Как работает плазменный ракетный двигатель и какое у него будущее?
Это уникальное явление представляет из себя один из типов электрического ракетного двигателя, расходуемое вещество которого получает ускорение в состоянии плазмы. В сравнении с жидкостными агрегатами, эти устройства нельзя использовать для того, чтобы выводить грузы на орбиту. Это обусловлено тем, что аппараты работают исключительно в вакууме. Также учитывая уменьшение запасов рабочего тела в призме относительно высокой скорости его истечения, их следует рассматривать как один из способов совершения быстрых космических перелетов. Более подробно о том, что же все-таки такое плазменный двигатель для космических кораблей, как работает устройство и есть ли у него будущее, читай прямо сейчас.
Работают над этими инновационными аппаратами с середины XX в. Испытания первого прототипа провели NASA в 60-х годах. Возможная область применения двигателей достаточно широкая: от ориентации космических аппаратов в пространстве до полетов к другим телам Солнечной системы и совершение небольших орбитальных маневров.
Принцип работы
На удивление экспериментальная установка устроена очень просто. При помощи компрессора воздух под давлением идет в кварцевую трубку. К ней присоединен волновод, у которого на одном конце установлен магнетрон мощностью в 1 кВт. Именно это то устройство, которое отвечает за разогрев еды в микроволновке. Оно генерирует излучение в 2,45 ГГц, благодаря которому происходит ионизация и нагрев подаваемого воздуха. В итоге мы получаем плазму, в будущем отводящуюся в «реактивное сопло». Данный аппарат выглядит как кварцевая трубка в диаметре 24 см.
Таким образом, один конец у нас с, так называемой, микроволновкой. Отметим, что аппарат охлаждается простой водой. Если этого не делать, то есть риск возникновения выскоплазменного электромангала.
В результате эксперимента тяга, которую создали китайские ученые, заставляет подпрыгивать стальной шар, который весит 1 кг. Его крепят на конце импровизированного сопла. Проанализировав полученные данные, можно сказать, что подъемная сила в 28 Н/кВт, а также давление в 24 кН/кв.м. дает вполне реальную жизнь идее, когда воздушно плазменный реактивный двигатель становится интересным аналогом обычного реактивного двигателя, который работает на ископаемом топливе.
Ошеломляющий результат разработки – сразу три весомых для планеты пункта:
- Больше не надо жечь нефтепродукты.
- Заметно сократиться загрязнение атмосферы углеродом.
- Замедлится процесс глобального потепления.
Ученые предполагают, что в будущем такими двигателями можно оснастить самые разные устройства, в том числе и самолеты. Но внедрить изобретение можно только тогда, когда будут разработаны компактные и мощные источники энергии. Ими вполне могут стать портативные термоядерные реакторы.
Виды
Для всех плазменных ракет свойственно работать по одному принципу. Речь идет о ситуации, когда предельно близко работают электрические и магнитные поля. На первом этапе происходит преобразование газа, как правило, ксенона или криптона, в плазму. Дальше происходит ускорение ионов в плазме из двигателя при скорости больше 72 тыс. км/ч. При этом создается тяга в необходимом направлении. На данный момент есть ни один способ, который дает возможность применить данную формулу для формирования рабочей плазменной ракеты. Три из них считаются максимально удачными и перспективными.
Двигатель Холла
Отличается этот вариант тем, что здесь нет ограничений, которые налагаются объемным зарядом. Благодаря этому обеспечивается большая плотность тяги. Как результат, этот тип двигателя способствует увеличению скорости ракет в несколько раз в сравнении, к примеру, с ионными агрегатами в том же размере.
Идея принадлежит американскому физику, Эдвину Холлу. Ученый показал миру, как в проводнике с взаимно перпендикулярным электрическим и магнитным полем образуется электроток. Основная фишка в направлении – оно для обоих перпендикулярно. Иными словами, в данном устройстве образование плазмы происходит при помощи заряда между анодом и катодом. Это совершенно простое действие отделяет электроны от нейтральных атомов.
В наше время в пределах околоземных орбит находится около 200 спутников, работающих на данном устройстве.
АИПД
Эта грозная аббревиатура расшифровывается как абляционный импульсный плазменный двигатель. Основная зона его предназначения – малые космические аппараты, оснащенные неплохим спектром функциональных возможностей. Расширение устройства обеспечивает высокоэффективный малогабаритный агрегат, который сможет корректировать и поддерживать орбиту.
Стоит отметить, что данное устройство весьма перспективно и имеет весомые плюсы:
- всегда готов к работе;
- большой ресурс;
- низкая инерционность;
- может точно дозировать импульс;
- тяга обуславливается потребляемой мощностью.
Стационарные двигатели
В первую очередь, при рассмотрении этого устройства, важно отметить малую врабатываемость мощности и компактность. Область применения его в космической технике – исполнительный орган электрореактивной установки.
Также он является незаменимым помощников во время научных исследований. Стационарный двигатель дает возможность моделировать с высокой точностью направленные плазменные потоки. Иначе говоря, его можно назвать магнетроном, который часто используют в промышленном направлении.
Преимущества перед другими видами
Помимо явной заботы об окружающей среде плазменные двигатели имеют еще один большой плюс. Речь идет об удельном импульсе, иными словами, скорости, с которой аппарат выбрасывает реактивную струю. Рекордные показатели реактивных двигателей для рассматриваемого устройства – посредственный результат. Если верхняя планка первых максимально достигает 4 км/с, то в случае реактивного агрегата среднее значение закрепилось на 10 км/с. Стоит отметить, что предела нет.
Рекомендуем ознакомится: Какую максимальную скорость может развить корабль в космосе.
Если у ракет на обычных двигателях с этим есть явные проблемы, то агрегаты на плазме работают на высоте. Так, толчки от деятельности АИПД смогли раскрыть солнечную батарею, которая заела.
Также нельзя не отметить предельную простоту и низкую стоимость конструкции. Все это граничит с высокой надежностью и возможностью работать на самых разнообразных телах. Кроме этого, агрегаты имеют небольшой вес и выглядят компактно. В них нет сжатых газов, химически активных, токсичных веществ. Это говорит о том, что они абсолютно безопасны в нерабочем режиме.
Будущее инновационного изобретения
Размышляя о будущем этих устройств, вырисовывается два разных направления:
- Их будут использовать как двигатели для наноспутников.
- Они найдут свое применение в области высокомощных двигателей для больших орбитальных маневров и полетов к иным телам Солнечной вселенной.
Сегодня есть множество крошечных спутников, которые выполняют достаточно серьезные задачи. Например, устройства CubeSat дистанционно зондируют Землю. Размер спутников ограничивает доступную электрическую мощность. Поэтому на данный момент для решения этой проблемы стал серьезно рассматриваться вопрос использования АИПД.
Также еще одна область фантазий – это строительство обитаемой станции или базы на Лунной орбите. В этом вопросе оснащении их двигателями такого устройства просто необходимо.
Отмечается, что плазменный двигатель для космических кораблей набирает скорость медленнее обычных. Но здесь кроется парадоксальная ситуация: наряду с низкой скорость на начальном этапе в последующем на далеких дистанциях движение происходит гораздо быстрее.
