Космический марш для плазмы игеликона: плазменный двигатель батищева
- Лестница к звездам Изобретатель мини-геликонного плазменного двигателя Олег Батищев в фотостудии «Популярной механики» задумчиво наблюдает вверх, воображая себе будущее, в котором такие двигатели будут разгонять космические суда к планетам Нашей системы
Электричество против химии До тех пор пока на орбитах господствуют космические аппараты с химическими двигателями. Но конструкторы уверены в том, что будущее — за значительно более перспективными электрореактивными двигателями
За прошедшие полвека земная космонавтика с уверенностью освоила начала и околоземное пространство изучение планет Нашей системы, опираясь на классические двигатели на химическом горючем. Само собой разумеется, еще многие годы космонавтика будет надеяться на ветхую хорошую «химию». Но химические двигатели имеют важное ограничение, которое связано с энергетикой химических реакций. Они очень «прожорливы», другими словами имеют низкий удельный импульс (отношение импульса к массовому расходу горючего).
Исходя из этого космические аппараты, каковые ученые отправляют к окраинам Нашей системы, несут совсем маленькую нужную нагрузку, кроме того с учетом гравитационных маневров в поле тяготения планет, применяемом для дополнительного разгона.
В полной мере быть может, что на смену «химии» придут электрореактивные двигатели (ЭРД). Именно на ЭРД сейчас возлагают громадные надежды конструкторы космической техники. «ПМ» уже писала об истории русских плазменных двигателей СПД (№12’2005), каковые употребляются в качестве маневровых и корректировочных в некоторых спутниках связи. ЭРД этого же типа стоял на европейском зонде SMART-1, посланном к Луне в 2003 году, американские же зонды Deep Space1 (стартовал во второй половине 90-ых годов двадцатого века к комете Борелли) и Dawn (запущен в 2007 году для изучения астероидов Весты и Цереры) также оснащены ЭРД, действительно, другого типа — ионными.
«Это только первые шаги, — говорит Олег Батищев, управлявший в Лаборатории космических двигателей (Space Propulsion Laboratory) астронавтики и факультета аэронавтики Массачусетского технологического университета (MIT) группу по разработке плазменного ЭРД принципиально нового типа. — Но, само собой разумеется, будущее как раз за плазменными двигателями».
От термояда к плазменному мотору
В начале 1990-х Олег Батищев, юный кандидат физико-математических наук, доцент и выпускник МФТИ, трудился в Университете прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, где занимался численным моделированием совокупностей кинетических уравнений для электронов, ионов и нейтральных атомов.
Эти изучения были необходимы Курчатовскому университету для проекта международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР (ITER). «В работе над ИТЭРом участвовало множество исследовательских групп из разных государств, русские трудились в Германии, Англии, Японии, кроме того Бразилии и Мексике, — вспоминает Олег.- Среди американских участников была несколько, которая занималась проблемой дивертора — пластины, отводящей энергию из реактора. Министерство энергетики США пригласило меня поработать над данной темой в Центре ядерного синтеза (MIT Plasma Science and Fusion Center) — до 1999 года, в то время, когда США вышли из проекта.
Незадолго до этого я познакомился с Диасом и-Франклином, астронавтом и физиком родом из Коста-Рики, выпускником MIT. Он в конце 1980-х в том же Центре ядерного синтеза занимался конструированием пробкотронов — магнитных ловушек для плазмы, не оправдавших ожиданий (плазма из них вытекала). Тогда ему и пришла в голову мысль, как возможно разгонять плазму и выталкивать ее в нужном направлении — другими словами как сделать плазменный двигатель.
Ему нужен был источник плотной плазмы, и мы его изучили».
Магнитоплазменная ракета
Проект собственного двигателя Чанг-Диас назвал Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (магнитоплазменный двигатель с изменяемым удельным импульсом), сокращенно VASIMIR (станция «Мир» тогда еще была на орбите), чуть позднее наименование было поменяно на VASIMR. До 2005 года Чанг-Диас разрабатывал собственный проект в Лаборатории перспективных космических двигателей NASA (Advanced Space Propulsion Laboratory), а позже — в лабораториях собственной компании Ad Astra Rocket рядом от Хьюстона и в родной Коста-Рике.
Мысль двигателя VASIMR очень уникальна. Он складывается из трех ступеней. Первая — геликонный источник плазмы, в котором газ ионизируется радиочастотным излучением особой антенны в присутствии магнитного поля (это достаточно распространенная конструкция).
Во второй ступени происходит ускорение ионов резонансным высокочастотным полем: ионы вращаются в плоскости поперечного сечения, как в циклотроне (время от времени это именуют «циклотронным разогревом»). Последняя ступень — магнитное сопло, которое преобразует перемещение поперечно вращающихся частиц в продольное, выбрасывая разогнанную плазму с образованием тяги.
«Целью проекта VASIMR было создание замечательного двигателя с громадной тягой, порядка ньютонов, — растолковывает Олег.- К тому же у данной конструкции имеется ответственное преимущество, которого нет у существующих плазменных двигателей других типов: возможно поменять удельный импульс в широком диапазоне, поскольку для большой эффективности ракеты скорость истечения рабочего тела должна быть в совершенстве равна ее скорости, тогда энергия расходуется оптимальным образом».
Отбросить лишнее
Как вспоминает Олег, в ходе конструирования геликонного источника плазмы для VASIMR обнаружилось любопытное теоретическое следствие: «Представьте себе, что вы начинаете закачивать энергию в газ посредством антенны. Сперва ничего не происходит, позже происходит электрический пробой, газ ионизируется, образуется плазма. Как раз такая холодная и плотная плазма поступает в циклотронную ступень двигателя VASIMR, а тёплая плазма в том месте не нужна — это лишние затраты энергии.
В случае если продолжить закачивать энергию в геликонный источник, по отечественной теории обязан наблюдаться резкий скачок в его эффективности: по окончании полной ионизации газа (‘выгорания’) вся энергия идет на разогрев электронов плазмы, а утраты на излучение составляют только малую часть. Опыты подтвердили наличие этого результата, что навело меня на идею создания действенного и весьма несложного плазменного двигателя».
Прототип, что в MIT назвали мини-геликонным двигателем (mHT, mini-Helicon Thruster), по собственной конструкции весьма несложен: это кварцевая трубка с навитой обмоткой для магнитного поля и антенной для возбуждения геликонной волны. Поступающий газ ионизируется высокочастотным радиоизлучением, плазма разогревается, а магнитное поле направляет плазменную струю в нужном направлении. «Отечественный двигатель отличается от VASIMR — он одноступенчатый, для нагрева плазмы не нужен циклотронный нагрев ионов, не требуется магнитное сопло, он компактнее, — растолковывает Батищев.- Наряду с этим в качестве рабочего тела в VASIMR сперва применяли водород, позже перешли на гелий, на данный момент применяют аргон — более тяжелые газы снижают удельный импульс, но повышают тягу.
А отечественный двигатель способен трудиться фактически на чем угодно — на азоте а также на воздухе! Возможно непрерывно поменять состав рабочего тела, и двигатель будет продолжать работу».
Если сравнивать с современными плазменными двигателями мини-геликонный имеет последовательность значительных преимуществ. Двигатели на эффекте Холла (к каким относятся российские СПД) не разрешают применять полное сечение канала, разогнанные тяжелые ионы ксенона (весьма дорогого и редкого газа) приводят к эрозии стенок камеры, для их работы нужно высокое напряжение.
СПД, в большинстве случаев, снабжен двумя катодами, потому, что это одно из самых уязвимых мест конструкции, что существенно увеличивает габариты двигателя. «Мини-аккумуляторная двигатель лишен всех этих недочётов: плазма не касается стенок, так что эрозия минимальна, зажигание автоматическое, не нужен катод, размеры смогут быть любыми, от миниатюрных двигателей правильной коррекции до громадных и замечательных — по отечественным расчетам, двигатель мощностью 1 МВт будет иметь диаметр около 30 см, — говорит Олег Батищев. — Расходимость плазменного пучка у нас совсем маленькой, около 10 градусов (для сравнения — в СПД она порядка 45 градусов). КПД отечественного прототипа пока не высокое, около 20%, но это разъясняется тем, что он трудится на азоте, да и оптимизацией мы пока не занимались».
Двигатель из бутылки
Мини-геликонный двигатель столь несложен по собственной конструкции, что это навело Олега на идея о популярной демонстрации: «Мы трудились с замечательными постоянными магнитами, и один из студентов не удержал их при трансформации конструкции стенда — магниты устремились навстречу друг другу, столкнулись и раскололись на куски. А до тех пор пока мы ожидали новые, мне пришла в голову мысль сделать двигатель из подручных средств, дабы продемонстрировать, как он несложен. Я решил применять в качестве камеры стеклянную бутылку из-под кока-колы, а геликонную антенну вырезать из жестяной банки».
Демонстрация плазменного двигателя из бутылки и банки принесла группе Батищева известность и практически мировую славу: каналы с радостью показывали эффектную запись опыта, где за кадром голос одного из студентов зачитывает показания амперметра, в бутылке загорается свечение, и струя плазмы вырывается из отпиленного донышка (очевидно, опыт проходит в вакуумной камере).
Дабы убедиться, что мини-геликон представляет собой не просто источник плазмы, в частности двигатель, исследователи измерили характеристики взятой плазмы. Энергию ионов измеряли двумя способами — спектрометрическим, за счет измерения доплеровского сдвига спектральной линии, и посредством энергетического анализатора с замедляющим потенциалом. Скорость ионов составила от 10 до сорока километров/с.
Причем ее возможно варьировать за счет трансформации расхода газа и подаваемой мощности, изменяя тем самым удельный импульс. Но самым несложным и эффектным методом демонстрации наличия тяги выяснилось, по словам Олега, весьма простое ответ: «Мы отечественный прототип на двух лесках к потолку вакуумной камеры на магнитах и измерили отклонение трубочки при холодной продувке (подаче газа) и при истечении струи плазмы. Отличие было видно невооруженным глазом!»
К далеким планетам
Дальние космические полеты с применением геликонных плазменных двигателей выглядят до тех пор пока еще фантастически, но все же значительно более предпочтительны, чем на химическом горючем, — была бы лишь энергия (ее планируется приобретать от ядерной энергетической установки). Рабочее тело возможно любым: азот, аргон, воздушное пространство, кроме того вода (действительно, данный вопрос испытывает недостаток в дополнительных изучениях).
Согласно точки зрения Олега Батищева, плазменные геликонные двигатели имеют превосходные возможности уже в самом ближайшем будущем — в то время, когда начнется освоение Луны и околоземного пространства частными компаниями. на данный момент срок работы разных спутников во многом ограничен запасом горючего либо рабочего тела для двигателей коррекции орбиты. Мини-геликонные двигатели в этом отношении превосходят каждые химические — они экономичны, имеют громадной удельный импульс и могут применять в качестве рабочего тела недорогой азот. «Либо кроме того воздушное пространство, — додаёт Олег. — Представьте себе спутник на эллиптической орбите, что в перигее способен пополнять запасы рабочего тела, либо низкоорбитальный спутник с неисчерпаемым запасом рабочего тела, которое он берет из воздуха!»
Именем закона сохранения импульса
Каждые ракетные двигатели (и химические, и электрические) применяют одинаковый принцип
Они отбрасывают рабочее тело и в соответствии с законом сохранения импульса покупают такой же импульс, но направленный в противоположную сторону. В химических двигателях рабочим телом помогают продукты сгорания, разогретые энергией окислительно-восстановительной реакции и выкинутые с высокой скоростью из сопла.
В ЭРД рабочим телом помогает плазма либо ионы, разогнанные в электрических и/либо магнитных полях (в зависимости от типа двигателя комбинация и конфигурация этих полей возможно разной). Для этого употребляется электроэнергия, источниками которой могут служить солнечные батареи либо ядерная энергетическая установка. Современные ЭРД до тех пор пока дают весьма малую тягу (миллиньютоны), исходя из этого их использование ограничено корректировкой орбит либо медленным разгоном космических аппаратов в течении долгого времени (тысячи часов).
Как трудится
- Двигатель на азоте В отличие от плазменных двигателей других типов, в которых в качестве рабочего тела в большинстве случаев используют дорогой ксенон, двигатель-и мини Олега Батищева может применять более недорогой аргон (на фото) либо кроме того азот
Удельный импульс прототипа мини-геликонного плазменного двигателя при работе на азоте составил 2000−4000 секунд, на аргоне — 1000−2000.
Двигатель продемонстрировал тягу в 10 миллиньютонов при мощности 700 вт и расходе аргона 20 см³ в 60 секунд
По собственной конструкции двигатель весьма несложен. В кварцевую трубку (камеру) подается газ (N2). На трубку навита обмотка, которая при пропускании электрического тока формирует в сильное аксиальное (направленное на протяжении оси) магнитное поле (B) (вместо обмотки смогут быть использованы сильные постоянные магниты).
Рядом с магнитами расположена особая антенна, коротковолновое излучение которой ионизирует поступающий в трубку газ, превращая его в плазму, и разогревает ее электронную компоненту. Магнитное поле снабжает радиальное удержание плазмы и изоляцию стенок трубки, и направляет поток электронов. Наряду с этим за счет большого давления электронов образуется амбиполярное электрическое поле (EA), которое разгоняет ионы по грамотному соленоидальным магнитным полем каналу.
импульс и Тяга для того чтобы двигателя зависят от соотношения расхода газа и подаваемой на антенну мощности, а скорость истечения плазмы довольно большая — до сорока километров/с (для азота). Двигатель не имеет электродов, а стены камеры не подвержены эрозии за счет магнитной изоляции.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№88, февраль 2010).
<
h4>