Didžiulis elektrinis variklis, pasižymintis rekordinėmis savybėmis, išlaikė žemės bandymą, kai apkrova viršija nominalią vertę. Naujokas derina gerą sukibimą su ekonomiškumu. Ir tai leidžia tikėtis naujo kosmoso pramonės plėtros rato.
Jonų pavara mums gerai žinoma iš mokslinės fantastikos romanų. Jo veikimo principas yra dujų jonizavimas ir jų pagreitis elektrostatiniu lauku. Jonai suteikia daug mažesnę trauką nei cheminis kuras, todėl toks variklis nesugebėtų suteikti raketai net pirmojo kosminio greičio. Bet jei paleisite jį į kosmosą, jis tiesiogine prasme gali veikti ilgus metus, pagreitindamas laivą iki precedento neturinčio greičio.
Kai kurios kosminės misijos jau naudojo tokius variklius, įskaitant japonų erdvėlaivį Hayabusa (2005 m., skrydis į asteroidą Itokawa), taip pat JAV erdvėlaivį Dawn, kuris 2007 m. rugsėjį pakilo į asteroidus Vesta ir Ceres.
Bet naujas modelis variklis, vadinamas VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket), bus šimtus kartų galingesnis už ankstesnius jonų variklius, nes argono jonų pagreitinimo procese bus naudojamos ne standartinės metalinės grotelės, o radijo dažnio generatorius, kuris neturi fizinio kontakto. su dujomis, kaip grotelės.
„Ad Astra Rocket Company“ išbandė iki šiol galingiausią plazmos raketų variklį. VASIMR VX-200 (apie kurį ne taip seniai kalbėjome) vakuuminėje kameroje veikė 201kW, pirmą kartą peržengdamas 200kW ribą. Bandymas taip pat patvirtino, kad nedidelio masto prototipas VASIMR (kintamo specifinio impulso magnetoplazmos raketa) gali veikti pilna jėga. „Šiandien tai yra galingiausia plazminė raketa pasaulyje“, – sako buvęs astronautas ir „Ad Astra“ generalinis direktorius Franklinas Chang-Diaz.
Bendrovė sudarė susitarimą su NASA dėl variklio veikimo bandymo Tarptautinėje kosminėje stotyje (TKS) 2013 m. Jis periodiškai sukels stoties „pastiprinimus“, kurių nuolat mažėja dėl sąveikos su atmosfera. Šiuo metu tokias operacijas atlieka mažos traukos laivų varikliai, per metus sunaudojantys apie 7,5 tonos raketinio kuro. Cheng-Diaz teigia, kad sumažinus šį kiekį iki 0,3 tonos VASIMR kasmet NASA sutaupys milijonus.
Tačiau „Ad Astra“ turi ambicingesnių planų. Pavyzdžiui, misijos į Marsą didelis greitis. 10MW arba 20MW VASIMR galėtų nugabenti žmones į raudonąją planetą per 39 dienas, o įprastos raketos užtruktų šešis mėnesius, jei ne ilgiau. Kuo trumpesnė kelionė, tuo mažiau astronautai bus veikiami kosminės spinduliuotės, kuri yra didelė kliūtis.
Inovacijos jonų variklis taip pat gali būti pritaikytas didesniems kroviniams robotizuotose misijose, nors skrydžio greitis bus sumažintas. Cheng-Diaz prie VASIMR koncepcijos kūrimo dirbo nuo 1979 m., gerokai prieš verslo įkūrimą 2005 m. Ši technologija apima radijo bangų naudojimą dujoms (vandeniliui, argonui, neonui) šildyti, kad susidarytų aukštos temperatūros plazma. Magnetiniai laukai išstumia jį iš variklio, o tai sukuria reaktyvinė trauka. Dėl didelio greičio, kuris pasiekiamas nuolatiniu jo kaupimosi procesu, daug mažiau degalų nei už įprastiniai varikliai. Be to, VASIMR konstrukcija pašalina fizinį elektrodų kontaktą su plazma, o tai reiškia, kad tarnavimo laikas pailgėja.
Kaip VASIMR veikia bandymo kameroje, galite pamatyti šiame vaizdo įraše. Tiesa, kalbama apie ilgai trukusį testą, kurio metu įrenginys sunaudojo vos 179 kilovatus. Iš jų 30 kW buvo panaudota pirmojoje variklio dalyje plazmai sukurti, o 149 kW panaudota jai šildyti ir pagreitinti antroje kameroje.
Verta prisiminti 2007 m. rudenį paleistą amerikiečių tarpplanetinį zondą „Dawn“ (2011 m. pasieks pirmąjį taikinį „Vesta“). Pagreitėjimui iki asteroido juostos „Dawn“ naudoja tris jonų variklius, kurių kiekvienas išvysto maksimalią 90 militonų trauką.
„Tai identiškas vieno užrašų knygelės popieriaus lapo svoriui“, – vaizdžiai paaiškina NASA. Klausiate, kokia esmė? Faktas yra tas, kad „jonikai“ yra maždaug 10 kartų efektyvesni nei cheminiai. raketų varikliai. Visų pirma, ant Aušros stovinčių prietaisų specifinis impulsas yra 3100 sekundžių.
Todėl jiems užteks 425 kilogramų darbinio skysčio (ksenono) 2100 darbo dienų. Net jei Aušros pagreitis yra nematomas, bendras greičio padidėjimas visos misijos metu bus apie 10 kilometrų per sekundę.
Ir pats prietaisas pasirodė palyginti lengvas (tona ir ketvirtadalis). Todėl jai paleisti iš Žemės reikėjo mažesnės klasės (Delta II) raketos, taigi ir pigesnės, palyginti su ta, kurios prireiktų hipotetiniam asteroidų tyrinėtojui, pastatytam cheminių variklių pagrindu, iškelti į orbitą.
Specifinis VX-200 impulsas yra apie 5000 sekundžių. Apskritai jis gali keistis, o tai atsispindi įrenginio pavadinime. Didesnį efektyvumą galima gauti esant mažai traukai, mažiau - esant maksimaliai.
Taigi galite keisti pagrindinio variklio veikimo režimą, atsižvelgdami į erdvėlaivio misijos tikslus. Kai kur galite sau leisti išleisti šiek tiek daugiau darbinio skysčio, bet sutrumpinti skrydžio laiką, kai kur, atvirkščiai, atlikti užduotį ilgesnį laiką, tačiau sunaudodami minimalų „degalą“, o tai reiškia - minimalus svoris aparatai.
Čia reikėtų pažymėti, kad VASIMR teigia esantis tam tikra tarpinė galimybė sukurti trauką erdvėje. Tarp cheminių stiprintuvų (galingų, bet nepavaldžių) ir itin mažyčių elektrinių raketinių variklių, kurie gali būti daug ekonomiškesni net už VX-200, bet trauka bus tik gramo dalis.
VASIMR turi dar vieną pranašumą prieš konkurentus iš elektros varymo stovyklos apskritai: jame plazma jokiu būdu nesiliečia su įrenginio detalėmis, o tik kontaktuoja su laukais.
Tai reiškia, kad „Ad Astra“ įrenginys galės dirbti daug mėnesių ir net metų be struktūrinės degradacijos – to, ko reikia norint pagreitinti erdvėlaivius keliaujant į Saulės sistemos gelmes ar pakoreguoti palydovų orbitą. Klasikiniai jonų raketų varikliai turi skaudžią vietą – elektrodų tinklelių eroziją. VASIMR jų tiesiog nėra.
„Ad Astra Rocket“ turi daug VASIMR planų daugelyje projektų. Taigi, pagal susitarimą su JAV kosmoso agentūra 2013 m., VX-200 skrydžio versija, pavadinta VF-200-1, turėtų būti išbandyta TKS. Šiuo metu kuriamas įrenginys bus pagrįstas bendra VX-200 konstrukcija, tačiau jį sudarys du praktiškai lygiagrečiai po 100 kilovatų galios varikliai.
(Įdomu, kad „Ad Astra Rocket“ derasi dėl VF-200-1 pristatymo į stotį naudodamas privatų vežėją iš „SpaceX“ arba „Orbital Sciences“).
VF-200-1 bandys pakelti stoties orbitą, kuri reguliariai „nukrenta“ dėl silpnas stabdymas atmosferos liekanose, net 400 kilometrų aukštyje. VF-200-1 sporadiškai įsijungs trumpam (kelioms minutėms). O kadangi jo paimama iš tinklo galia yra labai didelė, variklis turi sunaudoti sukauptą energiją specialios baterijos, kuris, savo ruožtu, per plazmos greitintuvo veikimo pauzes bus palaipsniui įkraunamas iš TKS saulės baterijų.
Jei bandymas bus sėkmingas, stotis gali būti perkelta į šį orbitos pakėlimo būdą. Ir tai žada daug sutaupyti. Juk dabartinė orbitinio kėlimo versija (naudojant tiekimo transporto laivų cheminius variklius) reiškia 7,5 tonos degalų sąnaudas per metus, o VASIMR tam pačiam tikslui kasmet prireiks 300 kilogramų argono. Technologijų perspektyvos dar labiau vilioja.
Remiantis vienu ar daugiau VF-200-1, bendrovė mano, kad įmanoma sukurti nepilotuojamą sunkvežimį, kuris vežtų dideli kroviniai iš žemos Žemės orbitos į Mėnulio orbitą. Šie varikliai būtų maitinami saulės baterijomis.
Tokiam įrenginiui greičiausiai prireiktų įmontuotos atominės elektrinės - reikiamos galios saulės baterijos išeitų tiesiog siaubingai didelės.
Apie tai, kad tolimojo nuotolio misijoms skirti elektriniai raketų varikliai „prašo“ branduolinio kuro, ekspertai kalba jau seniai. Statant tokį generatorių dabar nėra esminių ir neišsprendžiamų sunkumų.
Dar ne visi klausimai dėl paties VASIMR darbo subtilybių pašalinti. Mokslininkai turi padidinti bendrą sistemos efektyvumą ir rasti Geriausias būdas atsikratyti perteklinės šilumos, kurią išsklaido toks variklis. Tačiau apskritai technologija jau artėja prie stadijos, kai tik antžeminiai eksperimentiniai įrenginiai turėtų sukelti modifikacijas, kurias ketinama išsiųsti į orbitą. Chan-Diaz ir jo kolegos mano, kad komercinės VASIMR tipo variklių versijos rinkoje gali pasirodyti 2014 m.
Žmogus į kosmosą pateko skysto ir kietojo kuro raketų variklių dėka. Tačiau jie taip pat suabejojo kosminių skrydžių veiksmingumu. Kad santykinai mažas bent jau „pagautų“, jos sumontuotos ant įspūdingo dydžio raketos nešančiųjų. O pati raketa iš tikrųjų yra skraidantis bakas, kurio liūto dalis svorio skirta kurui. Kai visa tai išnaudojama iki paskutinio lašo, laive lieka menkos atsargos.
Kad nenukristų į Žemę, ji periodiškai pakelia savo orbitą impulsais.Jiems kuro – apie 7,5 tonos – automatiniais laivais atgabenama kelis kartus per metus. Bet tokio degalų papildymo pakeliui į Marsą nesitikima. Ar ne laikas atsisveikinti su pasenusiomis grandinėmis ir atkreipti dėmesį į pažangesnį jonų variklį?
Kad jis veiktų, nereikia beprotiškų degalų kiekių. Tik dujos ir elektra. Elektra erdvėje generuojama fiksuojant saulės skleidžiamą šviesą saulės baterijomis. Kuo toliau nuo žvaigždės, tuo mažesnė jų galia, todėl teks sunaudoti daugiau ir dujos patenka į pirminę degimo kamerą, kur yra bombarduojamos elektronų ir jonizuojamos. Gauta šalta plazma siunčiama sušilti, o po to - į magnetinį antgalį pagreitinti. Jonų variklis išstumia iš savęs karštą plazmą tokiu greičiu, kuris nepasiekiamas įprastiems raketų varikliams. Ir jis gauna reikiamą postūmį.
Veikimo principas toks paprastas, kad demonstracinį jonų variklį galite surinkti savo rankomis. Jei ratuko formos elektrodas prieš tai subalansuotas, uždėtas ant adatos galiuko ir įjungta aukšta įtampa, aštriuose elektrodo galuose atsiras mėlynas švytėjimas, kurį sukuria iš jų išbėgantys elektronai. Jų galiojimo laikas sukurs silpną reaktyviąją jėgą, elektrodas pradės suktis.
Deja, jonų varikliai turi tokią menką trauką, kad negali pakelti erdvėlaivio nuo Mėnulio paviršiaus, jau nekalbant apie paleidimą ant žemės. Aiškiausiai tai galima pastebėti palyginus du laivus, vykstančius į Marsą. Skystojo kuro laivas pradės skrydį po kelių minučių intensyvaus pagreičio ir praleis šiek tiek mažiau laiko lėtėdamas šalia Raudonosios planetos. Laivas su joniniais varikliais du mėnesius įsibėgės lėtai besisukanti spirale, ta pati operacija jo laukia ir prie Marso ...
Ir vis dėlto jonų variklis jau rado savo pritaikymą: jame sumontuota nemažai nepilotuojamų erdvėlaivių, siunčiamų į ilgalaikes žvalgybines misijas į artimas ir tolimas Saulės sistemos planetas, į asteroidų juostą.
Jonų variklis yra tas pats vėžlys, kuris aplenkia greitakojį Achilą. Išnaudojęs visus degalus per kelias minutes, skystas variklis amžiams nutyla ir tampa niekam tikusiu geležies gabalu. Ir plazma gali veikti metų metus. Gali būti, kad juose bus sumontuotas pirmasis erdvėlaivis, kuris subšviesos greičiu nukeliaus į artimiausią Žemei žvaigždę. Spėjama, kad skrydis truks tik 15-20 metų.
2013 m. kovo 9 d
Su judėjimo erdvėje problema žmonija susiduria nuo pat orbitinių skrydžių pradžios. Nuo žemės kylanti raketa sunaudoja beveik visą kurą, taip pat stiprintuvų ir pakopų įkrovas. Ir jei kosmodrome raketą vis tiek galima nuplėšti nuo žemės, pripildant didžiulį kiekį degalų, tai kosmose tiesiog nėra kur ir nėra ko pilti kuro. Tačiau patekus į orbitą reikia judėti toliau. O kuro nėra.
Ir tai yra pagrindinė šiuolaikinės astronautikos problema. Vis dar galima išmesti į orbitą laivą su kuro tiekimu į Mėnulį, remiantis šia teorija, planuojama sukurti bazę kuro papildymui „ilgojo nuotolio“ mėnulyje. erdvėlaivių pavyzdžiui, skrendant į Marsą. Bet viskas per daug sudėtinga.
Ir problemos sprendimas buvo sukurtas seniai, 1955 m., Kai Aleksejus Ivanovičius Morozovas paskelbė straipsnį „Apie plazmos pagreitį magnetiniu lauku“. Jame jis apibūdino iš esmės naujo kosminio variklio koncepciją.
Jonų plazminio variklio įtaisas
Veikimo principas plazminis variklis susideda iš to, kad nedegantis kuras veikia kaip darbinis skystis, kaip ir reaktyviniai varikliai, bet jonų srautas, magnetinio lauko pagreitintas iki beprotiško greičio.
Jonų šaltinis yra dujos, dažniausiai argonas arba vandenilis, dujų bakas yra pačioje variklio pradžioje, iš ten dujos tiekiamos į jonizacijos skyrių, gaunama šalta plazma, kuri šildoma kitame skyriuje. jonų ciklotrono rezonansinis šildymas. Po kaitinimo didelės energijos plazma tiekiama į magnetinį antgalį, kur ji paverčiama srautu. magnetinis laukas, įsibėgėja ir išstumiamas į aplinką. Taip pasiekiama trauka.
Nuo tada plazminiai varikliai nuėjo ilgą kelią ir buvo suskirstyti į keletą pagrindinių tipų, tai yra elektroterminiai varikliai, elektrostatiniai varikliai, didelės srovės arba magnetodinaminiai varikliai ir impulsiniai varikliai.
Savo ruožtu elektrostatiniai varikliai skirstomi į jonų ir plazmos (dalelių greitintuvai ant beveik neutralios plazmos).
Šiame straipsnyje rašysime apie šiuolaikinius jonų varikliai ir juos daug žadančių pokyčių, nes, mūsų nuomone, kosminio laivyno ateitis yra už jų.
Jonų variklis kaip degalus naudoja ksenoną arba gyvsidabrį. Pirmasis jonų variklis buvo vadinamas tinkliniu elektrostatiniu jonų varikliu.
Jo veikimo principas yra toks:
Jonizatorius maitinamas ksenonas, kuris pats savaime yra neutralus, bet jonizuojasi, kai jį bombarduoja didelės energijos elektronai. Taigi kameroje susidaro teigiamų jonų ir neigiamų elektronų mišinys. Norint „išfiltruoti“ elektronus, į kamerą įvedamas vamzdelis su katodiniais tinkleliais, kuris pritraukia elektronus į save.
Teigiami jonai pritraukiami į ištraukimo sistemą, kurią sudaro 2 arba 3 tinkleliai. Palaikoma tarp tinklelių didelis skirtumas elektrostatiniai potencialai (+1090 voltų viduje, prieš - 225 išorėje). Dėl jonų, patenkančių tarp tinklelių, jie pagreitėja ir išmetami į erdvę, pagreitindami laivą, pagal trečiąjį Niutono dėsnį.
rusiški jonų varikliai. Ant visų yra aiškiai matomi katodiniai vamzdeliai, nukreipti į purkštuką
Katodiniame vamzdyje įstrigę elektronai iš variklio išmetami nedideliu kampu purkštuko ir jonų srauto atžvilgiu. Tai daroma dėl dviejų priežasčių:
Pirma, kad laivo korpusas liktų neutraliai įkrautas, antra, kad taip „neutralizuoti“ jonai nebūtų pritraukti atgal į laivą.
Kad jonų variklis veiktų, tereikia dviejų dalykų – dujų ir elektros. Su pirmuoju viskas kaip tik gerai, 2007 metų rudenį paleisto amerikiečių tarpplanetinio aparato Dawn varikliui beveik 6 metams skristi prireiks vos 425 kilogramų ksenono. Palyginimui, TKS orbitai koreguoti naudojant įprastus raketų variklius kasmet išleidžiama 7,5 tonos kuro.
Vienas blogas dalykas – jonų varikliai turi labai mažą trauką, maždaug 50–100 miliwtonų, o judant Žemės atmosferoje to visiškai nepakanka. Tačiau erdvėje, kur pasipriešinimo praktiškai nėra, joninis variklis gali pasiekti nemažus greičius ilgai įsibėgėjant. Bendras greitis per visą „Dawn“ misijos trukmę bus maždaug 10 kilometrų per sekundę.
„Deep Space“ laivo jonų varomosios jėgos bandymas
Neseniai amerikiečių kompanijos Ad Astra Rocket atlikti bandymai, atlikti vakuuminėje kameroje, parodė, kad jų naujoji kintamo specifinio impulso magnetoplazminė raketa VASIMR VX-200 gali sukurti net 5 niutonus.
Antra problema – elektra. Tas pats VX-200 sunaudoja 201 kW energijos. saulės elementai tokio variklio tiesiog neužtenka. Todėl būtina išrasti naujus energijos gavimo būdus erdvėje. Čia yra du būdai – papildyti baterijas, pavyzdžiui, tričio, paleistos į orbitą kartu su laivu, arba autonominį branduolinį reaktorių, kuris maitins laivą viso skrydžio metu.
Dar 2006 m. Europos kosmoso agentūra ir Australijos nacionalinis universitetas (Australijos nacionalinis universitetas) sėkmingai išbandė naujos kartos kosminių jonų svaidiklius ir pasiekė rekordinį lygį.
Varikliai, kuriuose įkrautos dalelės greitinamos elektriniame lauke, žinomi jau seniai. Jie naudojami orientacijai, orbitos korekcijai kai kuriuose palydovuose ir tarpplanetinėse transporto priemonėse bei daugelyje kosmoso projektų (ir jau įgyvendintuose, ir ką tik sumanytuose – skaitykite, ir) – netgi kaip žygiuojantys.
Su jais specialistai sieja tolesnę Saulės sistemos plėtrą. Ir nors visų tipų vadinamieji elektriniai raketiniai varikliai yra daug prastesni už cheminius maksimalia trauka (gramais, palyginti su kilogramais ir tonomis), jie yra radikaliai pranašesni savo efektyvumu (kuro sąnaudos vienam gramui traukos per sekundę). Ir šis ekonomiškumas (specifinis impulsas) yra tiesiogiai proporcingas išmetamo reaktyvinio lėktuvo greičiui.
Taigi eksperimentiniame variklyje, pavadintame „Dual-Stage 4-Grid – DS4G“, pagamintame pagal ESA sutartį Australijoje, šis greitis pasiekė rekordinį 210 kilometrų per sekundę greitį.
Pavyzdžiui, tai yra 60 kartų didesnis nei gerų cheminių variklių išmetamųjų dujų greitis ir 4–10 kartų didesnis nei senųjų „joninių variklių“.
Kaip aiškėja iš kūrimo pavadinimo, šis greitis buvo pasiektas dviejų pakopų jonų pagreitinimo procesu, naudojant keturias nuoseklias gardeles (vietoj tradicinių vienos pakopos ir trijų gardelių), taip pat aukštos įtampos- 30 kilovoltų. Be to, išėjimo srovės spindulio skirtumas buvo tik 3 laipsniai, palyginti su maždaug 15 laipsnių ankstesnėse sistemose.
O štai pastarųjų dienų informacija.
Jonų variklis (ID) veikia paprastai: dujos iš bako (ksenonas, argonas ir kt.) jonizuojamos ir pagreitinamos elektrostatiniu lauku. Kadangi jono masė nedidelė ir jis gali gauti nemažą krūvį, jonai iš variklio išskrenda iki 210 km/s greičiu. Cheminiais varikliais galima pasiekti... ne, nieko panašaus, o tik dvidešimt kartų mažesnį degimo produktų išmetimo greitį tik išskirtiniais atvejais. Atitinkamai, dujų sąnaudos, palyginti su cheminio kuro sąnaudomis, yra labai mažos.
Štai kodėl tokie „ilgojo nuotolio“ zondai kaip Hayabusa, Deep Space One ir Dawn visiškai arba iš dalies dirbo su ID. Ir jei ketinate ne tik pagal inerciją skristi į tolimus dangaus kūnus, bet ir aktyviai manevruoti šalia jų, tada be tokių variklių neapsieisite.
2014 m. jonų varikliai švenčia savo 50-metį kosmose. Visą šį laiką erozijos problemos nepavyko išspręsti net pirmuoju aproksimavimu. (Čia ir toliau, NASA, Wikimedia Commons.)
Kaip ir visi geri dalykai, ID mėgsta būti maitinamas: vienam niutonui stūmos reikia iki 25 kW energijos. Įsivaizduokime, kad mums buvo pavesta į Plutoną paleisti 100 tonų sveriantį erdvėlaivį (atleiskite už svajingumą!). Idealiu atveju net Jupiteriui mums reikia 1000 niutonų traukos ir 10 mėnesių, o Neptūnui esant tokiai pat traukai - pusantrų metų. Apskritai, nekalbėkime apie Plutoną, kitaip tai kažkaip liūdna ...
Na, kad gautume šiuos iki šiol spekuliacinius 1000 niutonų, mums reikia 25 megavatų. Iš esmės nieko techniškai neįmanomo – 100 tonų laivas galėtų paimti branduolinį reaktorių. Beje, NASA ir JAV Energetikos departamentas šiuo metu dirba su dalijimosi paviršiaus galios projektu. Tiesa, kalbame apie bazes Mėnulyje ir Marse, o ne apie laivus. Tačiau reaktoriaus masė nėra tokia didelė - tik penkios tonos, kurių matmenys yra 3 × 3 × 7 m ...
Na, gerai, svajojo ir užtenka, sakai, ir iš karto prisimeni tą šlykštynę, kurią neva per Krymo karą sugalvojo Levas Tolstojus. Juk toks didelis jonų srautas, einantis per variklį (o tai yra esminė kliūtis), jį suardys, ir daug greičiau nei po dešimties mėnesių ar pusantrų metų. Be to, tai ne konstrukcinės medžiagos pasirinkimo problema – tokiomis sąlygomis bus sunaikintas ir titanas, ir deimantas, o neatsiejama joninio variklio konstrukcijos dalis per se.
Adaptuotas iš Gizmag. ir http://lab-37.com
Ar žinote, kad ji veikia Rusijoje, ar, pavyzdžiui, netrukus gali pasirodyti Originalus straipsnis yra svetainėje InfoGlaz.rf Nuoroda į straipsnį, iš kurio padaryta ši kopija -
Ateities kosminiai varikliai
Jonų variklio sukūrimas
Mes nuolat kalbame apie variklių tipai.
Su judėjimo erdvėje problema žmonija susiduria nuo pat orbitinių skrydžių pradžios. Nuo žemės kylanti raketa sunaudoja beveik visą kurą, taip pat stiprintuvų ir pakopų įkrovas. Ir jei kosmodrome raketą vis tiek galima nuplėšti nuo žemės, pripildant didžiulį kiekį degalų, tai kosmose tiesiog nėra kur ir nėra ko pilti kuro. Tačiau patekus į orbitą reikia judėti toliau. O kuro nėra.
Ir tai yra pagrindinė šiuolaikinės astronautikos problema. Vis dar galima išmesti į orbitą laivą su kuro tiekimu į Mėnulį, pagal šią teoriją planuojama Mėnulyje sukurti degalų papildymo bazę „tolimojo nuotolio“ erdvėlaiviams, skriejantiems, pavyzdžiui, į Marsą. Bet viskas per daug sudėtinga.
Ir problemos sprendimas buvo sukurtas seniai, 1955 m., Kai Aleksejus Ivanovičius Morozovas paskelbė straipsnį „Apie plazmos pagreitį magnetiniu lauku“. Jame jis apibūdino iš esmės naujo kosminio variklio koncepciją.
Jonų plazminio variklio įtaisas
Veikimo principas plazminis variklis yra tai, kad darbinis skystis yra ne degalai, kaip ir, o jonų srautas, pagreitintas magnetinio lauko iki beprotiško greičio.
Jonų šaltinis yra dujos, dažniausiai argonas arba vandenilis, dujų bakas yra pačioje variklio pradžioje, iš ten dujos tiekiamos į jonizacijos skyrių, gaunama šalta plazma, kuri šildoma kitame skyriuje. jonų ciklotrono rezonansinis šildymas. Po kaitinimo didelės energijos plazma tiekiama į magnetinį antgalį, kur magnetinio lauko pagalba suformuojama į srautą, pagreitinama ir išleidžiama į aplinką. Taip pasiekiama trauka.
Nuo tada plazminiai varikliai nuėjo ilgą kelią ir buvo suskirstyti į keletą pagrindinių tipų, tai yra elektroterminiai varikliai, elektrostatiniai varikliai, didelės srovės arba magnetodinaminiai varikliai ir impulsiniai varikliai.
Savo ruožtu elektrostatiniai varikliai skirstomi į jonų ir plazmos (dalelių greitintuvai ant beveik neutralios plazmos).
Šiame straipsnyje rašysime apie šiuolaikinius jonų varikliai ir jų daug žadančių pokyčių, nes, mūsų nuomone, kosminio laivyno ateitis yra už jų.
Jonų variklis kaip degalus naudoja ksenoną arba gyvsidabrį. Pirmasis jonų variklis buvo vadinamas tinkliniu elektrostatiniu jonų varikliu.
Jo veikimo principas yra toks:
Jonizatorius maitinamas ksenonas, kuris pats savaime yra neutralus, bet jonizuojasi, kai jį bombarduoja didelės energijos elektronai. Taigi kameroje susidaro teigiamų jonų ir neigiamų elektronų mišinys. Norint „išfiltruoti“ elektronus, į kamerą įvedamas vamzdelis su katodiniais tinkleliais, kuris pritraukia elektronus į save.
Teigiami jonai pritraukiami į ištraukimo sistemą, kurią sudaro 2 arba 3 tinkleliai. Tarp tinklelių išlaikomas didelis elektrostatinių potencialų skirtumas (+1090 voltų viduje prieš -225 voltų išorėje). Dėl jonų, patenkančių tarp tinklelių, jie pagreitėja ir išmetami į erdvę, pagreitindami laivą, pagal trečiąjį Niutono dėsnį.
rusiški jonų varikliai. Ant visų yra aiškiai matomi katodiniai vamzdeliai, nukreipti į purkštuką
Katodiniame vamzdyje įstrigę elektronai iš variklio išmetami nedideliu kampu purkštuko ir jonų srauto atžvilgiu. Tai daroma dėl dviejų priežasčių:
Pirma, kad laivo korpusas liktų neutraliai įkrautas, antra, kad taip „neutralizuoti“ jonai nebūtų pritraukti atgal į laivą.
Kad jonų variklis veiktų, tereikia dviejų dalykų – dujų ir elektros. Su pirmuoju viskas kaip tik gerai, 2007 metų rudenį paleisto amerikiečių tarpplanetinio aparato Dawn varikliui beveik 6 metams skristi prireiks vos 425 kilogramų ksenono. Palyginimui, TKS orbitai koreguoti naudojant įprastus raketų variklius kasmet išleidžiama 7,5 tonos kuro.
Vienas blogas dalykas – joniniai varikliai turi labai mažą trauką, maždaug 50–100 miliwtonų, o judant Žemės atmosferoje to visiškai nepakanka. Tačiau erdvėje, kur pasipriešinimo praktiškai nėra, joninis variklis gali pasiekti nemažus greičius ilgai įsibėgėjant. Bendras greitis per visą „Dawn“ misijos trukmę bus maždaug 10 kilometrų per sekundę.
„Deep Space“ laivo jonų varomosios jėgos bandymas
Neseniai amerikiečių kompanijos Ad Astra Rocket atlikti bandymai, atlikti vakuuminėje kameroje, parodė, kad jų naujoji kintamo specifinio impulso magnetoplazminė raketa VASIMR VX-200 gali sukurti net 5 niutonus.
Antra problema – elektra. Tas pats VX-200 sunaudoja 201 kW energijos. Tokiam varikliui saulės baterijų tiesiog neužtenka. Todėl būtina išrasti naujus energijos gavimo būdus erdvėje. Čia yra du būdai – papildyti baterijas, pavyzdžiui, tričio, paleistos į orbitą kartu su laivu, arba autonominį branduolinį reaktorių, kuris maitins laivą viso skrydžio metu.
Antruoju atveju erdvės sąlygomis ir jos žemos temperatūrosįdomesnis yra laivo su termobranduoliniu reaktoriumi laive projektas, tačiau kol kas NASA kuria tik branduolinį reaktorių.
Šie tyrimai atliekami kaip „Prometheus“ projekto dalis. NASA planuoja į Saulės sistemą paleisti branduolinį zondą, aprūpintą galingais jonų varikliais, varomais laive esančio branduolinio reaktoriaus.
Paskutinis bandomasis video jonų variklis VX-200.
Europos kosmoso agentūra išbandė reaktyvinį jonų variklį, naudodama orą iš supančios atmosferos kaip darbinį skystį. Spėjama, kad nedideli palydovai su tokiu varikliu galės būti 200 kilometrų ar mažesnio aukščio orbitose beveik neribotą laiką, teigiama agentūros pranešime spaudai.
Joninių variklių veikimo principas pagrįstas dujų dalelių jonizacija ir jų pagreitinimu naudojant elektrostatinį lauką. Dujų dalelės tokiuose varikliuose žymiai pagreitėja dideliu greičiu, nei cheminiuose varikliuose, todėl jonų varikliai turi daug didesnį specifinį impulsą ir sunaudoja mažiau degalų. Tačiau jonų variklis turi ir svarbus trūkumas- ypač maža trauka, palyginti su cheminiais varikliais. Dėl šios priežasties jie retai naudojami praktikoje, daugiausia mažuose įrenginiuose. Pavyzdžiui, tokie varikliai naudojami zonde „Dawn“, šiuo metu skriejančiame aplink nykštukinę Cereros planetą, ir bus naudojami „BepiColombo“ misijoje, kuri į Merkurijų turėtų pakilti 2018 metų pabaigoje.
Kaip ir cheminė varomoji jėga, šiuo metu naudojamos jonų varymo sistemos naudoja kurą, paprastai ksenoną. Tačiau taip pat yra tiesioginio srauto joninių variklių koncepcija, kuri vis dėlto dar nebuvo naudojama transporto priemonėse, skrendančiose į kosmosą. Jo skirtumas slypi tame, kad kaip darbinį skystį siūloma naudoti ne galutinį dujų tiekimą, įpiltą į baką prieš paleidimą, o orą iš Žemės atmosferos ar kito atmosferos kūno.
Variklio veikimo schema
ESA-A. Di Giacomo
Daroma prielaida, kad palyginti mažas aparatas su tokiu varikliu galės būti praktiškai neribotas žemose orbitose, kurių aukštis apie 150 kilometrų, atmosferinį stabdymą kompensuodamas variklio, veikiančio iš atmosferos patenkančiu oru, trauka. 2009 metais ESA paleido palydovą GOCE, kuris 255 kilometrų orbitoje galėjo išbūti beveik penkerius metus dėl nuolat veikiančio jonų variklio su ksenono atsarga. Nuo tada agentūra kūrė ramjetinį jonų privaterį, skirtą panašiems žemos orbitos palydovams, ir dabar atliko pirmuosius tokio privairavimo įrenginio bandymus.
Bandymai vyko vakuuminėje kameroje, kurioje buvo variklis. Iš pradžių į jį buvo paduodamas pagreitintas ksenonas. Po to į dujų paėmimo įrenginį buvo įpiltas deguonies ir azoto mišinys, imituojant atmosferą 200 kilometrų aukštyje. Pasibaigus bandymams, inžinieriai atliko bandymus tik su oro mišinys norėdami patikrinti veikimą pagrindiniu režimu.
Variklio bandymai naudojant orą kaip kurą
Tiesioginio srauto jonų variklis
