Ионный двигатель — новые космические горизонты

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.

Китайцы создали мощный плазменный реактивный двигатель из микроволновки, компрессора и батарейки

Плазменные реактивные двигатели, которые могут доставить вас с земли в космос

Сандрин Керстемон

Полет на плазменном самолете

Future Workshop Electrofluidsystems TU Berlin

ЗАБУДЬТЕ о реактивных двигателях на топливе. Мы находимся на пороге появления самолетов, которые могут летать от земли до края космоса, используя только воздух и электричество.

Традиционные реактивные двигатели создают тягу, смешивая сжатый воздух с топливом и воспламеняя его. Горящая смесь быстро расширяется и выбрасывается из задней части двигателя, толкая его вперед.

Вместо топлива плазменные реактивные двигатели используют электричество для создания электромагнитных полей. Они сжимают и возбуждают газ, такой как воздух или аргон, в плазму — горячее, плотное ионизированное состояние, подобное тому, что находится внутри термоядерного реактора или звезды.

Реклама

Плазменные двигатели застряли в лаборатории в течение последнего десятилетия или около того. И исследования их в основном ограничивались идеей запуска спутников в космос.

Беркант Гёксель из Берлинского технического университета и его команда теперь хотят установить плазменные двигатели на самолеты. «Мы хотим разработать систему, которая сможет работать на высоте более 30 километров, куда не доберутся стандартные реактивные двигатели», — говорит он. Они могли бы даже доставить пассажиров на край атмосферы и за ее пределы.

Узнайте больше о Virgin Galactic: исследуйте прошлое и будущее космических путешествий в туре New Scientist Discovery Tour

Задача заключалась в разработке воздушно-реактивного плазменного двигателя, который можно было бы использовать как для взлета, так и для полетов на большой высоте. -высотный полет.

Плазменные реактивные двигатели, как правило, предназначены для работы в вакууме или при низком давлении, характерном для высоких атмосферных значений, где им потребуется подача газа. Но теперь команда Гёкселя испытала устройство, способное работать на воздухе при давлении в одну атмосферу ( Journal of Physics Conference Series , doi.org/b66g). «Мы первыми стали производить быстрые и мощные плазменные струи на уровне земли», — говорит Гёксель. «Эти струи плазмы могут развивать скорость до 20 километров в секунду».

Команда использовала быстрый поток наносекундных электрических разрядов, чтобы воспламенить двигательную смесь. Аналогичный метод используется в двигателях внутреннего сгорания с импульсной детонацией, что делает их более эффективными, чем стандартные двигатели, работающие на топливе.

Впервые применили импульсную детонацию к плазменным двигателям. Джейсон Кассибри из Университета Алабамы в Хантсвилле впечатлен. «Это может значительно увеличить дальность полета любого самолета и снизить эксплуатационные расходы», — говорит он.

Но есть несколько препятствий, которые нужно преодолеть, прежде чем технология сможет привести в движение настоящий самолет. Для начала команда протестировала мини-двигатели длиной 80 миллиметров, а коммерческому авиалайнеру для полета потребуется около 10 000 таких двигателей, что делает нынешнюю конструкцию слишком сложной для самолетов такого размера. На данный момент команда Гёкселя планирует нацеливаться на небольшие самолеты и дирижабли. Для небольшого самолета было бы достаточно от 100 до 1000 двигателей, что, по мнению команды, возможно.

Подробнее: 9цитаты, рассказывающие драматическую историю сверхзвукового полета

Самым большим ограничением является отсутствие легких аккумуляторов. Для производства и поддержания плазмы требуется огромное количество электроэнергии. «Для множества двигателей потребуется небольшая электрическая силовая установка, которую невозможно установить на самолет с современными технологиями», — говорит Дэн Лев из Израильского технологического института Технион. Источник питания также является препятствием для увеличения размеров отдельных двигателей. Это уменьшит количество, необходимое для приведения в движение самолета, но для каждого из них потребуется больше энергии.

Гёксель надеется на прорыв в компактных термоядерных реакторах для питания своей системы. По его словам, другими возможными вариантами могут быть солнечные батареи или беспроводная передача энергии двигателям.

Тем временем он изучает гибридные самолеты, в которых его плазменный двигатель будет сочетаться с импульсно-детонационными двигателями внутреннего сгорания или ракетами для экономии топлива.

Эта статья появилась в печати под заголовком «Плазменные реактивные двигатели могут доставить вас в космос»

Дополнительная информация по этим темам:

• космический полет
• самолет
• электромагнетизм

Микроволновый плазменный двигатель | Замена реактивного двигателя

• Новый плазменный двигатель можно масштабировать, чтобы конкурировать с традиционными реактивными двигателями.
• Плазма усиливается высокоинтенсивными микроволнами и сжатым воздухом.
• Исследователям пришлось изобрести способ измерения плазменного прибора с температурой более 1000 градусов.

Китайские ученые предполагают, что они доставят на Землю космических плазменных двигателей , причем новый тип будет работать так же хорошо в атмосфере, как и другие в космическом вакууме.

Используя только воздух и электричество, исследователи из Института технических наук Уханьского университета говорят, что они преодолели давние атмосферные проблемы, такие как трение воздуха, и создали плазменный двигатель, который может конкурировать на земле.

В новой статье в American Institute of Physics Advances ученые описывают, как они построили и испытали свой плазменный двигатель.

«Мы продемонстрировали, что при одинаковом потреблении энергии его тяговое давление сравнимо с давлением обычных авиационных реактивных двигателей, работающих на ископаемом топливе», — говорят они, и это экстраординарное заявление.

Вам понравятся эти истории

• Почему B-52 такой крутой самолет
• Все, что нужно знать о новой российской суперракете
• Сатурн V: история происхождения

Плазменные двигатели, используемые в космосе, специально приспособлены для невесомости и очень разреженного или несуществующего воздуха. «Несмотря на то, что такой плазменный двигатель имеет очень небольшую движущую силу, после месяцев и лет постоянного ускорения космический корабль в конечном итоге может достичь высокой скорости», — объясняют исследователи. Таким образом, при отсутствии трения в пространстве небольшое количество энергии может увеличиваться линейно без ограничений, подобно снежному кому, катящемуся вниз по склону, который в конечном итоге может разрушить дом.

Конструкция плазменного двигателя.

AIP Advances

Выброс плазмы в атмосферу означает борьбу со строгими конструктивными ограничениями. Исследователи ссылаются на разработку MIT временного плазменного двигателя типа «Тесла», более мощного, чем космические, но недостаточного для обычных самолетов. Вместо этого эти исследователи увеличили тягу, используя высокие температуры и применение мощных микроволн.

Посмотреть полный пост на Youtube

Самодельный термостойкий прибор для измерения давления в движителе в эксперименте. Устройство имеет небольшое отверстие в верхней части для вставки более мелких стальных шариков с целью регулировки порогового веса, при котором шарик начинает дребезжать из-за воздействия плазменной струи.

«В этом отчете мы рассматриваем микроволновый воздушно-плазменный реактивный двигатель, использующий плазму высокой температуры и высокого давления, генерируемую микроволновой ионизационной камерой с частотой 2,45 ГГц для нагнетания сжатого воздуха», — говорят исследователи. Генератор микроволн, называемый гравитроном, посылает микроволны по трубке, которая заканчивается воспламенителем, нагревающим плазму. Трубка усиливает микроволны, и образующаяся плазма удерживается в когезивной форме потоком свежего воздуха.

Небольшая лабораторная модель масштабируется, по словам ученых, до эквивалента коммерческого реактивного двигателя — достаточно, чтобы теоретически конкурировать с технологиями, использующими ископаемое топливо, которые мы используем сегодня. Из исследования:

«Используя мощный СВЧ-источник или группу из нескольких СВЧ-источников, работающих параллельно, с материалами, устойчивыми к высокой температуре и давлению, можно создать высокоэффективную микроволновую воздушно-плазменную струю. двигатель в будущем, чтобы избежать выбросов углерода и глобального потепления, которые возникают из-за сжигания ископаемого топлива».

Все это звучит потрясающе, правда? Так в чем подвох?

Ну, супергорячая плазма настолько горячая, что может расплавить все, что может ее содержать. Чтобы превратить небольшую лабораторную модель в полноразмерный электрический плазменный двигатель, будущим исследователям потребуется провести испытания материалов и конструкции, а также найти наилучшие способы объединить все в самые мощные двигатели.