В россии приступили к изготовлению плазменного ракетного двигателя

Плазменный ракетный двигатель — новая разработка России

Плазменный ракетный двигатель — новая разработка России

Портал militaryarms.ru сообщает, что еще в 2016 г. на стол фонда перспективных исследований легла заявка, оформленная научно-техническим советом НПО «Энергомаш» и НИЦ «Курчатовский институт».

Заявка посвящена реализации довольно амбициозного проекта, который позволит создать безэлектродный плазменный ракетный двигатель. Сокращенно БПРД.

Определен четкий состав работ, позволяющих выпустить лабораторный образец двигателя.

anoarvt.ru

По своей сути ЭРД (электрический ракетный двигатель) является электрическим двигателем, у которого рабочее тело способно приобретать ускорение в особом состоянии плазмы. Оригинальная идея плазменных двигателей принадлежит советскому физику Морозову А. И. Он выдвинул ее еще в 60-х. Сегодняшнее применение таких двигателей — поддерживать точки стояния у спутников связи.

Новое поколение плазменных двигателей, которые собираются изготавливать на «Энергомаше», обладают мощностью свыше 100 кВт. Их можно будет использовать не для одних геостационарных спутников. Такие двигатели подходят для полетов, которые характеризуются как межзвездные.

Последние годы в мире отмечены несколькими разработками плазменных двигателей. Их можно отнести к новому поколению.

Это геликонный плазменный двигатель от Европейского космического агентства, сотрудничающего с Иранским космическим агентством и Австралийским национальным университетом.

Это также разработка канадских инженеров и американцев из Ad Astra Rocket Company. Американо-канадский двигатель имеет мощность в 200 кВт.

Популярная механика

Портал topwar.ru уточнил, что, согласно пресс-службе Роскосмоса. в разработке двигателя примет участие КБ химавтоматики. Сайт цитирует пресс-коммюнике Роскосмоса: «Рассматриваемый в настоящее время вариант безэлектродного плазменного ракетного двигателя является новым поколением ЭРД.

Это двигатель высокой мощности, рабочее вещество в котором находится в состоянии плазмы.

Он обладает высокой энергетической эффективностью, возможностью использовать в качестве рабочего тела практически любое вещество, способен изменять величину удельного импульса, а максимальная мощность двигателя ограничивается практически только мощностью питания высокочастотного генератора.

Также двигатель такого типа потенциально может иметь большой ресурс работы, поскольку снимаются все ограничения, связанные с воздействием энергонасыщенного рабочего вещества с элементами конструкции», — рассказали в пресс-службе.

Сайт syl.ru опубликовал по поводу плазменных ракетных двигателей целое изыскание за подписью Елизаветы Потаповой. В заключении она пишет: 

В завершение хотелось бы сказать, что ни один плазменный двигатель для космических кораблей из существующих в наше время не способен доставить ракету даже к ближайшим звёздам. Это касается как экспериментально проверенных аппаратов, так и теоретически просчитанных.

Многие учёные приходят к пессимистичному заключению — разрыв между нашей планетой и звёздами фатально непреодолим.

Даже до системы Альфа Центавра, некоторые компоненты которой видны невооружённым глазом с Земли, а ведь расстояние составляет 39,9 триллиона километров.

Даже на космическом аппарате, способном передвигаться со скоростью света, преодоление данного расстояния составило бы около 4,2-4,3 лет.

Так что плазменные агрегаты звездолётов — это, скорей, из сферы научной фантастики. Но это ничуть не преуменьшает их значимость! Их используют в качестве маневровых, вспомогательных и корректирующих орбиты двигателей. Поэтому изобретение вполне оправдано.

А вот ядерный импульсный агрегат, который утилизирует энергию взрывов, имеет вероятный потенциал развития. Во всяком случае, как минимум в теории отправка автоматического зонда в ближайшую звёздную систему является возможной.

Источник: http://www.militarytimes.ru/articles/24854.html

Немцы испытали высокочастотный плазменный двигатель

Разряд между анодами и катодом в плазменном двигателе Berkant Göksel / Technical University of Berlin

Исследователи из Берлинского технического университета разработали и испытали новую версию плазменного двигателя, способного, в отличие от других прототипов, работать при нормальном, а не низком, атмосферном давлении. Работа ученых опубликована в Journal of Physics: Conference Series, а краткое ее изложение приводит New Scientist. Новая силовая установка относится к типу магнитоплазмодинамических двигателей, которые потенциально могут быть использованы на самых разных классах летательных аппаратов.

Плазменный двигатель представляет собой разновидность электрического ракетного двигателя. В нем рабочее тело приобретает ускорение, находясь в состоянии плазмы.

Разработка таких двигательных установок с переменным успехом ведется разными исследовательскими организациями с 1950-х годов.

В частности, первый рабочий прототип плазменного двигателя был создан и испытан Исследовательским центром имени Льюиса (ныне Исследовательский центр Гленна) в 1961 году.

В плазменном двигателе газ подается в рабочую кольцевую зону, внешняя часть которой представляет анод, а внутренняя, расположенная ближе к выходу, — катод.

При подаче на анод и катод постоянного напряжения в сотни вольт, в рабочей зоне возникает ионизирующий разряд и образуется плазма.

Затем эта плазма под действием силы Лоренца начинает двигаться в сторону выхода из рабочей зоны, создавая тягу. Для работы плазменного двигателя требуется большое количество энергии.

Как утверждают разработчики, их магнитоплазмодинамический двигатель по своей тяге значительно превосходит существовавшие до сих пор прототипы.

Испытанный их прототип, будучи масштабированным до размеров обычного авиационного двигателя, как утверждается, сможет развивать тягу от 50 до 150 килоньютонов в зависимости от подаваемого напряжения.

Испытанный прототип представляет собой установку длиной 80 миллиметров и диаметром 14 миллиметров.

Прототип плазменного двигателя состоит из шести медных анодов, расположенных вокруг медного же катода на расстоянии двух миллиметров. Конец катода выполнен в виде конуса.

Во время испытаний исследователи через высокочастотный высоковольтный импульсный генератор подавали на анод и катод напряжение до 16 киловольт. Подаваемое напряжение зависело от заряда конденсаторов перед генератором.

Конденсаторы заряжались 300, 400 и 500 вольтами.

При подаче напряжения на анод и катод импульсами между ними возникали разряды с частотой 3,5 килогерца. Благодаря им в двигателе и образовывалась плазма.

То, что силовая установка способна выдавать заметную тягу, исследователи проверили с помощью маятника длиной 55 миллиметров и массой 15 граммов.

В зависимости от подаваемого на аноды и катод двигателя напряжения отклонение маятника от сопла составляло от пяти до 25 градусов.

Исследователи полагают, что в будущем такие магнитоплазмодинамические двигатели можно будет устанавливать на самолеты, причем силовые установки будут эффективно работать на всех этапах: от взлета до полета на высоте 50 тысяч метров.

При этом исследователи отмечают, что плазменные двигатели нуждаются в большом количестве энергии, запасти которую при помощи аккумуляторов невозможно.

Разработчики полагают, что новые плазменные двигатели будут востребованы тогда, когда будут созданы компактные термоядерные реакторы.

Следует отметить, что сами по себе электрические ракетные двигатели уже существуют и даже используются на спутниках. Они создают относительно небольшую тягу, а потому пригодны для использования только в космосе.

К электрическим ракетным двигателям (ионный тип) относится, в частности, двигатель Холла, устанавливаемые на некоторые модели спутников.

Испытания модернизированной версии двигателя Холла проводились американцами на орбитальном беспилотнике X-37B.

Двигатель Холла является разновидностью ионного двигателя, однако отличается от последнего большей тягой и меньшим расходом рабочего тела. В качестве рабочего тела в силовой установке используется ксенон.

Силовая установка представляет собой кольцевую камеру, расположенную между анодом и катодом.

В нее подается рабочее тело, которое ионизируется катодом и анодом и разгоняется электростатическим полем в осевом направлении.

Василий Сычёв

Источник: https://nplus1.ru/news/2017/05/18/engine

Российский плазменный ракетный двигатель откроет путь к Марсу

В 2016 году НПО Энергомаш и НИЦ Курчатовский институт объявили о намерении реализовать проект безэлектродного плазменного ракетного двигателя. Учитывая намерение ведущих космических держав направить пилотируемые миссии на Марс, создание ракетного двигателя с принципиально новыми возможностями является для данной задачи обязательным условием.

Жидкостные двигатели, используемые сегодня в ракетах – это абсолютный тупик, который необходимо как можно скорее пройти. Полеты на современных аппаратах в космос можно сравнить с использованием денежных купюр в качестве топлива для обогрева дома.

3% массы ракеты составляет полезная нагрузка, если же речь идет о доставке груза на Марс, то эта величина составит порядка 0,1%. Чудовищный расход топлива при скорости истечения реактивной струи не более 5 км/c/ Совершенно неприемлемые показатели.

Одним из путей решения данной проблемы является создание электрического ракетного двигателя (ЭРД) высокой мощности. Плазменный ракетный двигатель — один из нескольких типов ЭРД. Принцип его работы заключается в разгоне в магнитном поле рабочего тела, приведенного в состояние плазмы.

Следует заметить, что на орбитальных спутниках уже давно применяются электрические ракетные двигатели малой тяги. ЭРД очень экономичны, могут работать непрерывно более трех лет и осуществлять маневрирование на всей траектории полета. Однако двигатель большой мощности, пригодный для межпланетного корабля, сделать пока никому не удавалось.

Как правило, работы велись в направлении ионных двигателей (скорость истечения которых достигает десятков км/с), но их показатели до сих пор остаются очень скромными. Плазменные двигатели сулят куда более значительные возможности. Они позволяют достигать скоростей истечения в сотни км/с и достаточно ощутимой тяги, но труднее в реализации.

С одной стороны, это требует создания компактного, безопасного и долговечного ядерного реактора, а с другой — необходимо преодолеть массу технических проблем.

Американская компания Ad Astra Rocket Company совместно с канадской Nautel уже длительное время работают над 200-киловаттный плазменным ракетным двигателем VASIMR, однако пока о его практическом применении речь не идет.

Российский плазменный двигатель от «Энергомаша» будет иметь предполагаемую мощностью более 100 кВт, что вполне подойдет для межпланетных полетов. Создаваемый ядерный реактор мегаваттного класса даст возможность использовать связку подобных двигателей и осуществлять полет на Марс менее, чем за месяц. При этом никаких проблем с запасами топлива не возникнет.

Разрабатываемый российскими учеными плазменный ЭРД является двигателем нового поколения. В нем будет реализован принцип разделения энергонасыщенного вещества от элементов конструкции, что существенно увеличит его ресурс. Удельный импульс двигателя будет изменяемым, а в качестве рабочего тела может быть использовано практически любое вещество.

  Ученый города Миасса создал машину времени. Инженер-изобретатель Виктор Булаев признан в научной среде. Из своего дома он сделал мини-лабораторию. Две его …

Предсказания доктора Нострадамуса. Часть4

Вторая часть «Столетий» была опубликована в 1558 году. В ней Нострадамус раскрывает «мето­дику» предсказаний. По его словам,  ночные пророческие …

Потолок в интерьере

Не только стены являются определяющим элементом общего вида жилого помещения, его основным элементом. Потолок не менее значим для восприятия целостной картины …

Летающие машины

Самолёты сегодня являются самым быстрым из всех видов транспорта и способны доставить людей и грузы в любое место мира в течение …

Чудеса природы

Причем каждое чудо природы отличается от остальных: некоторые места поражают красотой и величественностью ландшафта, другие — единственным в своем роде сочетанием …

Как визуально расширить пространство

Маленькие комнаты часто выглядят захламлёнными, постоянно присутствует ощущение давящих стен. Если в вашем доме есть такая комнатушка, не надо расстраиваться, …

Новые процессоры от IBM будут анализировать человеческий мозг в реальном времени

Компания IBM, практически пропавшая с пользовательских радаров за последнее десятилетие, продолжает заниматься футуристическими инновационными технологиями, несравнимыми с тем, что делают их …

Музей имени Пушкина в Москве

Одно самых крупных собраний мирового искусства с древних времен до 21 века сохранилось в Государственном музее изобразительных искусств имени известного русского …

Птицы — вестники смерти

В мифах многих народов говорится о птицах – вестниках смерти. Еще Плутарх писал, что убийству Юлия Цезаря предшествовали грозные знамения. Мно­гих …

Читайте также:  Компактный травматический пистолета мр-78-9тм

Источник: http://www.objectiv-x.ru/kosmicheskie-korabli-buduschego/rossijskij-plazmennyj-raketnyj-dvigatel-otkroet.html

Военно-космический привод России СОНАР-2050

Немало шума в СМИ и соцсетях наделали заявления Владимира Путина о том, что в России идут испытания крылатой ракеты нового поколения, обладающей почти неограниченным запасом хода и являющейся благодаря этому практически неуязвимой для всех существующих и проектируемых систем противоракетной обороны.

«В конце 2017 года на центральном полигоне Российской Федерации состоялся успешный пуск новейшей российской крылатой ракеты с ядерной энергетической установкой. В ходе полёта энергоустановка вышла на заданную мощность, обеспечила должный уровень тяги», — заявил Путин во время традиционного послания Федеральному собранию.

О ракете говорилось в контексте иных передовых российских разработок в сфере вооружений, наряду с новой межконтинентальной баллистической ракетой «Сармат», гиперзвуковой ракетой «Кинжал» и т. п. Поэтому совершенно неудивительно, что заявления Путина анализируют преимущественно в военно-политическом ключе.

Однако на самом деле вопрос стоит гораздо шире: похоже, что Россия стоит на пороге освоения настоящей технологии будущего, способной принести революционные изменения в ракетно-космическую технику и не только.  Но обо всём по порядку…

Реактивные технологии: «химический» тупик

В общих чертах работает это так: топливо поступает в камеру сгорания, где смешивается с окислителем (атмосферным воздухом в воздушно-реактивном двигателе или кислородом из находящихся на борту запасов в ракетном).

Затем смесь воспламеняется, в результате чего быстро выделяется значительное количество энергии в виде тепла, которое передаётся газообразным продуктам сгорания. При нагревании газ стремительно расширяется и как бы выдавливает себя через сопло двигателя со значительной скоростью.

Возникает реактивная струя и создаётся реактивная тяга, толкающая летательный аппарат в сторону, противоположную направлению течения струи.

He 178 и Falcon Heavy — изделия и двигатели разные, но сути это не меняет.

Реактивные и ракетные двигатели во всём их многообразии (от первого реактивного самолёта «Хейнкель 178» до Falcon Heavy Илона Маска) используют именно этот принцип — меняются лишь подходы к его применению.

И все конструкторы ракетной техники вынуждены так или иначе мириться с фундаментальным недостатком этого принципа: необходимостью возить на борту летательного аппарата значительное количество быстро расходуемого топлива. Чем большую работу предстоит совершить двигателю, тем больше топлива должно быть на борту и тем меньше полезного груза сможет взять с собой в полёт летательный аппарат.

К примеру, максимальная взлётная масса авиалайнера Boeing 747-200 составляет порядка 380 тонн. Из них 170 тонн приходится на сам самолёт, порядка 70 тонн — на полезную нагрузку (вес груза и пассажиров), а 140 тонн, или примерно 35%, весит топливо, которое в полёте сгорает со скоростью порядка 15 тонн в час. То есть на каждую тонну груза приходится 2,5 тонны топлива.

А ракета «Протон-М» для вывода на низкую опорную орбиту 22 тонн груза расходует порядка 630 тонн топлива, т. е. почти 30 тонн топлива на тонну полезной нагрузки. Как видно, «коэффициент полезного действия» более чем скромный.

Если говорить о действительно дальних полётах, например, к другим планетам Солнечной системы, то соотношение «топливо — нагрузка» становится просто убийственным.

К примеру, американская ракета «Сатурн-5» могла доставить к Луне 45 тонн груза, сжигая при этом свыше 2000 тонн топлива.

А Falcon Heavy Илона Маска при стартовой массе в полторы тысячи тонн на орбиту Марса способна вывести лишь 15 тонн груза, то есть 0,1% от своей начальной массы.

Именно поэтому пилотируемый полёт на Луну до сих пор остаётся задачей на пределе технологических возможностей человечества, а полёт на Марс выходит за эти пределы.

Хуже того: существенно расширить эти возможности, продолжая и дальше совершенствовать химические ракеты, уже не представляется возможным. В их развитии человечество «упёрлось» в потолок, определяемый законами природы.

Для того чтобы идти дальше, нужен принципиально иной подход.

«Атомная» тяга

Сжигание химического топлива уже давно перестало быть наиболее эффективным из известных способов получения энергии.

Из 1 килограмма каменного угля можно получить около 7 киловатт-часов энергии, тогда как 1 килограмм урана содержит около 620 тысяч киловатт-часов.

И если создать двигатель, который будет получать энергию от ядерных, а не от химических процессов, то такому двигателю потребуется в десятки тысяч (!) раз меньше топлива для совершения той же работы. Ключевой недостаток реактивных двигателей таким образом можно будет устранить.

Однако от идеи до реализации огромный путь, на котором предстоит решить массу сложных проблем. Во-первых, требовалось создать достаточно лёгкий и компактный ядерный реактор для того, чтобы его можно было установить на летательный аппарат. Во-вторых, надо было придумать, как именно использовать энергию распада атомного ядра для нагрева газа в двигателе и создания реактивной струи.

Наиболее очевидным вариантом было просто пропускать газ через раскалённую активную зону реактора. Однако, взаимодействуя напрямую с топливными сборками, этот газ становился бы весьма радиоактивным.

Покидая двигатель в виде реактивной струи, он бы сильно заражал всё вокруг, так что использовать подобный двигатель в атмосфере было бы неприемлемо.

Значит, тепло из активной зоны нужно передавать как-то иначе, но как именно? И где взять материалы, способные много часов сохранять свои конструктивные свойства при столь высоких температурах?

Сообщение о том, что российским учёным удалось найти решение этих и других проблем, вплотную подойдя к созданию ядерного ракетного двигателя, многим показалось неожиданным и сенсационным. Однако сюрпризом эта новость стала лишь для тех, кто совсем не следит за российской наукой, ведь работы в этом направлении активно идут уже много лет.

Мини-реактор: маленький, да удаленький

Опыт создания компактных ядерных реакторов у российских учёных есть. Первые установки такого рода были созданы ещё в советское время: так, в 1977 году на околоземную орбиту вывели спутник «Космос-954» с ядерным реактором БЭС-5 «Бук».

При весе примерно в 1 тонну «Бук» был способен производить 3 киловатта электроэнергии, от которой питался бортовой радиолокатор. В 1987 году был выведен на орбиту спутник «Космос-1818» с реактором «Тополь» («Топаз-1») мощностью в 6,6 киловатта.

Макет реактора «Топаз»

С распадом СССР работы по созданию космических ядерных установок по понятным причинам прекратились. Две установки «Енисей» («Топаз-2») за 13 миллионов долларов уже после распада СССР приобрели американцы, изрядно отстававшие от Советов в этой области. Разработка установки «Енисей-3», мощность которой должна была составлять до 100 киловатт, была заморожена.

В 2009 году было заявлено о том, что Россия начинает разрабатывать новое поколение компактных реакторов для космической техники — соответствующее решение приняла комиссия по модернизации и технологическому развитию экономики России при президенте РФ. Ядерная установка мегаваттной мощности должна была стать «сердцем» космического корабля принципиально нового типа, так называемого транспортно-энергетического модуля (ТЭМ).

В 2012 году было завершено эскизное проектирование установки. В 2014-м Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники (НИКИЭТ) им. Н. А. Доллежаля сообщил о завершении испытаний системы управления реактором.

В 2015-м стало известно об испытаниях корпуса реактора и макетов систем антирадиационной защиты. В марте 2016 года была изготовлена опытная партия топливных элементов, в декабре проведены испытания макета активной зоны.

В ноябре 2017 года было сообщено о создании стендового макета установки, полностью готового для рабочих испытаний.

Кое-что об устройстве нового реактора известно из статьи директора НИКИЭТ Юрия Драгунова. Он пишет, что новый реактор будет обладать тепловой мощностью в 3,5 мегаватта и иметь ресурс работы до 10 лет. В конструкции активной зоны реактора используются новейшие тугоплавкие материалы и сплавы на основе молибдена (разработка НПО «Луч»).

Топливом будет служить карбонитрид урана с на 20% более высокой, чем в обычных реакторах, степенью обогащения изотопом U-235.

В качестве теплоносителя выступает гелий-ксеноновая смесь, нагревающаяся в ходе работы до полутора тысяч градусов (в наиболее распространённых «стационарных» реакторах ВВЭР-1000 эту роль играет обычная вода, нагревающаяся до 200–300 градусов).

Завершение работ изначально было запланировано на 2018 год, однако сейчас чаще говорят о планах сдать проект в 2019-м.

Как мы уже говорили выше, изначально реактор (официально — ядерная энергетическая установка мегаваттного класса, ЯЭУ) разрабатывался для космоса. Однако нельзя исключать, что уже «по ходу пьесы» могли возникнуть альтернативные варианты использования устройства на Земле, в том числе и в военной сфере.

Ракеты, торпеды, но не только!

ЯЭУ, подобная описанной выше, вполне может стать «сердцем» реактивных двигателей на ядерной тяге без существенных доработок. К примеру, высокая температура теплоносителя этой установки позволяет использовать её в качестве «нагревательного элемента» в турбореактивных двигателях различных конструкций.

В используемых сегодня химических турбореактивных двигателях наружный воздух всасывается внутрь двигателя и под давлением подаётся в камеру сгорания. Там он смешивается с топливом, после чего смесь воспламеняется, нагреваясь до температуры в 1000 градусов. Расширившийся из-за резкого нагревания газ направляется в сопло, создавая реактивную тягу.

Ядерный турбореактивный двигатель будет работать почти так же, только вместо камеры сгорания у него будет «камера нагрева», где воздух будет вступать в контакт с радиатором, внутри которого будет циркулировать раскалённая до полутора тысяч градусов гелий-ксеноновая смесь системы охлаждения.

В целом этого должно быть вполне достаточно для того, чтобы создать необходимую тягу и заставить двигатель работать.

При этом не расходуется никакое горючее: для нагрева используется энергия атомного распада, и поэтому подобный двигатель может работать неделями без остановки, лишь бы выдержали все конструктивные элементы.

Предполагаемый облик подводного беспилотника, анонсированного Владимиром Путиным

Ещё проще представить себе применение ЯЭУ в «беспилотных глубоководных аппаратах», также упомянутых Путиным в том же послании.

Фактически это будет что-то вроде суперторпеды, которая будет всасывать забортную воду, превращать её в разогретый пар, который и будет формировать реактивную струю.

Такая торпеда сможет преодолевать тысячи километров под водой, перемещаясь на любых глубинах и будучи способной поразить любую цель в море или на побережье. При этом перехватить её по пути к цели будет практически невозможно.

Именно это и могут означать слова Путина о «выходе на заданную мощность» и «должном уровне тяги» — проверке того, может ли двигатель такого устройства работать с такими «входящими параметрами». Конечно, в отличие от образца на атомной тяге, «макетное» изделие не способно пролететь сколь угодно значительное расстояние, но ведь этого от него и не требуется.

На таком образце можно отработать технологические решения, связанные с чисто «двигательной» частью, — пока на стенде идёт доработка и обкатка реактора. Отделять этот этап от сдачи готового изделия может совсем немного времени — год или два.

Ну а если подобный двигатель может быть использован в крылатых ракетах, то что помешает применять его в авиации? Представьте себе авиалайнер на ядерной тяге, способный без посадки и дозаправки преодолевать десятки тысяч километров, не пожирая при этом сотни тонн дорогостоящего авиационного топлива! В общем, мы говорим об открытии, способном в перспективе совершить настоящую революцию в транспортной сфере…

Читайте также:  Советская 122-мм корпусная пушка 1931/1937 года – орудие прорыва

Впереди Марс?

Конечно, в безвоздушном космическом пространстве нельзя использовать турбореактивные двигатели, использующие забортный воздух. Вещество для создания реактивной струи здесь, как ни крути, придётся везти с собой.

Задача состоит в том, чтобы в ходе работы расходовать его гораздо более экономно, а для этого скорость истечения вещества из сопла двигателя должна быть как можно более высокой.

В химических ракетных двигателях эта скорость составляет до 5 тысяч метров в секунду (обычно 2–3 тысячи), и существенно увеличить её не представляется возможным.

Куда больших скоростей можно добиться, используя иной принцип создания реактивной струи — разгон заряженных частиц (ионов) электрическим полем.

Скорость струи в ионном двигателе может достигать 70 тысяч метров в секунду, то есть на получение одного и того же количества движения потребуется потратить в 20–30 раз меньше вещества.

Правда, такой двигатель будет потреблять довольно много электроэнергии. И вот для производства этой энергии и понадобится ядерный реактор.

Кадр с испытаний американского плазменного двигателя

Электрические (ионные и плазменные) ракетные двигатели уже существуют, например, ещё в 1971 году на орбиту Земли СССР вывел на орбиту космический аппарат «Метеор» со стационарным плазменным двигателем СПД-60 разработки ОКБ «Факел». Сегодня аналогичные двигатели активно используются для коррекции орбиты искусственных спутников Земли, но их мощность не превосходит 3–4 киловатт (5 с половиной лошадиных сил).

Однако в 2015 году Исследовательский центр им. Келдыша заявил о создании опытного образца ионного двигателя с мощностью порядка 35 киловатт (48 л. с.).

Звучит не слишком впечатляюще, однако нескольких таких двигателей вполне достаточно для того, чтобы приводить в действие космический корабль, перемещающийся в пустоте и вдали от сильных гравитационных полей.

Ускорение, которое будут придавать такие двигатели космическому кораблю, будет небольшим, но зато поддерживать его они смогут долгое время (существующие ионные двигатели обладают временем непрерывной работы до трёх лёт).

В современных космических кораблях ракетные двигатели работают лишь незначительное время, тогда как основную часть полёта корабль летит по инерции.

Ионный двигатель, получающий энергию от ядерного реактора, будет работать всё время полёта — в первой его половине разгоняя корабль, во второй — тормозя его.

Расчёты показывают, что подобный космолёт мог бы добраться до орбиты Марса за 30–40 дней, а не за год, как корабль с химическими двигателями, и к тому же перевезти с собой спускаемый аппарат, который сможет доставить человека на поверхность Красной планеты, а затем забрать его оттуда.

Ожидается, что первый такой корабль у «Роскосмоса» появится уже в 2022-2023 году.

Иными словами, будущее, возможно, уже совсем рядом…

Источник: http://www.sonar2050.org/publications/1077/

Плазменные двигатели: мифы и реальность :

Наверняка каждый человек согласится с тем, что космос манит. И он уже исследуется! Вот только очень медленно. Потому что крайне сложно создать космический аппарат, который мог бы быстро преодолеть внушительные, исчисляемые сотнями тысяч километров расстояния.

Вся суть в топливе! Оно не бесконечное. Нужны современные агрегаты с другим принципом работы, и помощнее. Да, есть ядерные ракетные двигатели (ЯРД). Но их максимальный предел – 100 км/сек. К тому же их рабочее тело нагревается в ядерном реакторе.

А вот плазменные двигатели – это перспектива, которая заслуживает внимания.

Краткий экскурс в физику

Для начала стоит отметить, что любому ракетному двигателю свойственно выбрасывание из сопла слабо ионизированной плазмы. Вне зависимости от его вида. Но «классическими», настоящими плазменными двигателями являются те, которые ускоряют плазму благодаря электромагнитным силам, оказывающим воздействие на заряженные частицы.

Процесс сложный. Любое электрическое поле, которое ускоряет в плазме заряды, придаёт электронам и ионам равные по модулю суммарные импульсы. Вдаваться в эти подробности необязательно. Достаточно знать, что импульс – это величина измерения механического движения тела.

Поскольку плазма является электрически нейтральной, то сумма всех положительных зарядов равна по модулю сумме отрицательных. Есть определённый отрезок времени – он бесконечно мал.

За эти считаные мгновения все положительные ионы получают мощный импульс. Такой же направляется в обратную сторону — к отрицательным. Что получается? Суммарный импульс в итоге равен нулю.

А значит, тяги не возникает.

Такой вывод: для электрического «разгона» плазмы необходимо разделение разноименных зарядов. Положительные будут разгоняться тогда, когда отрицательные выведены из зоны действия. Сделать это сложно, так как кулоновские силы притяжения восстанавливают электрическое равновесие, возникая между плазменными разноимённо заряженными сгустками.

И как же удалось воплотить этот принцип работы в плазменном ракетном двигателе? За счёт магнитных и электростатических полей. Только вот во втором случае агрегат традиционно именуется ионным, а в первом – именно плазменным.

Концепт из 60-х

Порядка пятидесяти лет тому назад советский физик Алексей Иванович Морозов предложил концепт плазменного ракетного двигателя. Его с успехом испытали в 70-х.

В нём для разделения пресловутых зарядов использовалось радиальное магнитное поле. Получается, что электроны, поддаваясь воздействию силы Лоренца, будто бы по спирали навиваются на силовые линии магнитного поля, которое их «выдёргивает» из плазмы.

Что при этом происходит? Массивные ионы инерционно проходят магнитное поле, набирая ускорение в продольном направлении электрического поля.

Да, данная схема имеет преимущества перед той, которая реализована в плазменно-ионных двигателях, однако есть и минус. Она не даёт возможности добиться большей тяги, что отражается на скорости.

Реален ли путь к звёздам?

На плазменные ракетные двигатели возлагалось немало надежд. Однако какими бы инновационными они ни казались, полёт до далёких небесных тел в рамках одной человеческой жизни обеспечить не могут.

Чтобы придать аппарату достаточный для этого тяговый импульс (а это как минимум 10 000 000 м/сек), нужно создать магнитное поле нереальной на данный момент мощности в 10 000 Тесла. Это возможно лишь с помощью взрывомагнитных генераторов А.Д. Сахарова и прочих современных аппаратов, работающих по тому же принципу.

Но опять-таки, такие мощные поля существуют на протяжении катастрофически малого временного отрезка, измеряемого в микросекундах. Чтобы добиться лучшего результата, приходилось бы утилизировать энергию ядерного взрыва силой в 10 кт. Для справки – последствия такого «явления» выражаются в 4-километрового диаметра облаке высотой в 2 км. А «гриб» и вовсе достигает вверх 7 км.

Так вот, при массе корабля в 100 тонн потребовался бы миллион подобных импульсов. И это лишь для увеличения его скорости на 100 километров в секунду! К тому же только при условии, что заряды не понадобилось бы брать в путь на борт. В вероятности они могли бы быть размещены в космическом пространстве на участке разгона.

Но целый миллион ядерных бомб? Нереально. Это тысячи тонн плутония! А его за всё время существования ядерного оружия произвели чуть больше 300 тонн. Так что плазменный ракетный двигатель с принципом работы, основанным на магнитном разделении зарядов, путь к далёким звёздам не обеспечит.

Холловский двигатель

Это вариант плазменного агрегата, для которого нет ограничений, что налагаются объёмным зарядом. Их отсутствие обеспечивает большую плотность тяги. А это значит, что холловский плазменный двигатель может увеличить скорость космических аппаратов в разы, если сравнивать, например, с ионным агрегатом того же размера.

В основе работы аппарата лежит эффект, который открыл американский физик Эдвин Холл в 1879 году. Он продемонстрировал, как в проводнике с взаимно перпендикулярным магнитным и электрическим полем образуется электроток. Причём в направлении, которое им обоим перпендикулярно.

Проще говоря, в холловском агрегате плазма образуется зарядом между анодом (+) и катодом (-). Действие несложное — разряд отделяет электроны от нейтральных атомов.

Стоит отметить, что на околоземных орбитах сосредоточено порядка 200 спутников с холловскими плазменными двигателями. Для космических аппаратов его мощности хватает вполне. К слову, именно такой агрегат использовался Европейским космическим агентством в целях экономичного разгона SMART-1 – его первой автоматической станции для исследования Луны.

АИПД

Теперь можно поговорить про абляционные импульсные плазменные двигатели (АИПД). Они подходят для применения в малых космических аппаратах, которые имеют неплохой спектр функциональных возможностей.

Для его расширения просто необходим высокоэффективный малогабаритный агрегат, способный корректировать и поддерживать орбиту.

АИПД – перспективный аппарат с рядом достоинств, к которым можно отнести:

  • Постоянную готовность к работе.
  • Впечатляющий ресурс.
  • Минимальную инерционность.
  • Возможность точно дозировать импульс.
  • Отсутствие импульса последействия.
  • Зависимость тяги от потребляемой мощности.

Импульсные плазменные двигатели данного типа изучены в деталях. Исследователи, конечно, сталкивались и с проблемами. В частности – с поддержанием длительной работы агрегата, препятствием для которого является науглероживание поверхности.

Ещё в рамках одного из исследований, посвящённого изучению АИПД-ИТ, было выяснено, что у этого агрегата основной разряд горит на выходе из канала. А это характерная черта для двигателей намного более внушительной энергии.

Пример установки АИПД — спутник Earth Observer 1. Но претендовать на двигатель коррекции МКА он не может, поскольку потребляет слишком много энергии (60 Вт). К тому же у него низкий суммарный импульс.

Стационарный двигатель

Об этом изобретении тоже стоит сказать пару слов. Стационарный плазменный двигатель имеет особенность в виде малой вырабатываемой мощности и компактности.

Он может использоваться в космической технике как исполнительный орган электрореактивной установки. Или же в рамках научных исследований. С помощью данного изобретения вполне реально моделировать направленные плазменные потоки.

По сути, такой плазменный двигатель – это магнетрон, широко применяемый в промышленности. Он, в свою очередь, представляет собой технологическое устройство, с помощью которого тонкие плёнки материала наносятся на подложку катодным распылением мишени в плазме. Но не нужно путать данное устройство с вакуумными магнетронами. Они выполняют совершенно другую функцию – генерацию СВЧ-колебаний.

С 1995 года стационарные плазменные двигатели задействованы в системах коррекции серии связных геостационарных KA. Потом, начиная с 2003 г., данные устройства стали применять в зарубежных геостационарных спутниках. К началу 2012 года уже 352 двигателя было установлено на аппаратах, которые вышли в открытый космос.

MPD-Thruster

Это ещё один концепт плазменного агрегата. С ним связано немало надежд на космические технологии.

В чём идея? Создаётся заряд плазмы между катодом и анодом, который способствует индуцированию кольцевого магнитного поля.

В действие вступает сила Лоренца, при помощи которой поле воздействует на движущиеся заряды тока, вследствие чего определённая их часть отклоняется в продольном направлении.

В результате возникает плазменный сгусток, истекающий «вправо». Именно он формирует тяговый толчок.

Данный двигатель осуществляет работу в импульсном режиме, поскольку кратковременные паузы между разрядами необходимы – так копится заряд на электродах.

Чем перспективен MPD-Thruster? Он работает без разделения разноименных зарядов. Так как они в зарядном токе двигаются встречно. Это значит, что и силы Лоренца имеют идентичное направление.

В теории у данного концепта очень выдающиеся показатели. Он может развивать впечатляющую тягу. Но и нюансы тоже есть. Магнитному полю не подвластен «разгон» электрических зарядов.

Всё из-за того, что сила Лоренца оказывает воздействие, перпендикулярное их скорости. То есть не изменяет кинетические показатели.

MPD-Thruster только немного изменяет направления, по которым следуют заряды – для того чтобы плазма вылетала наружу продольно.

Читайте также:  Первый советский броневик среднего класса ба-и

В идеале ток между катодом и анодом должен быть в разы плотнее. Это обязательно для создания тяги. И требует больших затрат электрической энергии. Которая, впрочем, не уступает мощности плазменной струи.

Если удельный импульс составит 1000 километров в секунду, а тяга – 100 кг, то на потребление будут уходить сотни мегаватт. Которые генерировать в космосе практически невозможно.

Даже если допустить такую вероятность, корабль с MPD-Thruster, имеющий нетто-массу в 100 тонн, разгонится до отметки в 10 000 км/сек.

лишь за 317 лет! И это при запредельно астрономическом стартовом весе, составляющем 2,2 миллиона тонн.

При таких показателях даже невозможно представить расход газа в агрегате, пропускающем электронные заряды. И никаких подсчётов не нужно делать, дабы понять – никакие электроды не способны выдержать столь весомых химических и тепловых нагрузок.

Квантовый аппарат EmDrive

Это изобретение Роджера Шоера из Британии, над которым чуть ли не в открытую смеялось всё международное научное сообщество. Почему? Потому что его квантовый вакуумный плазменный двигатель считался невозможным. Ибо его принцип противоречит законам, которые являются фундаментом физики!

Но, как оказалось, этот плазменный космический двигатель работает, причём весьма успешно! Выяснить данный факт удалось в ходе испытаний NASA.

Агрегат прост по своей конструкции. Тяга создаётся посредством микроволновых колебаний вокруг вакуумного контейнера. А электроэнергия, необходимая для их выработки, добывается из солнечного света. Говоря простым языком – мотор не требует использования топлива и способен работать если не вечно, то как минимум до момента поломки.

Испытатели были в шоке. Двигатель тестировался учёным Гвидо Фетта и командой из NASA Eagleworks, которой руководил Гарольд Уайт – специалисты из космического центра им. Линдона Джонсона.

После детального изучения изобретения была опубликована статья, в которой испытатели заверили читателей – аппарат работает и успешно создаёт тягу, пусть это и является необъяснимым противоречием закону о сохранении импульса.

И всё же учёные заявили, что данный агрегат предполагает взаимодействие с так называемым квантовым вакуумом виртуальной плазмы.

Проблема эффективного разделения зарядов

Многие физики пессимистично уверяют – она нерешаема. Есть передовые проекты, в рамках которых разрабатываются инновационные плазменные агрегаты с мощностью в 5 МВт и импульсом в 1000 км/сек., однако их тяга всё равно остаётся слишком маленькой для преодоления больших расстояний.

Разработчики понимают эту проблему и ищут другие подходы. Один из самых перспективных проектов в наше время – это VASIMR. Его удельный импульс равен 50 км/сек., а тяга составляет 6 ньютонов. Вот только VASIMR на самом деле плазменным агрегатом не является.

Потому что он вырабатывает высокотемпературную плазму. Она берёт разгон в сопле Лаваля – без использования электроэнергии, только благодаря газодинамическим эффектам.

А ускоряется плазма так же, как и газовая струя набирает скорость на выходе из привычного ракетного агрегата.

Заключение

В завершение хотелось бы сказать, что ни один плазменный двигатель для космических кораблей из существующих в наше время не способен доставить ракету даже к ближайшим звёздам. Это касается как экспериментально проверенных аппаратов, так и теоретически просчитанных.

Многие учёные приходят к пессимистичному заключению – разрыв между нашей планетой и звёздами фатально непреодолим.

Даже до системы Альфа Центавра, некоторые компоненты которой видны невооружённым глазом с Земли, а ведь расстояние составляет 39,9 триллиона километров.

Даже на космическом аппарате, способном передвигаться со скоростью света, преодоление данного расстояния составило бы около 4,2-4,3 лет.

Так что плазменные агрегаты звездолётов – это, скорей, из сферы научной фантастики. Но это ничуть не преуменьшает их значимость! Их используют в качестве маневровых, вспомогательных и корректирующих орбиты двигателей. Поэтому изобретение вполне оправдано.

А вот ядерный импульсный агрегат, который утилизирует энергию взрывов, имеет вероятный потенциал развития. Во всяком случае, как минимум в теории отправка автоматического зонда в ближайшую звёздную систему является возможной.

Источник: https://www.syl.ru/article/357516/plazmennyie-dvigateli-mifyi-i-realnost

В россии испытали новые плазменные двигатели для спутников

В России успешно проведены испытания новых плазменных двигателей СПД-140 для спутников. Создатели двигателей подчёркивают, что двигатели получили не только наземную, но и лётную квалификацию.

Источник фото: hi-news.ru

Испытания прошли чуть больше месяца назад, заявил на «Singapore Airshow 2018» глава «Информационных спутниковых систем» имени академика М.Ф. Решетнёва» Николай Тестоедов.

Он также добавил, что в последующих проектах, где требуется довыведение больших масс, чем может нести ракета, «ИСС имени Решетнева» будет устанавливать на спутники дополнительные специальные двигатели большей тяги для того, чтобы быстрее выводить спутник в нужную точку.

Ранее в Министерстве обороны России заявили, что намерены в 2020-2022 годах получить ряд серийных изделий и авиационных средств поражения, которые будут работать на гиперзвуковых скоростях — в шесть раз быстрее звука как минимум. Эти разработки ведутся также в интересах Военно-морского флота и ракетных войск.

В российском оборонном ведомстве считают, что в гиперзвуковых разработках Россия не отстает от других ведущих (высокотехнологических) стран мира. В Институте теоретической и прикладной механики имени С.

А. Христиановича Сибирского отделения Российской Академии Наук заявляют о российском лидерстве. Как бы то ни было, критерием истины станет практика боевого применения. Возможно, ждать осталось недолго.

Источник фото: mir24.tv

Отметим, что гиперзвуковой аппарат невозможно разогнать обычным реактивным двигателем, для этой цели нужно использовать прямоточный — со сверхзвуковым горением топлива. Ракету с прямоточным воздушно-реактивным двигателем (ПВРД) на оружейных выставках можно узнать по головной части с воздухозаборником, однако не все знают, что у нее внутри и как это работает.

Ракетно-прямоточный двигатель — штука интересная и сложная. Это комбинированная система, сочетающая принципы работы жидкостного ракетного двигателя и прямоточного воздушно-реактивного двигателя.

Принципиальная разница в том, что ракетный двигатель работает на окислителе, который несет с собой, а прямоточный — на атмосферном кислороде, и это позволяет уменьшить общий вес ракеты или увеличить вес боевой части.

Добавим, что гиперзвуковые двигатели и аппараты действуют в высокотемпературном облаке плазмы (до 1500 градусов), когда плавятся алюминий и магний, теряет свойства жаропрочная сталь. В силу этого специалистам приходится решать множество сложнейших научно-прикладных задач.

Для управляемости на сложной траектории и сохранения всего спектра функций, скажем, крылатой ракеты применяются бериллиевые сплавы, новые абляционные материалы, композиты на основе волокон бора и углерода, плазменное напыление тугоплавких покрытий — космические технологии.

Примечательно, что прямоточные двигатели просто не способны работать на малых скоростях и применяются в основном на крылатых ракетах со сбрасываемым разгонным блоком-бустером.

Давление в камере сгорания прямоточного двигателя создается встречным потоком воздуха, для этого ракету разгоняют до соответствующей скорости (подобие форсажа). «Мах подхвата» равен примерно 1,5.

Однако скорость — это еще не всё.

При этом, основные тактико-технические характеристики образцов гиперзвукового оружия доступны лишь узкому кругу специалистов, но известно, что на скорости в 5-6 Махов ракета становится почти неуязвимой для существующих средств противовоздушной обороны. Так, даже в случае возможного обнаружения и разрушения оружия средствами ближней ПВО противника кинетической энергии обломков всё же хватит для вывода из строя корабля или наземной цели.

К примеру, гиперзвуковая ракета Ю-71 («Изделие 4202») осенью 2016 года преодолела расстояние в 6000 километров за 20 минут и точно поразила цель на Камчатском полигоне Кура.

Перед входом в плотные слои атмосферы аппарат активно маневрировал по высоте и курсу на скорости до 15 Махов.

Предположительно, это испытание прототипа боевого блока новой сверхтяжёлой межконтинентальной баллистической ракеты «Сармат», которая должна в будущем стать заменой в Ракетных войсках стратегического назначения МБР «Воевода».

Источник фото: imperiya.by

Развёртывание комплекса начнется в 2018 году. Неуловимый системами «Сармат» способен нести до 16 ядерных блоков на расстояние 16 тысяч километров. Концепция комплекса учитывает и максимальный вес забрасываемых боеголовок (до 10 тонн), и доставку меньшего числа боеголовок по непредсказуемым траекториям (с учетом возможностей перспективных систем ПРО).

Запуск межконтинентальной баллистической ракеты. Источник фото: svpressa.ru

Добавим, что высокоточные гиперзвуковые изделия (каким именем их ни назови) не являются инструментами исключительно Третьей мировой войны.

В локальных конфликтах они способны поражать стратегические объекты противника кинетической энергией боеголовки, без необходимости использования ядерного заряда.

Таким образом, гиперзвук отдаляет Апокалипсис, но США почему-то всё же беспокоятся.

Напомним, ранее стало известно об успешном завершении испытаний детонационных ракетных двигателей, что приблизило Россию к запуску гиперзвуковых ракет.

https://zen.yandex.ru/media/rusmir/v-rossii-ispytali-novye-plazmennye-dvigateli-dlia-sputnikov-5a7eb891a815f11941fd53fe

Источник: https://nandzed.livejournal.com/6858827.html

Физики испытали плазменный двигатель для самолетов

Плазменный двигатель — разновидность электрического ракетного двигателя, расходуемое вещество которого получает ускорение в состоянии плазмы (ионизированного газа).

В отличие от жидкостных двигателей, такие системы не предназначены для вывода грузов на орбиту, поскольку могут работать только в вакууме, и сейчас используются, например, для удержания спутников на точке стояния.

Кроме того, за счет уменьшения запасов рабочего тела при сравнительно высокой скорости его истечения, они рассматриваются как возможный способ совершения быстрых космических перелетов. Разработка плазменных установок ведется с середины XX века, а первый прототип был испытан NASA в 1961 году.

Принцип работы плазменного двигателя заключается в следующем. Газ, например ксенон, подается в рабочую камеру, внутренняя часть которой играет роль катода, а внешняя — анода.

При подаче постоянного напряжения в сотни вольт за счет магнитного поля в рабочей камере возникает газовый разряд, и газ ионизируется (его атомы теряют электроны), превращаясь в плазму. Затем под действием силы Лоренца плазма вылетает из газоразрядной камеры, чем создает реактивную тягу.

Тяговый импульс подобного двигателя полностью зависит от мощности магнитного поля и габаритов. При этом в вакууме генерация плазмы требует значительно меньше энергии для разделения ионов и электронов, чем при нормальном давлении.

Схема установки / ©B. Göksel et al., The Journal of Physics: Conference Series, 2017

В существующих плазменных двигателях индукция магнитного поля составляет сотые доли тесла.

Чтобы ускорить космический аппарат массой 100 тонн в вакууме по меньшей мере на 100 километров в час показатель должен достигать примерно 10 тысяч тесла (в объеме всего нескольких кубометров) при суммарном импульсе около 10 миллионов килоньютонов. По словам авторов, их прототип существенно превосходит аналоги по показателю тяги.

Согласно расчетам, при масштабировании до размеров стандартного авиационного двигателя установка, в зависимости от напряжения, сможет обеспечить импульс в 50–150 килоньютонов. Пока испытания проводились на прототипе диаметром 14 миллиметров и длиной 80 миллиметров.

Устройство состоит из шести анодов, размещенных вокруг катода. При подаче напряжения наносекундными импульсами (это позволило работать при давлении 0,1–1 бар) до 16 киловольт между катодом и анодом возникали газовые разряды, которые приводили к ионизации. Оценка тяги проводилась с помощью 15-граммового маятника.

Исходя из напряжения, подаваемого на катод и анод, его отклонение варьировалось от 5 до 25 градусов. Ученые отмечают, что потенциально такие установки можно использовать в различных аппаратах, в том числе самолетах.

Внедрение технологии, однако, станет актуальным только после создания компактных и мощных источников энергии, например портативных термоядерных реакторов.

Источник: https://naked-science.ru/article/sci/fiziki-ispytali-plazmennyy-dvigatel

Ссылка на основную публикацию