобоса на самому початку третього тисячоліття. А ось для орієнтації космічного апарату вони занадто потужні, для цього потрібні зовсім мініатюрні конструкції.

І для вирішення суто земних завдань поле діяльності плазмових двигунів величезна. Уже зараз СПД у відповідному виконанні використовуються для обробки різних поверхонь - з металу, скла, напівпровідників. Але, мабуть, область їх застосування, а точніше - принципів, в них закладених, буде незрівнянно ширше, тим більше, що потужність подібних систем може бути збільшена в тисячі разів. І в першу чергу пов'язано це з принципово новим їх конструктивним елементом - прозорими магніто-електронними електродами, які в багатьох випадках можуть замінити електроди твердотільні.

Подробиці для допитливих

ІСТОРІЯ ПЛАЗМОВИХ ДВИГУНІВ

Перші передумови для створення плазмово-іонних двигунів виникли понад сто років тому.

В кінці минулого століття почалися інтенсивні роботи з вивчення газів за допомогою електричного розряду. Досліджуваний газ під невисоким тиском містився в скляну трубку з упаяними електродами - анодом і катодом. При подальшому зниженні тиску в трубці стало видно промені, що йдуть від катода. Детальне дослідження показало, що ці "катодні промені" - потік електронів.

У 1886 році виявилося ще одне цікаве явище. Якщо в плоскому катоді виконати отвори ( "канали"), то через них в зворотному напрямку простягнуться інші промені, які назвали каналових. Це були потоки іонізованих атомів газу. Однак в той час, зрозуміло, ніхто не припускав, що їх можна використовувати для отримання реактивної тяги.

Перший ефективний іонний двигун був створений американцем Г. Кауфманом в 60-х роках і використаний в космічному експерименті Sert-II. У двигунах цього типу є іонізаційна камера з електричним розрядником і прискорює електрод у вигляді пластини з отворами. Робочий газ (скажімо, ксенон) надходить в камеру, де його атоми розпадаються на електрони і позитивно заряджені іони. Потік іонів виходить з камери і прискорюється під дією напруги, прикладеної до дірчастому електроду. Електрони проходять по ланцюгу харчування двигуна і надходять на нейтралізатор, що стоїть на шляху іонного пучка. Іони, віддаляючись від двигуна, захоплюють їх за собою.

Приблизно в цей же час в нашій країні був створений плазменно-ерозійний двигун конструкції А. М. Андріанова. Він став першим пристроєм такого типу, виведеним в космос: в 1964 році його встановили на апараті "Зонд-2" в якості двигуна орієнтації з живленням від сонячних батарей.

Двигун виконаний у вигляді двох циліндричних коаксіальних електродів, розділених ізолятором. До центрального електроду підведена підпалюють голка, сполучена з конденсаторної батареєю. При розряді конденсатора між голкою і електродом відбувається розряд, що викликає їх випаровування (ерозію) і іонізацію. Ця "приманки" плазма надходить в проміжок між електродами, на які подано високу напругу основної конденсаторної батареї. Поява плазми ініціює поверхневий розряд, який випаровує матеріал ізолятора і ионизует його молекули. Нагрівання і взаємодія струму з власним магнітним полем прискорюють плазму.

До середини 60-х років в Нашій стране були отрімані обнадійліві результати по розробці плазмових двигунів різніх тіпів. Альо Найбільший успіх прийшов до групи з Інституту атомної ЕНЕРГІЇ ім. І. В. Курчатова, Якою керували А. І. Морозов и Г. Я. Щепкін. Цей колектив до травня 1969 року утворів працює макет рухової установки. После конструкторської доопрацювання в ОКБ "Факел" двигун в останніх числах 1970 БУВ встановлений на супутник "Метеор" і Виведення на орбіту. З тих пір пройшло майже тридцять років, але цей стаціонарний плазмовий двигун (СПД) все ще не має конкурентів - інші схеми виявилися менш ефективними і штатної приналежністю космічних апаратів не стали.

В середині 80-х років роботи над СПД з Інституту атомної енергії були переведені в Московський інститут радіотехніки, електроніки та автоматики (МІРЕА) і продовжені в лабораторії професора Антоніни Іванівни Бугрова. У 1992 році лабораторію відвідав віце-президент франко-європейської космічної фірми SEP пан Буланже. Він запропонував укласти контракт на створення патентно чистою моделі СПД з поліпшеними характеристиками.

Справа в тому, що двигуни мають два суттєвих недоліки: велику розбіжність плазмового пучка (до 45о) і ккд близько 50%, що було менше їх можливостей. І була у них одна дивина: найбільш сильна тяга виходила при геометрії полів, з точки зору теорії далекою від оптимальної. Коли причини такої поведінки вдалося зрозуміти, співробітники лабораторії МІРЕА змінили конфігурацію каналу, анода і магнітного поля. Це відразу ж дало дивовижні результати: ккд виріс майже до 70%, а розбіжність пучка стала менше 10о. Так були створені СПД другого покоління.