Россия была и сейчас остается лидером в области ядерной космической энергетики. Опыт проектирования, строительства, запуска и эксплуатации космических аппаратов, оснащенных ядерным источником электроэнергии, имеют такие организации, как РКК «Энергия» и «Роскосмос». Ядерный двигатель позволяет эксплуатировать летательные аппараты многие годы, многократно повышая их практическую пригодность.
Историческая летопись
Использование ядерной энергетики в космосе перестало быть фантастикой еще в 70-х годах прошедшего столетия. Первые ядерные двигатели в 1970-1988 запускались в космос и успешно эксплуатировались на космических аппаратах (КА) наблюдения «УС-А». В них применялась система с термоэлектрической ядерно-энергетической установкой (ЯЭУ) «Бук» электрической мощностью 3 кВт.
В 1987-1988 два аппарата «Плазма-А» с термоэмиссионной ЯЭУ «Топаз» мощностью 5 кВт прошли летно-космические испытания, во время которых впервые было осуществлено питание электроракетных двигателей (ЭРД) от ядерного источника энергии.
Выполнен комплекс наземных ядерно-энергетических испытаний термоэмиссионной ядерной установкой «Енисей» мощностью 5 кВт. На основе этих технологий разработаны проекты термоэмиссионных ЯЭУ мощностью 25-100 кВт.
МБ «Геркулес»
РКК «Энергия» в 70-х приступила к научно-практическим изысканиям, целью которых было создать мощный ядерный космический двигатель для межорбитального буксира (МБ) «Геркулес». Работы позволили сделать задел на многие годы в части ядерной электроракетной двигательной установки (ЯЭРДУ) с термоэмиссионной ЯЭУ мощностью несколько – сотен киловатт и электроракетных двигателей единичной мощностью десятки и сотни киловатт.
Проектные параметры МБ «Геркулес»:
полезная электрическая мощность ЯЭУ – 550 кВт;
удельный импульс ЭРДУ – 30 км/с; тяга ЭРДУ – 26 Н;
ресурс ЯЭУ и ЭРДУ – 16 000 ч;
рабочее тело ЭРДУ – ксенон; масса (сухая) буксира – 14,5-15,7 т, в том числе ЯЭУ – 6,9 т.
Новейшее время
В XXI веке настало время создать новый ядерный двигатель для космоса. В октябре 2009 года на заседании Комиссии при президенте РФ по модернизации и технологическому развитию экономики России был официально утвержден новый российский проект «Создание транспортно-энергетического модуля с использованием ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса». Головными разработчиками являются:
Реакторной установки – ОАО «НИКИЭТ».
Ядерно-энергетической установки с газотурбинной схемой преобразования энергии, ЭРДУ на основе ионных электроракетных двигателей и ЯЭРДУ в целом – ГНЦ «Исследовательский центр им. М. В. Келдыша», который является также ответственной организацией по программе разработки транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) в целом.
РКК «Энергия» в качестве генерального конструктора ТЭМ должна разработать автоматический аппарат с этим модулем.
Характеристики новой установки
Новый ядерный двигатель для космоса Россия планирует запустить в коммерческую эксплуатацию в ближайшие годы. Предполагаемые характеристики газотурбинной ЯЭРДУ следующие. В качестве реактора используется газоохлаждаемый реактор на быстрых нейтронах, температура рабочего тела (смесь He/Xe) перед турбиной — 1500 К, КПД преобразования тепловой в электрическую энергию — 35%, тип холодильника-излучателя – капельный. Масса энергоблока (реактор, радиационная защита и система преобразования, но без холодильника-излучателя) – 6 800 кг.
Космические ядерные двигатели (ЯЭУ, ЯЭУ совместно с ЭРДУ) планируется использовать:
В составе будущих космических транспортных средств.
Как источников электроэнергии для энергоемких комплексов и космических аппаратов. Для решения первых двух задач в транспортно-энергетическом модуле по обеспечению электроракетной доставки тяжелых космических кораблей и аппаратов на рабочие орбиты и дальнейшее длительное энергоснабжение их аппаратуры.
Принцип работы ядерного двигателя
Основывается либо на синтезе ядер, либо на использовании энергии деления ядерного топлива для формирования реактивной тяги. Различают установки импульсно-взрывного и жидкостного типов. Взрывная установка выбрасывает в космос миниатюрные атомные бомбы, которые детонируя на расстоянии нескольких метров, взрывной волной толкают корабль вперед. На практике такие устройства пока не используются.
Жидкостные ядерные двигатели, напротив, давно разработаны и испытаны. Еще в 60-х годах советские специалисты сконструировали работоспособную модель РД-0410. Подобные системы разрабатывались и в США. Их принцип основан на нагревании жидкости ядерным мини-реактором, она превращается в пар и формирует реактивную струю, которая и толкает космический аппарат. Хотя устройство называют жидкостным, в качестве рабочего тела, как правило, используют водород. Еще одно назначение ядерных космических установок – питание электрической бортовой сети (приборов) кораблей и спутников.
Тяжелые телекоммуникационные аппараты глобальной космической связи На данный момент ведутся работы по ядерному двигателю для космоса, который планируется использовать в тяжелых аппаратах космической связи. РКК «Энергия» были выполнены исследования и проектные разработки системы глобальной космической связи экономически конкурентоспособной с дешевой сотовой связью, что предполагалось достичь переносом «телефонной станции» с Земли в космос.
Предпосылками к их созданию являются:
практически полное заполнение геостационарной орбиты (ГСО) работающими и пассивными спутниками;
исчерпание частотного ресурса;
положительный опыт создания и коммерческого использования информационных геостационарных спутников серии «Ямал».
При создании платформы «Ямал» новые технические решения составили 95%, что и позволило таким аппаратам стать конкурентоспособными на мировом рынке космических услуг.
Предполагается замена модулей с технологическим связным оборудованием примерно каждые семь лет. Это позволило бы создавать системы из 3-4 тяжелых многофункциональных спутников на ГСО с увеличением потребляемой ими электрической мощности. Первоначально были спроектированы КА на основе солнечных батарей мощностью 30-80 кВт. На следующем этапе в качестве источника электроэнергии планируется использовать ядерные двигатели на 400 кВт с ресурсом до одного года в транспортном режиме (для доставки базового модуля на ГСО) и 150-180 кВт в режиме длительного функционирования (не менее 10-15 лет).
Ядерные двигатели в системе антиметеоритной защиты Земли
Выполненные РКК «Энергия» в конце 90-х проектные исследования показали, что в создании антиметеоритной системы защиты Земли от ядер комет и астероидов ядерно-электрические установки и ЯЭРДУ могут быть использованы для:
Создания системы мониторинга траекторий астероидов и комет, пересекающих орбиту Земли. Для этого предлагается расставить специальные космические аппараты, оснащенные оптической и радиолокационной аппаратурой для обнаружения опасных объектов, вычисления параметров их траекторий и первичного исследования их характеристик. В системе может быть задействован ядерный космический двигатель с двухрежимной термоэмиссионной ЯЭУ мощностями от 150 кВт. Ее ресурс должен быть не менее 10 лет.
Испытания средств воздействия (взрыв термоядерного устройства) на полигонном безопасном астероиде. Мощность ЯЭРДУ для доставки испытательного устройства к астероиду-полигону зависит от массы доставляемого полезного груза (150-500 кВт).
Доставки штатных средств воздействия (перехватчика суммарной массой 15-50 т) к приближающемуся к Земле опасному объекту. Потребуется ядерный реактивный двигатель мощностью 1-10 МВт для доставки к опасному астероиду термоядерного заряда, поверхностный взрыв которого за счет реактивной струи материала астероида сможет отклонить его от опасной траектории.
Доставка исследовательского оборудования в дальний космос
Доставка научного оборудования к космическим объектам (дальним планетам, периодическим кометам, астероидам) может осуществляться с использованием космических ступеней на основе ЖРД. Применять ядерные двигатели для космических аппаратов целесообразно, когда ставится задача выхода на орбиту спутника небесного тела, прямого контакта с небесным телом, отбора проб веществ и прочих исследований, требующих увеличения массы исследовательского комплекса, включения в него посадочной и взлетной ступеней.
Параметры двигателей
Ядерный двигатель для космических кораблей исследовательского комплекса позволит расширить «окно старта» (вследствие управляемой скорости истечения рабочего тела), что упрощает планирование и снижает цену проекта. Исследования, выполненные РКК «Энергия», показали, что ЯЭРДУ 150 кВт с ресурсом до трех лет является перспективным средством доставки космических модулей в пояс астероидов.
В то же время доставка исследовательского аппарата на орбиты дальних планет Солнечной системы требует увеличения ресурса такой ядерной установки до 5-7 лет. Доказано, что комплекс с ЯЭРДУ мощностью порядка 1 МВт в составе исследовательского КА позволит обеспечить ускоренную доставку за 5-7 лет на орбиты искусственных спутников наиболее удаленных планет, планетоходов на поверхность естественных спутников этих планет и доставку на Землю грунта с комет, астероидов, Меркурия и спутников Юпитера и Сатурна.
Многоразовый буксир (МБ)
Одним из важнейших способов повышения эффективности транспортных операций в космосе является многоразовое использование элементов транспортной системы. Ядерный двигатель для космических кораблей мощностью не менее 500 кВт позволяет создать многоразовый буксир и тем самым значительно повысить эффективность многозвенной космической транспортной системы. Особенно полезна такая система в программе обеспечения больших годовых грузопотоков. Примером может стать программа освоения Луны с созданием и обслуживанием постоянно наращиваемой обитаемой базы и экспериментальных технологических и производственных комплексов.
Расчет грузооборота
Согласно проектным проработкам РКК «Энергия», при строительстве базы на поверхность Луны должны доставляться модули массой порядка 10 т, на орбиту Луны – до 30 т. Суммарный грузопоток с Земли при строительстве обитаемой лунной базы и посещаемой лунной орбитальной станции оценивается в 700-800 т, а годовой грузопоток для обеспечения функционирования и развития базы – 400-500 т.
Однако принцип работы ядерного двигателя не позволяет разогнать транспортник достаточно быстро. Из-за длительного времени транспортировки и, соответственно, значительного времени нахождения полезного груза в радиационных поясах Земли не все грузы могут быть доставлены с использованием буксиров с ядерным двигателем. Поэтому грузопоток, который может быть обеспечен на основе ЯЭРДУ, оценивается лишь в 100-300 т/год.
Экономическая эффективность
В качестве критерия экономической эффективности межорбитальной транспортной системы целесообразно использовать значение удельной стоимости транспортировки единицы массы полезного груза (ПГ) с поверхности Земли на целевую орбиту. РКК «Энергия» была разработана экономико-математическая модель, учитывающая основные составляющие затрат в транспортной системе:
на создание и выведение на орбиту модулей буксира;
на закупку рабочей ядерной установки;
эксплуатационные затраты, а также расходы на проведение НИОКР и возможные капитальные затраты.
Стоимостные показатели зависят от оптимальных параметров МБ. С использованием этой модели была исследована сравнительная экономическая эффективность применения многоразового буксира на основе ЯЭРДУ мощностью порядка 1 МВт и одноразового буксира на основе перспективных жидкостных ракетных двигателей в программе обеспечения доставки с Земли на орбиту Луны высотой 100 км полезного груза суммарной массой 100 т/год. При использовании одной и той же ракеты-носителя грузоподъемностью, равной грузоподъемности РН «Протон-М», и двухпусковой схемы построения транспортной системы удельная стоимость доставки единицы массы полезного груза с помощью буксира на основе ядерного двигателя будет в три раза ниже, чем при использовании одноразовых буксиров на основе ракет с жидкостными двигателями типа ДМ-3.
Вывод
Эффективный ядерный двигатель для космоса способствует решению экологических проблем Земли, полету человека к Марсу, созданию системы беспроводной передачи энергии в космосе, реализации с повышенной безопасностью захоронения в космосе особо опасных радиоактивных отходов наземной атомной энергетики, созданию обитаемой лунной базы и началу промышленного освоения Луны, обеспечению защиты Земли от астероидно-кометной опасности.
Павел Лебедев
Ядерные двигатели для космических кораблей
Средняя оценка: 5. Голосов: 3Мнение автора может не совпадать с мнением редакции.
Подписывайтесь на нас в ЯндексДзен и Google+.Добавляйте в библиотеку в GooglePlay Прессе.
ya-russ.ru
РД-107/РД-108 в составе ракеты-носителя / Фото: Роскосмос
Ровно 57 лет назад успешным полетом Юрия Гагарина была открыта эра космонавтики. Нашими инженерами и конструкторами были разработаны аппараты, которые смогли вырваться за пределы Земли и поднять человека в космическое пространство.
Некоторые образцы, которые создавались еще в 1960-х годах, до сих пор в строю и продолжают составлять основу отечественной пилотируемой космонавтики. Так, с момента старта Гагарина и по сей день, все космонавты поднимаются с поверхности Земли двигателями РД-107/108. Серийное производство этих исключительно надежных двигателей продолжается на самарском предприятии «Кузнецов».
Начало космического пути
Впрочем, «космическое» путешествие двигателей РД-107/РД-108 началось даже раньше 12 апреля 1961 года.
В 1954 году Центральному конструкторскому бюро №1 под руководством Сергея Королева были поручены работы по созданию межконтинентальной баллистической ракеты. К началу 1957 года ракета, получившая обозначение Р-7, была готова. Специально для установки на ракету в течение 1954–1957 годов были разработаны и новые двигатели РД-107 и РД-108.
Р-7 была жидкостной двухступенчатой ракетой. Первая ступень представляла собой четыре конических боковых блока длиной 19 метров и наибольшим диаметром три метра. На каждом блоке первой ступени были установлены двигатели РД-107. Они располагались симметрично вокруг центрального блока, второй ступени. Каждый двигатель имел шесть камер сгорания, две из которых использовались как рулевые.
В качестве двигателя второй ступени использовался РД-108, конструктивно основанный на РД-107. РД-108 отличался большим количеством рулевых камер и был способен работать дольше силовых установок блоков первой ступени. Запуск двигателей первой и второй ступени производился одновременно во время старта на Земле при помощи пирозажигательных устройств в каждой из 32 камер сгорания.
Фото: rostec.ru
Конструкция Р-7 с двигателями РД-107/108 оказалась настолько удачной и надежной, что на ее основе было создано целое семейство ракет-носителей. Они подняли в космос первый искусственный спутник Земли, «Восток» Юрия Гагарина, отправили в полет межпланетные станции для изучения Луны и космического пространства. С помощью двигателей РД-107 и РД-108 и сегодня доставляют на орбиту российских космонавтов, американских астронавтов и космических туристов из разных стран.
Испытания на Земле
Серийное производство двигателей РД-107/108 было налажено ровно 60 лет назад в Самаре на заводе им. Фрунзе (ныне ПАО «Кузнецов»). Специалисты самарского ПАО «Кузнецов» сравнивают создание ракетного двигателя с рождением человека, ведь процесс его производства занимает практически девять месяцев.
После изготовления всех деталей и сборки, двигатель поступает на специальный стенд, где проходит испытания. Здесь он должен подтвердить свою уникальную статистическую надежность – 99,9%.
Двигатель крепят на специальном стенде и запускают. Силовая установка должна работать так, как будто уже выводит на орбиту транспортный корабль «Прогресс». За несколько минут она сжигает 12 тонн керосина и около 30 тонн жидкого кислорода. Во время огневых испытаний специалисты снимают главные параметры – расход топлива, тягу, параметры пульсации и вибрации. И только после этого он снова отправится в цех, где его опять разберут, детали промоют, консервируют и отправят для установки на ракету-носитель «Союз».
Испытания двигателей РД-107 и РД-108 происходят на самом отдаленном обособленном подразделении завода «Кузнецов» – в поселке Винтай в 70 км от города. Выглядит испытательный стенд не совсем высокотехнологично, но его уникальность в другом. По словам сотрудников ОДК, советские строители заложили такой запас прочности, что стенд уже работает более полувека и может прослужить на благо космоса еще лет 50.
Испытания двигателей РД-107 и РД-108 / Фото: Алексей Иванов, ТРК "Звезда"
Двигатель рекордсмен
С 1960 года РД-107/108 продолжает совершенствоваться, создаются новые модификации. К настоящему времени были проведены работы по модернизации базовых двигателей РД-107 для первой ступени (основные модернизации – двигатели 8Д74, 8Д728, 11Д511 и 14Д22) и двигателей РД-108 для второй ступени (основные модернизации – двигатели 8Д75, 8Д727, 11Д512 и 14Д21) – всего 18 модификаций для различных программ.
Двигатель РД-107/108 уже поставил свой космический рекорд по долголетию. Конечно, когда-нибудь и его время пройдет, но еще сегодня им нет альтернативы во всем мире. В наши дни все космонавты, не только российские, добираются до МКС благодаря этим двигателям. Когда в 2011 году эксплуатация американских шаттлов прекратилась, «Союзы» с двигателями РД-107/108 остались единственным средством доставки на МКС астронавтов NASA и Европейского космического агентства.
Последний пилотируемый пуск состоялся совсем недавно, 21 марта, когда двигатели РД-107А/РД-108А обеспечили успешный запуск корабля «Союз МС-08». И сейчас на МКС работает очередной экипаж длительной экспедиции – космонавт Роскосмоса Олег Артемьев, астронавты NASA Эндрю Фойстел и Ричард Арнольд.
Всего же в течение прошлого года ракетные двигатели РД-107/108 производства ПАО «Кузнецов» обеспечили 14 запусков ракет-носителей типа «Союз».
МОСКВА, Ростех21
Оригинал
www.arms-expo.ru
Человек вышел в космос благодаря ракетным двигателям на жидком и твердом топливе. Но они же и поставили под вопрос эффективность космических полетов. Для того чтобы сравнительно небольшой космический корабль хотя бы "зацепился" за орбиту Земли, его устанавливают на вершине ракеты-носителя внушительных размеров. А сама ракета, по сути, это летающая цистерна, львиная доля веса которой отведена под топливо. Когда все оно израсходуется до последней капли, на борту корабля остается мизерный запас.
Чтобы не упасть на Землю, Международная космическая станция периодически поднимает свою орбиту импульсами реактивных двигателей. Топливо для них - примерно 7,5 тонны - несколько раз в году доставляют автоматические корабли. Но на пути к Марсу такой дозаправки не предвидится. Не пора ли распрощаться с устаревшими схемами и обратить внимание на более совершенный ионный двигатель?
Для того чтобы он заработал, безумных количеств топлива не потребуется. Только газ и электричество. Электроэнергия в космосе добывается улавливанием светового излучения Солнца панелями солнечных батарей. Чем дальше от светила, тем меньше их мощность, поэтому придется воспользоваться еще и ядерными реакторами. Газ поступает в первичную камеру сгорания, где он бомбардируется электронами и ионизируется. Получившуюся холодную плазму отправляют на разгорев, а потом - в магнитное сопло, на разгон. Ионный двигатель выбрасывает из себя раскаленную плазму со скоростями, недоступными обычным ракетным двигателям. И космический аппарат получает необходимое ускорение.
Принцип работы настолько прост, что можно собрать демонстрационный ионный двигатель своими руками. Если электрод в форме вертушки предварительно сбалансировав, установить на острие иглы и подать высокое напряжение, на острых концах электрода появится синее свечение, создаваемое срывающимися с них электронами. Их истечение создаст слабую реактивную силу, электрод начнет вращаться.
Увы, ионные двигатели обладают настолько мизерной тягой, что не могут оторвать космический аппарат от поверхности Луны, не говоря уже о наземном старте. Наиболее наглядно это можно увидеть, если сравнить два корабля, отправляющихся к Марсу. Корабль с жидкостными двигателями начнет перелет после нескольких минут интенсивного разгона и потратит чуть меньше времени на торможение у Красной планеты. Корабль с ионными двигателями будет разгоняться два месяца по медленно раскручивающейся спирали, причем такая же операция ждет его в окрестностях Марса...
И все же ионный двигатель уже нашел свое применение: им оснащен ряд беспилотных космических аппаратов, отправленных в многолетние разведывательные миссии к ближним и дальним планетам Солнечной системы, в пояс астероидов.
Ионный двигатель - та самая черепаха, которая обгоняет быстроногого Ахилла. Израсходовав все топливо в считанные минуты, жидкостный двигатель умолкает навсегда и становится бесполезным куском железа. А плазменные способны работать годами. Не исключено, что ими будет оснащен первый космический аппарат, который на досветовой скорости отправится к Альфа Центавре - ближайшей к Земле звезде. Предполагается, что перелет займет всего лишь 15-20 лет.
fb.ru
Уже в конце нынешнего десятилетия в России может быть создан космический корабль для межпланетных путешествий на ядерной тяге. И это резко изменит ситуацию и в околоземном пространстве, и на самой Земле.
Ядерная энергодвигательная установка (ЯЭДУ) будет готова к полету уже в 2018 году. Об этом сообщил директор Центра имени Келдыша, академик Анатолий Коротеев. «Мы должны подготовить первый образец (ядерной энергетической установки мегаваттного класса. – Прим. «Эксперта Online») к летно-конструкторским испытаниям в 2018 году. Полетит она или нет, это другое дело, там может быть очередь, но она должна быть готова к полету», – передало его слова РИА «Новости». Сказанное означает, что один из самых амбициозных советско-российских проектов в области освоения космоса вступает в фазу непосредственной практической реализации.
Суть этого проекта, корни которого уходят еще в середину прошлого века, вот в чем. Сейчас полеты в околоземное пространство осуществляются на ракетах, которые движутся за счет сгорания в их двигателях жидкого или твердого топлива. По сути, этот тот же двигатель, что и в автомобиле. Только в автомобиле бензин, сгорая, толкает поршни в цилиндрах, передавая через них свою энергию колесам. А в ракетном двигателе сгорающие керосин или гептил непосредственно толкают ракету вперед.
За прошедшие полвека эта ракетная технология была отработана во всем мире до мелочей. Но и сами ракетостроители признают, что дальше развивать ее проблематично. Совершенствовать – да, нужно. Пытаться увеличить грузоподъемность ракет с нынешних 23 тонн до 100 и даже 150 тонн на основе «усовершенствованных» двигателей сгорания – да, нужно пытаться. Но это тупиковый путь с точки зрения эволюции. «Сколько бы специалисты всего мира по ракетным двигателям ни трудились, максимальный эффект, который мы получим, будет исчисляться долями процентов. Из существующих ракетных двигателей, будь это жидкостные или твердотопливные, грубо говоря, выжато все, и попытки увеличения тяги, удельного импульса просто бесперспективны. Ядерные же энергодвигательные установки дают увеличение в разы. На примере полета к Марсу – сейчас надо лететь полтора-два года туда и обратно, а можно будет слетать за два-четыре месяца», – оценивал в свое время ситуацию экс-глава Федерального космического агентства России Анатолий Перминов.
Поэтому ещё в 2010 году, тогдашнем президентом России, а ныне премьер-министром Дмитрием Медведевым было дано распоряжение к концу этого десятилетия создать в нашей стране космический транспортно-энергетический модуль на основе ядерной энергетической установки мегаваттного класса. На разработку этого проекта до 2018 года из средств федерального бюджета, «Роскосмоса» и «Росатома» запланировано выделить 17 млрд рублей. 7,2 млрд из этой суммы выделено госкопорации «Росатом» на создание реакторной установки (этим занимается Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени Доллежаля), 4 млрд – Центру имени Келдыша на создание ядерной энергодвигательной установки. 5,8 млрд рублей предназначается РКК «Энергия» для создания транспортно-энергетического модуля, то есть, проще говоря, ракеты-корабля.
Естественно, все эти работы делаются не на пустом месте. С 1970 по 1988 годы в космос только СССР запустил более трех десятков спутников-шпионов, оснащенных ядерными силовыми установками малой мощности типа «Бук» и «Топаз». Они использовались при создании всепогодной системы наблюдения за надводными целями на всей акватории Мирового океана и выдачи целеуказания с передачей на носители оружия или командные пункты – система морской космической разведки и целеуказания «Легенда» (1978 год).
NASA и американские компании, производящие космические аппараты и средства их доставки, так и не смогли за это время, хоть и трижды пытались, создать ядерный реактор, который бы устойчиво работал в космосе. Поэтому в 1988 году через ООН был проведен запрет на использование космических аппаратов с ядерными энергетическими двигательными установками, и производство спутников типа УС-А с ЯЭДУ на борту в Советском Союзе было прекращено.
Параллельно в 60-70-е годы прошлого века Центр имени Келдыша вел активные работы по созданию ионного двигателя (электроплазменного двигателя), который наиболее подходит для создания двигательной установки большой мощности, работающей на ядерном топливе. Реактор выделяет тепло, оно генератором преобразуется в электричество. С помощью электричества инертный газ ксенон в таком двигателе сначала ионизируется, а затем положительно заряженные частицы (положительные ионы ксенона) ускоряются в электростатическом поле до заданной скорости и создают тягу, покидая двигатель. Вот такой принцип работы ионного двигателя, прототип которого уже создан в Центре имени Келдыша.
«В 90-х годах XX века мы в Центре Келдыша возобновили работы по ионным двигателям. Сейчас должна быть создана новая кооперация для такого мощного проекта. Уже есть прототип ионного двигателя, на котором можно отрабатывать основные технологические и конструктивные решения. А штатные изделия еще нужно создавать. У нас срок определен – к 2018 году изделие должно быть готово к летным испытаниям, а к 2015 году должна быть завершена основная отработка двигателя. Дальше – ресурсные испытания и испытания всего агрегата в целом», – отмечал в прошлом году начальник отдела электрофизики Исследовательского центра имени М.В. Келдыша, профессор факультета аэрофизики и космических исследований МФТИ Олег Горшков.
Какая практическая польза России от этих разработок? Эта польза намного превышает те 17 млрд рублей, которые государство намерено потратить до 2018 года на создание ракеты-носителя с ядерной силовой установкой на борту мощностью 1 МВт. Во-первых, это резкое расширение возможностей нашей страны и человечества вообще. Космический корабль с ядерным двигателем дает реальные возможности людям совершить путешествие к Марсу и другим планетам. Сейчас многие страны ведут разработки таких кораблей. Возобновились они и в США в 2003 году, после того как к американцам попали два образца российских спутников с ядерными силовыми установками.
Однако, несмотря на это, член спецкомиссии NASA по пилотируемым полетам Эдвард Кроули, например, считает, что на корабле для международного полета к Марсу должны стоять российские ядерные двигатели. «Востребован российский опыт в сфере разработки ядерных двигателей. Я думаю, у России есть очень большой опыт как в разработке ракетных двигателей, так и в ядерных технологиях. У нее есть также большой опыт адаптации человека к условиям космоса, поскольку российские космонавты совершали очень долгие полеты», – сказал Кроули журналистам весной прошлого года после лекции в МГУ, посвященной американским планам пилотируемых исследований космоса.
Во-вторых, такие корабли позволяют резко активизировать деятельность и в околоземном пространстве и дают реальную возможность началу колонизации Луны (уже есть проекты строительства на спутнике Земли атомных станций). «Использование ядерных энергодвигательных установок рассматривается для больших пилотируемых систем, а не для малых космических аппаратов, которые могут летать на других типах установок, использующих ионные двигатели или энергию солнечного ветра. Использовать ЯЭДУ с ионными двигателями можно на межорбитальном многоразовом буксире. К примеру, возить грузы между низкими и высокими орбитами, осуществлять полеты к астероидам. Можно создать многоразовый лунный буксир или отправить экспедицию на Марс», – считает профессор Олег Горшков. Подобные корабли резко меняют экономику освоения космоса. По расчетам специалистов РКК «Энергия», ракета-носитель на ядерной тяге обеспечивает снижение стоимости выведения полезного груза на окололунную орбиту более чем в два раза по сравнению с жидкостными ракетными двигателями.
В-третьих, это новые материалы и технологии, которые будут созданы в ходе реализации этого проекта и затем внедрены в другие отрасли промышленности – металлургию, машиностроение и т.д. То есть это один из таких прорывных проектов, которые реально могут толкнуть вперед и российскую, и мировую экономику.
—
источник
realnewsland.ru
Почему-то незамеченной прошла сенсационная новость от 4 июля в мировых и наших СМИ на фоне событий в американском Фергюсоне и на Украине.
Попробую восполнить этот пробел и выложу статью полностью по принципу как есть. О таком событии надо знать всем и я горжусь нашими учёными и страной.
На ОАО «Машиностроительный завод» в подмосковной Электростали собран первый в мире тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ) штатной конструкции для создаваемой в России космической ядерной электродвигательной установки (ЯЭДУ).
Об этом сообщает пресс-служба Госкорпорации «Росатом». Главным конструктором реакторной установки является ОАО «НИКИЭТ».
Работы ведутся в рамках реализации проекта «Создание транспортно-энергетического модуля на основе ЯЭДУ мегаваттного класса». По словам директора и генерального конструктора ОАО «НИКИЭТ» Юрия Драгунова, согласно плану ЯЭДУ должна быть готова в 2018 году
«В части реакторной установки, в части объема работ Госкорпорации «Росатом» все идет по плану, в соответствии с дорожной картой», — сказал Драгунов.
Не имеющий аналогов в мире российский ЯЭДУ планируется использовать для дальних космических полетов и длительной работы на орбите. В частности, создание ядерного двигателя позволит резко сократить время полета на Марс и уменьшить в четыре раза массу стартового комплекса для марсианской экспедиции.
Проект ЯЭДУ утвердила в 2009 году Комиссия по модернизации и технологическому развитию экономики России при президенте России. Эскизное проектирование было завершено к 2012 году
Мечта Сергея Королева, Вернера фон Брауна и их предшественников – получить мощную энергетику для космических полетов и длительной работы на орбите – в скором времени может осуществиться.
Этот двигатель позволит нам высадиться первыми на Марс, и вернуться назад.
Это скачок уже в 22 век, отрыв от всех остальных. Сегодня Россия пытается доминировать в космической отрасли , строятся новые космодромы и ракеты. Надеюсь, нам удастся вернуть величие некогда былой советской космонавтики”
По словам главы Роскосмоса Владимира Поповкина, опытный образец ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса, предназначенной для межпланетных миссий, появится в России в 2017 году. А уже через год в Сосновом Бору под Петербургом могут начаться стендовые испытания ядерного реактора для этих целей.
Напомним короткую предысторию вопроса (о более длинной – речь в конце). Два года назад, в июне 2010-го, вышло распоряжение президента России Дмитрия Медведева в поддержку проекта космического транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) на основе ядерной энергетической установки мегаваттного класса.
Для реализации задуманного в период с 2010 по 2018 год было обещано 17 млрд рублей. Из этих средств 7,245 млрд рублей предназначались госкорпорации “Росатом” на создание самого реактора. Другие 3,955 млрд – ФГУП “Центр Келдыша” на создание ядерной – энергодвигательной установки. Еще 5,8 млрд рублей – для РКК “Энергия”, где в те же сроки предстоит сформировать рабочий облик всего транспортно-энергетического модуля.
По заявлениям первых лиц “Росатома” и космической отрасли, проект развивается успешно. А как оценивают текущее положение дел его непосредственные участники? Тем более сейчас, когда только и разговоров – про неудачи и сбои, преследующие Роскосмос?
За ответом на этот вопрос корреспондент “РГ” отправился в “Центр Келдыша” и встретился с генеральным директором академиком РАН Анатолием Коротеевым.
В его лице функции формального и неформального лидера “проекта ТЭМ” органичным образом совпали: академик Коротеев является научным руководителем этого направления, и он же возглавляет межведомственную рабочую группу.
Анатолий Сазонович, давайте для начала уточним, кто и за что конкретно отвечает в этом амбициозном проекте?
Анатолий Коротеев: Головная организация, отвечающая за разработку собственно ядерного реактора, – Научно-исследовательский и конструкторский институт энергетических технологий (НИКИЭТ), входящий в систему “Росатома”. “Центр Келдыша”, которым я руковожу, назначен головным по ядерной энергодвигательной установке. А за транспортный модуль отвечает Ракетно-космическая корпорация “Энергия”.
Как я понимаю, это три “коренника”. А кого еще привлекли или собираетесь привлечь?
Анатолий Коротеев: В основе – кооперация предприятий “Росатома”, которые должны делать реактор, и Роскосмоса, где изготовят турбокомпрессоры, генераторы и сами двигатели. Надо иметь в виду, что мы ведь не в чистом поле начали этот проект. В нем использован задел, созданный в предыдущие годы.
Например, по реактору в кооперации в НИКИЭТ состоят и предлагают свои наработки Подольский научно-исследовательский технологический институт, Курчатовский центр, Обнинский физико-энергетический институт. По замкнутому контуру многое сделали “Центр Келдыша”, КБ химического машиностроения и воронежское КБ химической автоматики. По генератору подключаем Институт электромеханики.
Вы возглавляете межведомственную рабочую группу. Как часто и для каких целей она собирается?
Анатолий Коротеев: Собираемся по мере необходимости, один-два раза в месяц, бывает и чаще. Возникающие друг к другу вопросы стараемся не накапливать.
В июле на рабочей группе обсуждали плюсы и минусы различных вариантов конструкции холодильников-излучателей для отвода тепла от реакторной установки в условиях невесомости и безвоздушного пространства. В августе совещание состоялось в Сосновом Бору под Петербургом, где решено проводить натурные испытания такого реактора.
Не секрет, что работы по созданию ядерных ракетных двигателей были начаты в США и в СССР еще в 60-х годах прошлого века. Как далеко они продвинулись? И с какими проблемами пришлось столкнуться на этом пути?
Анатолий Коротеев: Действительно, работы по использованию ядерной энергии в космосе были начаты и активно велись у нас и в США в 1960-70-е годы.
Первоначально была поставлена задача создать ракетные двигатели, которые вместо химической энергии сгорания горючего и окислителя использовали бы нагрев водорода до температуры около 3000 градусов. Но оказалось, что такой прямой путь все-таки неэффективен. Мы на короткое время получаем большие тяги, но при этом выбрасываем струю, которая в случае нештатной работы реактора может оказаться радиоактивно зараженной.
Определенный опыт был накоплен, но ни нам, ни американцам не удалось тогда создать надежных двигателей. Они работали, но мало, потому что нагреть водород до 3000 градусов в ядерном реакторе – серьезная задача. А кроме того, возникали проблемы экологического свойства во время наземных испытаний таких двигателей, поскольку радиоактивные струи выбрасывались в атмосферу. Уже не секрет, что подобные работы проводились на специально подготовленном для ядерных испытаний Семипалатинском полигоне, который остался в Казахстане.
То есть критичными оказались два параметра – запредельная температура и выбросы радиации?
Анатолий Коротеев: В общем, да. В силу этих и некоторых других причин работы у нас и в США были прекращены или приостановлены – оценивать можно по-разному. И возобновить их таким, я бы сказал, лобовым образом, чтобы сделать ядерный двигатель со всеми уже названными недостатками, нам показалось неразумным. Мы предложили совершенно иной подход. От старого он отличается тем же, чем отличается гибридный автомобиль от обычного. В обычном авто двигатель крутит колеса, а в гибридных – от двигателя вырабатывается электроэнергия, и уже это электричество крутит колеса. То есть создается некая промежуточная электростанция.
Вот и мы предложили схему, в которой космический реактор не нагревает струю, выбрасываемую из него, а вырабатывает электричество. Горячий газ от реактора крутит турбину, турбина крутит электрогенератор и компрессор, который обеспечивает циркуляцию рабочего тела по замкнутому контуру. Генератор же вырабатывает электричество для плазменного двигателя с удельной тягой в 20 раз выше, чем у химических аналогов.
Мудреная схема. По существу, это мини-АЭС в космосе. И в чем ее преимущества перед прямоточным ядерным двигателем?
Анатолий Коротеев: Главное – выходящая из нового двигателя струя не будет радиоактивной, поскольку через реактор проходит совершенно другое рабочее тело, которое содержится в замкнутом контуре.
Кроме того, нам не надо при этой схеме нагревать до запредельных значений водород: в реакторе циркулирует инертное рабочее тело, которое нагревается до 1500 градусов. Мы серьезно упрощаем себе задачу. И в итоге поднимем удельную тягу не в два раза, а в 20 раз по сравнению с химическими двигателями.
Немаловажно и другое: отпадает потребность в сложных натурных испытаниях, для которых нужна инфраструктура бывшего Семипалатинского полигона, в частности, та стендовая база, что осталась в городе Курчатове.
В нашем случае все необходимые испытания можно провести на территории России, не втягиваясь в длинные международные переговоры об использовании ядерной энергии за пределами своего государства.
Чтобы проект осуществился в заявленный срок, требуются ли сейчас какие-то дополнительные меры организационного или финансового характера со стороны Роскосмоса и правительства РФ?
Анатолий Коротеев: На весь проект по 2018 год включительно обещано 17 млрд рублей. Декларированная сумма меньше чем хотелось бы, но, думаю, на ближайшие годы этого достаточно.
Ведутся ли сейчас подобные работы в других странах?
Анатолий Коротеев: У меня была встреча с заместителем руководителя НАСА, мы обсуждали вопросы, связанные с возвращением к работам по ядерной энергии в космосе, и он заявил, что американцы проявляют к этому большой интерес.
Вполне возможно, что и Китай может ответить активными действиями со своей стороны, поэтому работать надо быстро. И не только ради того, чтобы опередить кого-то на полшага.
Работать надо быстро в первую очередь для того, чтобы в формирующейся международной кооперации, а де-факто она формируется, мы выглядели достойно.
Я не исключаю, что уже в ближайшей перспективе может быть инициирована международная программа по ядерной космической энергоустановке
наподобие реализуемой сейчас программы по управляемому термоядерному синтезу.
взгляд со стороны
Комплимент от Кроули и НАСА
Член специальной комиссии НАСА по пилотируемым полетам Эдвард Кроули (Edward Crawley, он же президент – основатель Сколковского института науки и технологий) считает, что главным технологическим вкладом России в международную экспедицию к Марсу могут быть ядерные двигатели, а также методы адаптации и сохранения здоровья космонавтов. По его мнению, ни одна страна не может в одиночку осуществить пилотируемый полет к Марсу. В этом проекте, по словам Кроули, должны соединиться интеллектуальные, технологические и финансовые возможности США, России, стран Евросоюза и, возможно, Китая. В частности, может быть востребован российский опыт в сфере разработки ядерных двигателей. “У России, – дал понять Кроули, – есть очень большой опыт как в разработке ракетных двигателей, так и в ядерных технологиях”.
Акцент
Транспортно-энергетический модуль на основе ЯЭДУ мегаваттного класса может обеспечить увеличенный в 30 раз (по сравнению с достигнутым) уровень энергообеспечения космических аппаратов и десятикратную (на единицу веса) экономию топлива маршевой двигательной установки. А технические решения, заложенные в концепцию ТЭМ, позволяют решать весь спектр космических задач XXI века, включая: доставку грузов на геостационарную орбиту; очистку околоземных орбит от неработающих спутников; защиту Земли от астероидной опасности; создание систем энергоснабжения Земли из космоса; программы исследования Луны; исследовательские миссии к дальним планетам.
Реплика скептика:
– Это ж охренеть получается! Две сверхдержавы за полвека противостояния не смогли ядреное двигло к ракете прикрутить, а тут Роскосмос – хрясь, и за три года выдает на-гора супер-пупер дорогу к звездам. Короче, бронирую билет на первый рейс к Альфе Шеридана.
Svargaman, опубликовано в 2012 году.
атом на орбите: к истории вопроса
Идея использовать ядерные двигатели на космических аппаратах в принципе не нова и уходит корнями в начало 1960-х. Уже тогда академики Мстислав Келдыш, Сергей Королев и Игорь Курчатов – первые лица советской космической программы и советского Атомного проекта – выдвигали такие задачи. Аналогичные разработки с прицелом на создание новых вооружений велись и в США. Но в космос ракетные ядерные двигатели так и не вышли. Хотя известно, что Советский Союз вывел с 1970 по 1988 год на различные орбиты 32 космических аппарата с термоэлектрической ядерной энергоустановкой (принцип ее работы основан на превращении энергии распада атома в электрическую энергию). Такие установки имели сравнительно небольшую мощность и ограниченный во времени срок службы, после чего сходили с орбиты, создавая головную боль, – куда упадут радиоактивные обломки? – для наземных служб слежения.
В конце 1980-х была заключена договоренность не запускать больше спутники с такими энергоустановками. Но сейчас, надеются в Роскосмосе и “Росатоме”, в связи с возможной подготовкой международной экспедиции к Луне и Марсу, прежние запреты могут быть пересмотрены. Президент РКК “Энергия” Виталий Лопота при этом замечает, что эксплуатироваться корабли и транспортные модули с такими реакторами должны лишь на орбитах, “с которых не упадут”. Он убежден, что уже в ближайшее десятилетие технически реально создать термоэмиссионные энергоустановки мощностью от 150 киловатт до мегаватта. Этого достаточно для орбитальных спутников. А для межпланетных миссий потребуется реакторная энергоустановка мощностью от одного до 6 мегаватт.
источник
rusila.su
Ионный двигатель — хорошо отработанная на практике и исторически первая разновидность электрического ракетного двигателя. Недостатком ионного двигателя является малая тяга (например, разгон космического аппарата с весом автомобиля от 0 до 100 км/ч требует больше двух суток непрерывной работы ионного двигателя), которую невозможно увеличить из-за ограничений объёмного заряда.Однако малый расход топлива (точнее, рабочего тела) и продолжительное время функционирования ионного двигателя (максимальный срок непрерывной работы самых современных образцов ионных двигателей составляет более пяти лет) позволяет за длительный промежуток времени разогнать космический аппарат небольшого веса до приличных скоростей. Сфера применения: управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли (некоторые спутники оснащены десятками маломощных ионных двигателей) и использование в качестве главного тягового двигателя небольшой автоматической космической станции. Характеристики ионного двигателя: потребляемая мощность 1-7 кВт, скорость истечения 20-50 км/с, тяга 20-250 мН, КПД 60-80 %. Рабочим телом является ионизированный газ (аргон, ксенон и т. п.).
Ионному двигателю в настоящее время принадлежит рекорд негравитационного ускорения космического аппарата в космосе без использования жидкостного ракетного двигателя — Deep Space 1 смог увеличить скорость на 4,3 км/с, израсходовав 74 кг ксенона (этот рекорд скорости в ближайшее время планируется превзойти на 10 км/с космическим аппаратом Dawn). Однако ионный двигатель не является самым перспективным типом электроракетного двигателя, поэтому данный рекорд скорости, скорее всего, будет превзойдён холловским или магнитоплазмодинамическим двигателем.
Существует проект межзвёздного зонда с ионным двигателем, получающим энергию через лазер от базовой станции, что дает некоторое преимущество по сравнению с чисто космическим парусом (в настоящее время данный проект неосуществим из-за технических ограничений.
Принцип работы двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. При этом, благодаря высокому отношению заряда к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей (вплоть до 210 км/с по сравнению с 3—4,5 км/с у химических ракетных двигателей). Таким образом, в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса. Это позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа по сравнению с расходом реактивной массы в химических ракетах, но требует больших затрат энергии.В существующих реализациях для поддержки работы двигателя используются солнечные батареи. Но для работы в дальнем космосе такой способ неприемлем. Поэтому уже сейчас для этих целей иногда используются ядерные установки.
Источником ионов служит газ — как правило, аргон или водород. Бак с газом стоит в самом начале двигателя, оттуда газ подаётся в отсек ионизации; получается холодная плазма, которая разогревается в следующем отсеке посредством ионного циклотронного резонансного нагрева. После нагрева высокоэнергетическая плазма подаётся в магнитное сопло, где она формируется в поток магнитным полем, разгоняется и выбрасывается в окружающую среду. Таким образом достигается тяга.С тех пор плазменные двигатели прошли большой путь и разделились на несколько основных типов — электротермические, электростатические, сильноточные или магнитодинамические и импульсные двигатели. В свою очередь электростатические двигатели делятся на ионные и плазменные (ускорители частиц на квазинейтральной плазме).
Ионный двигатель использует в качестве топлива ксенон или ртуть. Первый ионный двигатель назывался сетчатый электростатический ионный двигатель. В ионизатор подаётся ксенон, который сам по себе нейтрален, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны.
Положительные ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2-х или 3-х сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против — 225 вольт на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона. Электроны, пойманные в катодную трубку выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается по двум причинам:
чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным;
чтобы ионы, «нейтрализованные» таким образом не притягивались обратно к кораблю.Чтобы ионный двигатель работал, нужны всего 2 вещи — газ и электричество.Недостаток двигателя в его нынешних реализациях — очень слабая тяга (порядка 50-100 миллиньютонов). Таким образом, нет возможности использовать ионный двигатель для старта с планеты, но, с другой стороны, в условиях невесомости, при достаточно долгой работе двигателя, есть возможность разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих видов двигателей. Однако разрабатываются более совершенные и мощные типы электроракетных двигателей (холловский и магнитоплазмодинамический), превосходящие ионный двигатель по величине тяги и, как следствие, конечной скорости космического аппарата.
joyreactor.cc
Валентин Подвысоцкий
Достижения в освоении космического пространства зависят от уровня развития двигательных систем. Определяющим фактором эффективности двигателей космических аппаратов, являются их энергетические характеристики. По виду используемой энергии двигательные установки подразделяются на четыре типа: термохимические, ядерные, электрические, солнечно-парусные. В настоящее время основой космонавтики являются мощные термохимические двигатели. Электрические и ядерные установки находятся на стадии развития, и в будущем смогут найти широкое применение в космической технике. То же можно сказать и о солнечно-парусных двигателях и других перспективных силовых установках.
В данной статье рассматривается новый тип двигателей, работающих на кинетической энергии космического аппарата (или встречного потока вещества, в зависимости от выбора системы координат). Принцип действия двигателя основан на захвате и торможении встречного потока вещества. Захваченное вещество попадает внутрь двигателя. В результате его торможения, выделяется энергия. Часть этой энергии, тем или иным образом, может быть использована для ускорения бортовых запасов реактивной массы. При определенных условиях, реактивная сила тяги превышает силу торможения, и космический аппарат увеличивает скорость полета. Скорость космического аппарата возрастает, а его масса, импульс и кинетическая энергия уменьшаются (в соответствии с законами сохранения).
Возможны различные варианты двигательных установок нового типа. Например, кинетический двигатель, в котором происходит непосредственное преобразование части кинетической энергии встречного потока газа в энергию рабочего тела. Этот двигатель состоит из следующих, объединенных в одно конструктивное целое частей:
массозаборника, и диффузора, для торможения захваченного газа;
камеры, в которой нагретый, вследствие торможения, до очень высокой температуры газ смешивается с рабочим телом;
реактивного сопла, через которое, расширяясь, истекает полученная смесь.
Кинетический двигатель может использоваться при полетах в атмосфере планет-гигантов. Предположим, космический аппарат летит в верхних слоях атмосферы Урана, со скоростью 20км/с. Космический аппарат находится в аэродинамической тени раструба массозаборника. Через массозаборник, внутрь двигателя попадает 1кг водорода. Его кинетическая энергия 200тыс.кДж, импульс 20тыс.кг∙м/с. КПД двигателя 70%. В результате торможения захваченного газа, его кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию. Чтобы получить максимальную удельную тягу, расход рабочего тела должен составлять 2,422кг. Раскаленный водород смешивается с рабочим телом, и образовавшаяся смесь в количестве 3,422кг, истекает через реактивное сопло. Ее кинетическая энергия 140тыс.кДж, скорость истечения 9045м/с, импульс 30955кг∙м/с. Если разницу импульсов (10955кг∙м/с), разделить на расход рабочего тела (2,422кг), получим эффективную скорость истечения 4523м/с. Если разделить эффективную скорость истечения на коэффициент 9,81м/с², получим удельную тягу 460с.
Эффективность массозаборника значительно увеличится, если снабдить двигатель источником магнитного поля (соленоидом). Движение частиц плазмы поперек силовых линий магнитного поля затруднено, и магнитное поле играет роль воронки, направляющей потоки заряженных частиц в двигатель. В результате, эффективное сечение массозаборника может возрасти в тысячи раз. Кроме того, появится дополнительный энергетический эффект. Магнитная воронка играет роль своеобразного фильтра, направляя в двигатель лишь обладающие значительной энергией ионизированные частицы. Внутри двигателя ионизированный газ смешивается с рабочим телом. Происходит торможение и рекомбинация захваченных частиц, выделяется значительное количество тепла. Таким образам, бортовые запасы рабочего тела будут нагреваться не только за счет кинетической энергии захваченного газа, но и за счет его химической энергии. Поскольку, образовавшаяся газовая смесь состоит в основном из нейтральных частиц, магнитное поле двигателя не будет препятствовать ее истечению через реактивное сопло.
Кинетический двигатель, оснащенный магнитной воронкой, может использоваться при полетах в атмосфере планет земной группы. На высоте около 300км над Землей, концентрация ионизированных частиц достигает максимального значения (примерно 1млн ионов кислорода в 1см³). Для захвата ежесекундно 1кг плазмы, при скорости полета 8км/с, нужна магнитная воронка диаметром около 110км. Создание такой воронки, связано с определенными трудностями. Впрочем, плотность плазмы значительно возрастает в периоды активности Солнца. Кроме того, можно применять искусственные источники плазмы. Во многих случаях, достаточно использовать магнитную воронку значительно меньшего диаметра.
С целью исследования магнитного поля Земли, проводились опыты по созданию искусственной кометы. Спутник ИРМ, созданный институтом им. Макса Планка, выпустил на высоте 110 тысяч километров, облако заряженных частиц бария. Облако сначала было зеленым, а через полминуты стало фиолетовым за счет ионизации под действием солнечных лучей. Через 8 минут от облака протянулся хвост на 20 тысяч километров, а скорость частиц бария под давлением солнечных лучей достигла несколько десятков километров в секунду. Возрастание плотности газа, повысит эффективность магнитной воронки. Кроме того, под давлением солнечных лучей, возрастает скорость и энергия поступающего в двигатель газа. Этот способ целесообразно применять на околоземных орбитах, и в центральных областях Солнечной системы.
Следующий способ заключается в использовании раскаленных газов, выброшенных из реактивного двигателя, установленного на другом космическом аппарате. Можно организовать полет таким образом, чтобы космические аппараты двигались навстречу друг другу. Подобная схема может использоваться для доставки грузов на околоземную орбиту. Предположим, на околоземной орбите движется космическая станция, выбрасывая перед собой поток плазмы. Космический аппарат доставляется многоразовым носителем на заданную высоту, и начинает двигаться навстречу потоку плазмы, с помощью кинетического двигателя. Носитель возвращается на Землю.
Ставиться задача, увеличить скорость космического аппарата с 0км/с до 8км/с. Скорость космической станции 8км/с, скорость истечения плазмы 10км/с. В результате сложения скоростей, скорость поступающей в двигатель плазмы возрастает с 18км/с до 26км/с. При КПД кинетического двигателя 70%, и оптимальном режиме его работы, масса космического аппарата уменьшится со 100т до 20т. Масса рабочего тела 80т, объем 40м³ (при плотности 2000кг/м³).
Предположим, продолжительность разгона 400 секунд, средний расход бортовых запасов рабочего тела 200кг/с. Ракетный двигатель космической станции в среднем должен расходовать не менее 83кг/с массы. При скорости истечения 10км/с это соответствует мощности более 4млнкВт. Для создания потока плазмы такой мощности, может использоваться термоэлектрический двигатель, с солнечной или ядерной энергоустановкой. По некоторым оценкам, удельная масса таких систем, примерно 1кг/кВт. Таким образом, масса космической станции составит не менее 4000т. Если полезная нагрузка космического аппарата 5т, такая транспортная система обеспечит грузопоток порядка 500т в сутки (с учетом того, что половина ресурсов массы и времени, расходуется на коррекцию орбиты станции).
Для многократного использования кинетических двигателей, необходимо создать недорогой атмосферно-космический аппарат, способный возвращаться на Землю. Его возвращение можно организовать таким образом, чтобы аэродинамическая сила была направлена к центру Земли, препятствуя преждевременному выходу аппарата из атмосферы. Аппарат сможет сделать несколько витков вокруг Земли, двигаясь на оптимальной высоте в верхних слоях атмосферы, со скоростью значительно превышающей первую космическую. При этом избыток тепла будет отводиться за счет излучения, скорость полета постепенно уменьшится, без перегрузок и перегрева конструкции. Это позволит упростить теплозащиту, снизить необходимый запас прочности. В результате уменьшится масса и стоимость атмосферно-космического аппарата, увеличится срок его службы. После погашения избыточной скорости полета, нужно направить аэродинамическую силу в противоположном направлении. Это можно осуществить за счет поворота аппарата вокруг продольной оси на 180°, или путем изменения геометрии его несущих поверхностей (крыльев).
Указанный выше грузопоток, значительно превышает потребности ближайшего будущего. Вероятно, реализация таких транспортных систем сможет осуществляться в рамках программ космической энергетики. Основная задача заключается в создании потока плазмы (а не передвижении космической станции пространстве). Поэтому, большая масса и размеры энергоустановки и ракетного двигателя, не являются непреодолимым препятствием. Более серьезная проблема пополнение запасов массы. При грузопотоке 500т затраты массы на создание потока плазмы, составляют более 7000т. Впрочем, если доставлять массу с Луны, затраты на ее транспортировку составят не более 15...20% общих затрат энергии.
Интересный способ разгона с использованием реактивной струи, полет в кильватере другого космического аппарата, на оптимальном расстоянии. Такой полет возможен, если «ведущий» аппарат оснащен ракетным двигателем, со скоростью истечения газов десятки километров в секунду. Лишь в этом случае кинетический двигатель, установленный на «ведомом» космическом аппарате, будет развивать достаточно высокую удельную тягу. Захваченный газ состоит из частиц с высокой степенью ионизации, при рекомбинации которых выделяется большое количество дополнительной энергии. Следовательно, при скорости захваченного газа 20км/с, максимально возможная удельная тяга кинетического двигателя значительно выше 460с (при КПД 70%).
mirznanii.com
