Milzīgs elektriskās piedziņas dzinējs ar rekordlielu veiktspēju izturēja zemes pārbaudi ar slodzi, kas pārsniedza nominālvērtību. Jaunpienācējs apvieno pienācīgu saķeri ar ekonomiju. Un tas ļauj cerēt uz jaunu kārtu kosmosa nozares attīstībā.
Jonu piedziņa mums ir labi zināma no zinātniskās fantastikas romāniem. Tās darbības princips ir gāzes jonizācija un tās paātrināšana ar elektrostatisko lauku. Joni nodrošina daudz mazāku vilces spēku nekā ķīmiskā degviela, tāpēc šāds dzinējs nespētu dot raķetei pat pirmo kosmosa ātrumu. Bet, ja jūs to palaižat kosmosā, tas var burtiski darboties gadiem ilgi, paātrinot kuģi līdz nepieredzētam ātrumam.
Dažās kosmosa misijās jau ir izmantoti šādi dzinēji, tostarp Japānas kosmosa kuģis Hayabusa (2005, lidojums uz asteroīdu Itokawa), kā arī ASV kosmosa kuģis Dawn, kas 2007. gada septembrī startēja uz asteroīdiem Vesta un Ceres.
Bet jauns modelis dzinējs ar nosaukumu VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) būs simtiem reižu jaudīgāks par iepriekšējiem jonu dzinējiem, jo argona jonu paātrināšanas procesā tiks izmantoti nevis standarta metāla režģi, bet gan radiofrekvenču ģenerators, kas nenonāk fiziskajā kontaktā. ar gāzi, piemēram, režģi.
Uzņēmums Ad Astra Rocket ir izmēģinājis līdz šim jaudīgāko plazmas raķešu dzinēju. VASIMR VX-200 (par kuru mēs runājām ne tik sen) vakuuma kamerā darbojās ar 201 kW, pirmo reizi pārkāpjot 200 kW robežu. Pārbaude arī apstiprināja, ka maza mēroga prototips VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) spēj darboties pilna jauda. "Šī šodien ir pasaulē jaudīgākā plazmas raķete," saka bijušais astronauts un Ad Astra izpilddirektors Franklins Čangs-Diazs.
Uzņēmums noslēdza līgumu ar NASA par dzinēja veiktspējas testu veikšanu Starptautiskajā kosmosa stacijā (SKS) 2013. gadā. Tas radīs periodiskus stacijas "pastiprinājumus", kas pastāvīgi samazinās mijiedarbības ar atmosfēru dēļ. Šobrīd šādas operācijas veic kuģu mazas vilces dzinēji, patērējot aptuveni 7,5 tonnas raķešu degvielas gadā. Cheng-Diaz apgalvo, ka, samazinot šo daudzumu līdz 0,3 tonnām, VASIMR ietaupīs NASA miljonus ik gadu.
Taču Ad Astra ir vērienīgāki plāni. Piemēram, misijas uz Marsu liels ātrums. 10MW vai 20MW VASIMR spētu nogādāt cilvēkus uz sarkano planētu 39 dienās, savukārt parastajām raķetēm būtu nepieciešami seši mēneši, ja ne vairāk. Jo īsāks ceļojums, jo mazāk astronauti tiks pakļauti kosmiskajam starojumam, kas ir būtisks šķērslis.
Inovācijas jonu dzinējs var pielāgot arī lielākām kravām robotu misijās, lai gan lidojuma ātrums tiks samazināts. Cheng-Diaz ir strādājis pie VASIMR koncepcijas izstrādes kopš 1979. gada, ilgi pirms biznesa dibināšanas 2005. gadā. Tehnoloģija ietver radioviļņu izmantošanu gāzu (ūdeņraža, argona, neona) karsēšanai, veidojot augstas temperatūras plazmu. Magnētiskie lauki to izspiež no dzinēja, kas rada strūklas vilce. Lielā ātruma rezultātā, kas tiek sasniegts nepārtrauktā tā uzkrāšanās procesā, daudz mazāk degvielas nekā par parastie dzinēji. Turklāt VASIMR dizains novērš elektrodu fizisko kontaktu ar plazmu, kas nozīmē, ka kalpošanas laiks tiek pagarināts.
Kā VASIMR darbojas testa kamerā, var redzēt šajā video. Tiesa, tas attiecas uz ilgstošu testu, kura laikā ierīce patērēja tikai 179 kilovatus. No tiem 30 kW tika izmantoti dzinēja pirmajā daļā, lai izveidotu plazmu, un 149 kW tika izmantoti, lai to uzsildītu un paātrinātu otrajā kamerā.
Ir vērts atgādināt amerikāņu starpplanētu zondi Dawn, kas startēja 2007. gada rudenī (2011. gadā tā sasniegs savu pirmo mērķi Vesta). Lai paātrinātu līdz asteroīdu joslai, Dawn izmanto trīs jonu dzinējus, no kuriem katrs attīsta maksimālo vilces spēku 90 miljonu.
"Tas ir identisks viena piezīmjdatora papīra gabala svaram," tēlaini skaidro NASA. Jūs jautāsiet, kāda ir jēga? Fakts ir tāds, ka “joni” ir aptuveni 10 reizes efektīvāki nekā ķīmiskie. raķešu dzinēji. Konkrēti, Rītausmā stāvošo ierīču īpašais impulss ir 3100 sekundes.
Tāpēc 2100 darba dienām viņiem pietiks ar 425 kilogramiem darba šķidruma (ksenona). Pat ja Dawn paātrinājums ir acīm neredzams, kopējais ātruma pieaugums visas misijas laikā būs aptuveni 10 kilometri sekundē.
Un pati ierīce izrādījās salīdzinoši viegla (tonna un ceturtdaļa). Tāpēc tās palaišanai no Zemes bija nepieciešama mazākas klases (Delta II) raķete, tātad lētāka, salīdzinot ar to, kas būtu nepieciešama, lai orbītā paceltu hipotētisku asteroīdu pētnieku, kas būvēts uz ķīmisko dzinēju bāzes.
VX-200 īpašais impulss ir aptuveni 5000 sekundes. Kopumā tas var mainīties, kas atspoguļojas ierīces nosaukumā. Lielāku efektivitāti var iegūt pie mazas vilces, mazāku - pie maksimālās.
Tātad jūs varat mainīt galvenā dzinēja darbības režīmu atkarībā no kosmosa kuģa misijas mērķiem. Kaut kur jūs varat atļauties tērēt nedaudz vairāk darba šķidruma, bet samazināt lidojuma laiku, kaut kur, gluži pretēji, izpildīt uzdevumu ilgāk, bet ar minimālu "degvielas" patēriņu, kas nozīmē - minimālais svars aparātu.
Šeit jāatzīmē, ka VASIMR apgalvo, ka tā ir sava veida starpposma iespēja, lai radītu vilci kosmosā. Starp ķīmiskajiem pastiprinātājiem (jaudīgiem, bet rijīgiem) un ārkārtīgi sīkiem elektriskiem raķešu dzinējiem, kas var būt daudz ekonomiskāki par pat VX-200, taču vilces spēks būs tikai grama daļa.
VASIMR ir vēl viena priekšrocība salīdzinājumā ar konkurentiem no elektriskās piedziņas nometnes kopumā: tajā plazma nevienā vietā nesaskaras ar ierīces detaļām, bet tikai saskaras ar laukiem.
Tas nozīmē, ka Ad Astra ierīce varēs strādāt daudzus mēnešus un pat gadus bez struktūras degradācijas – tas, kas nepieciešams, lai paātrinātu kosmosa kuģus ceļā uz Saules sistēmas dziļumiem vai koriģētu satelītu orbītu. Klasiskajiem jonu raķešu dzinējiem ir sāpīgs punkts - elektrodu režģu erozija. VASIMR to vienkārši nav.
Ad Astra Rocket ir bagāti VASIMR plāni vairākos projektos. Tādējādi saskaņā ar līgumu ar ASV kosmosa aģentūru 2013. gadā VX-200 lidojuma versija ar nosaukumu VF-200-1 būtu jātestē uz SKS. Patlaban izstrādes stadijā esošās ierīces pamatā būs VX-200 vispārīgais dizains, taču tā sastāvēs no diviem praktiski paralēliem dzinējiem, katrs pa 100 kilovatiem.
(Interesanti, ka Ad Astra Rocket risina sarunas par VF-200-1 piegādi uz staciju, izmantojot privātu pārvadātāju no SpaceX vai Orbital Sciences).
VF-200-1 mēģinās paaugstināt stacijas orbītu, kas regulāri “nokaras” vāja bremzēšana atmosfēras paliekās pat 400 kilometru augstumā. VF-200-1 sporādiski ieslēgsies uz īsu laiku (vairākas minūtes). Un tā kā jauda, ko tas paņem no tīkla, ir ļoti liela, dzinējam ir jāpatērē tajā uzkrātā enerģija īpašas baterijas, kas savukārt plazmas paātrinātāja darbības paužu laikā pakāpeniski tiks uzlādēta no SKS saules paneļiem.
Ja pārbaude ir veiksmīga, staciju var pārcelt uz šo orbītas paaugstināšanas metodi. Un tas sola lielus ietaupījumus. Galu galā pašreizējā orbītas pacelšanas versija (ar piegādes transporta kuģu ķīmisko dzinēju palīdzību) nozīmē 7,5 tonnu degvielas patēriņu gadā, savukārt VASIMR vienam un tam pašam mērķim būs nepieciešami 300 kilogrami argona gadā. Tehnoloģiju izredzes ir vēl vilinošākas.
Pamatojoties uz vienu vai vairākiem VF-200-1, uzņēmums uzskata, ka ir iespējams uzbūvēt bezpilota kravas automašīnu, kas transportēs lielas kravas no zemās Zemes orbītas uz Mēness orbītu. Šos dzinējus darbinātu saules paneļi.
Šādai ierīcei, visticamāk, būtu nepieciešama iebūvēta atomelektrostacija - vajadzīgās jaudas saules paneļi iznāktu vienkārši zvērīgi lieli.
Par to, ka elektriskie raķešu dzinēji liela attāluma misijām “pieprasa” kodoldegvielu, eksperti runājuši jau ilgu laiku. Tagad šāda ģeneratora būvniecībā nav būtisku un neatrisināmu grūtību.
Vēl nav noņemti visi jautājumi par paša VASIMR darba sarežģītību. Zinātniekiem ir jāpalielina sistēmas kopējā efektivitāte un jāatrod Labākais veids atbrīvojoties no liekā siltuma, ko izkliedē šāds dzinējs. Bet kopumā tehnoloģija jau tuvojas stadijai, kad tikai uz zemes izvietotām eksperimentālajām iekārtām vajadzētu radīt modifikācijas, kuras paredzēts nosūtīt orbītā. Čans Diazs un viņa kolēģi uzskata, ka VASIMR tipa dzinēju komerciālās versijas tirgū var parādīties 2014. gadā.
Cilvēks kosmosā devās, pateicoties šķidro un cieto degvielu raķešu dzinējiem. Taču viņi arī apšaubīja kosmosa lidojumu efektivitāti. Lai salīdzinoši mazais vismaz "uzķertos", tie tiek uzstādīti virsū iespaidīga izmēra nesējraķetei. Un pati raķete patiesībā ir lidojoša tvertne, kuras lauvas tiesa ir rezervēta degvielai. Kad tas viss ir izlietots līdz pēdējam pilienam, uz kuģa paliek niecīgs krājums.
Lai nenokristu uz Zemi, tas periodiski paaugstina savu orbītu ar impulsiem.Degvielu tiem - apmēram 7,5 tonnas - ar automātiskiem kuģiem piegādā vairākas reizes gadā. Bet tāda degvielas uzpildīšana ceļā uz Marsu nav gaidāma. Vai nav pienācis laiks atvadīties no novecojušām shēmām un pievērst uzmanību modernākam jonu dzinējam?
Lai tas iedarbotos, nevajag ārprātīgus degvielas daudzumus. Tikai gāze un elektrība. Elektrība kosmosā tiek ģenerēta, uztverot saules bateriju izstaroto gaismu. Jo tālāk no zvaigznes, jo mazāka to jauda, tāpēc nāksies izmantot vairāk un gāze nonāk primārajā sadegšanas kamerā, kur to bombardē elektroni un jonizē. Iegūtā aukstā plazma tiek nosūtīta uz sildīšanu un pēc tam uz magnētisko sprauslu paātrinājumam. Jonu dzinējs izspiež no sevis karstu plazmu ar ātrumu, kas nav pieejams parastajiem raķešu dzinējiem. Un tas saņem vajadzīgo stimulu.
Darbības princips ir tik vienkāršs, ka jūs varat savākt demonstrācijas jonu dzinēju ar savām rokām. Ja ratiņa formas elektrods ir iepriekš līdzsvarots, novietots uz adatas gala un tiek pielikts augsts spriegums, elektroda asajos galos parādīsies zils mirdzums, ko rada no tiem izplūstošie elektroni. To izbeigšanās radīs vāju reaktīvo spēku, elektrods sāks griezties.
Diemžēl jonu dzinējiem ir tik niecīga jauda, ka tie nevar pacelt kosmosa kuģi no Mēness virsmas, nemaz nerunājot par palaišanu uz zemes. Visskaidrāk to var redzēt, ja salīdzinām abus kuģus, kas dodas uz Marsu. Šķidrās degvielas kuģis sāks lidojumu pēc dažu minūšu intensīva paātrinājuma un pavadīs nedaudz mazāk laika, samazinot ātrumu Sarkanās planētas tuvumā. Kuģis ar jonu dzinējiem divus mēnešus paātrinās lēnām spirālē, un tāda pati operācija to gaida arī Marsa tuvumā ...
Un tomēr jonu dzinējs jau ir atradis savu pielietojumu: tas ir aprīkots ar vairākiem bezpilota kosmosa kuģiem, kas nosūtīti ilgstošās izlūkošanas misijās uz Saules sistēmas tuvākajām un tālākajām planētām, uz asteroīdu joslu.
Jonu dzinējs ir tas pats bruņurupucis, kas apdzina ātrkājaino Ahilleju. Iztērējot visu degvielu dažu minūšu laikā, šķidrais dzinējs apklust uz visiem laikiem un kļūst par nederīgu dzelzs gabalu. Un plazma var strādāt gadiem ilgi. Iespējams, ka tie tiks aprīkoti ar pirmo kosmosa kuģi, kas zem gaismas ātrumā dosies uz Zemei tuvāko zvaigzni. Tiek pieņemts, ka lidojums prasīs tikai 15-20 gadus.
2013. gada 9. marts
Ar kustību kosmosā problēma cilvēce ir saskārusies kopš orbitālo lidojumu sākuma. Raķete, kas paceļas no zemes, patērē gandrīz visu degvielu, kā arī pastiprinātāju un pakāpju lādiņus. Un, ja kosmodromā raķeti vēl var noraut no zemes, piepildot to ar milzīgu degvielas daudzumu, tad kosmosā vienkārši nav kur un nav ko uzpildīt. Bet pēc nokļūšanas orbītā jums jādodas tālāk. Un degvielas nav.
Un tā ir mūsdienu astronautikas galvenā problēma. Joprojām ir iespējams izmest orbītā kuģi ar degvielas padevi uz Mēnesi, saskaņā ar šo teoriju tiek plānots izveidot bāzi degvielas uzpildei "tālsatiksmes" uz Mēness. kosmosa kuģi piemēram, lidojot uz Marsu. Bet tas viss ir pārāk sarežģīti.
Un problēmas risinājums tika izveidots jau sen, tālajā 1955. gadā, kad Aleksejs Ivanovičs Morozovs publicēja rakstu "Par plazmas paātrinājumu ar magnētisko lauku". Tajā viņš aprakstīja principiāli jauna kosmosa dzinēja koncepciju.
Jonu plazmas dzinēja ierīce
Darbības princips plazmas dzinējs sastāv no tā, ka nedegošā degviela darbojas kā darba šķidrums, kā tas ir reaktīvie dzinēji, bet jonu plūsma, ko magnētiskais lauks paātrina līdz neprātīgam ātrumam.
Jonu avots ir gāze, parasti argons vai ūdeņradis, gāzes tvertne atrodas pašā dzinēja sākumā, no turienes gāze tiek piegādāta jonizācijas nodalījumā, tiek iegūta aukstā plazma, kas tiek uzkarsēta nākamajā nodalījumā ar jonu ciklotrona rezonanses karsēšana. Pēc karsēšanas augstas enerģijas plazma tiek ievadīta magnētiskajā sprauslā, kur tā tiek veidota plūsmā. magnētiskais lauks, paātrina un tiek izmests vidi. Šādi tiek panākta saķere.
Kopš tā laika plazmas dzinēji ir nogājuši garu ceļu un ir sadalīti vairākos galvenajos veidos, tie ir elektrotermiskie dzinēji, elektrostatiskie dzinēji, augstas strāvas vai magnetodinamiskie dzinēji un impulsu dzinēji.
Savukārt elektrostatiskos dzinējus iedala jonu un plazmā (daļiņu paātrinātāji uz kvazineitrālas plazmas).
Šajā rakstā mēs rakstīsim par mūsdienu jonu dzinēji un viņiem daudzsološa attīstība, jo, mūsuprāt, kosmosa flotes nākotne ir aiz muguras.
Jonu dzinējs kā degvielu izmanto vai nu ksenonu, vai dzīvsudrabu. Pirmo jonu dzinēju sauca par režģa elektrostatisko jonu dzinēju.
Tās darbības princips ir šāds:
Jonizators tiek padots ksenons, kas pati par sevi ir neitrāla, bet jonizējas, kad to bombardē augstas enerģijas elektroni. Tādējādi kamerā veidojas pozitīvo jonu un negatīvo elektronu maisījums. Lai “filtrētu” elektronus, kamerā tiek ienesta caurule ar katoda režģiem, kas piesaista elektronus sev.
Pozitīvie joni tiek piesaistīti ekstrakcijas sistēmai, kas sastāv no 2 vai 3 režģiem. Atbalstīti starp režģiem liela atšķirība elektrostatiskie potenciāli (+1090 volti iekšpusē pret - 225 ārpusē). Starp režģiem nokrītot jonu rezultātā tie tiek paātrināti un izmesti kosmosā, paātrinot kuģi, saskaņā ar Ņūtona trešo likumu.
Krievu jonu dzinēji. Katoda caurules, kas vērstas pret sprauslu, ir skaidri redzamas visās
Katoda caurulē iesprostotie elektroni tiek izmesti no dzinēja nelielā leņķī pret sprauslu un jonu plūsmu. Tas tiek darīts divu iemeslu dēļ:
Pirmkārt, lai kuģa korpuss paliktu neitrāli uzlādēts, otrkārt, lai šādi "neitralizētie" joni netiktu piesaistīti atpakaļ kuģim.
Lai jonu dzinējs darbotos, nepieciešamas tikai divas lietas – gāze un elektrība. Ar pirmo viss ir tikai labi, amerikāņu starpplanētu aparāta Dawn dzinējam, kas tika palaists 2007. gada rudenī, gandrīz 6 gadus vajadzēs tikai 425 kilogramus ksenona. Salīdzinājumam, katru gadu tiek iztērētas 7,5 tonnas degvielas, lai koriģētu SKS orbītu, izmantojot parastos raķešu dzinējus.
Viena sliktā lieta - jonu dzinējiem ir ļoti mazs vilces spēks, apmēram 50-100 milliwtons, kas ir absolūti nepietiekams, pārvietojoties Zemes atmosfērā. Bet kosmosā, kur praktiski nav pretestības, jonu dzinējs ilgstoša paātrinājuma laikā var sasniegt ievērojamus ātrumus. Kopējais ātruma pieaugums visā Dawn misijas laikā būs aptuveni 10 kilometri sekundē.
Jonu dzinēja tests Deep Space kuģim
Nesenie amerikāņu uzņēmuma Ad Astra Rocket veiktie testi, kas veikti vakuuma kamerā, parādīja, ka viņu jaunā mainīgā specifiskā impulsa magnētiskā raķete VASIMR VX-200 spēj radīt vilci jau 5 ņūtonus.
Otrs jautājums ir elektrība. Tas pats VX-200 patērē 201 kW enerģijas. saules paneļi ar šādu dzinēju vienkārši nepietiek. Tāpēc ir nepieciešams izgudrot jaunus enerģijas iegūšanas veidus kosmosā. Šeit ir divi veidi - uzpildīt akumulatorus, piemēram, tritiju, kas orbītā palaists kopā ar kuģi, vai autonoms kodolreaktors, kas nodrošinās kuģa barošanu visa lidojuma laikā.
Vēl 2006. gadā Eiropas Kosmosa aģentūra un Austrālijas Nacionālā universitāte (Austrālijas Nacionālā universitāte) veiksmīgi testēja jaunas paaudzes kosmosa jonu dzinējus, sasniedzot rekordaugstu līmeni.
Dzinēji, kuros uzlādētas daļiņas tiek paātrinātas elektriskā laukā, ir zināmi jau sen. Tos izmanto orientācijai, orbītas korekcijai uz dažiem satelītiem un starpplanētu transportlīdzekļiem, kā arī vairākos kosmosa projektos (gan jau īstenotos, gan tikko iecerētos - lasīt un) - pat kā soļojošus.
Ar tiem eksperti saista turpmāko Saules sistēmas attīstību. Un, lai gan visas tā saukto elektrisko raķešu dzinēju šķirnes ir daudz zemākas par ķīmiskajiem pēc maksimālās vilces (grami pret kilogramiem un tonnām), tie ir radikāli labāki efektivitātes ziņā (degvielas patēriņš uz gramu vilces spēka sekundē). Un šī ekonomija (īpašais impulss) ir tieši proporcionāls izmestās strūklas ātrumam.
Tātad eksperimentālajā dzinējā ar nosaukumu "Dual-Stage 4-Grid - DS4G", kas izgatavots saskaņā ar ESA līgumu Austrālijā, šis ātrums sasniedza rekordu - 210 kilometrus sekundē.
Tas, piemēram, ir 60 reizes lielāks nekā labu ķīmisko dzinēju izplūdes ātrums un 4-10 reizes lielāks nekā vecajiem "jonu dzinējiem".
Kā noprotams no izstrādes nosaukuma, šis ātrums panākts ar divpakāpju jonu paātrināšanas procesu, izmantojot četrus secīgus režģus (tradicionālā viena posma un trīs režģu vietā), kā arī augstsprieguma- 30 kilovolti. Turklāt izejas strūklas stara novirze bija tikai 3 grādi, salīdzinot ar aptuveni 15 grādiem iepriekšējām sistēmām.
Un šeit ir pēdējo dienu informācija.
Jonu dzinējs (ID) darbojas vienkārši: gāze no tvertnes (ksenons, argons utt.) tiek jonizēta un paātrināta ar elektrostatisko lauku. Tā kā jona masa ir maza un tas var saņemt ievērojamu lādiņu, joni izlido no dzinēja ar ātrumu līdz 210 km/s. Ķīmiskie dzinēji var sasniegt ... nē, neko tādu, bet tikai divdesmit reizes mazāku sadegšanas produktu izplūdes ātrumu tikai izņēmuma gadījumos. Attiecīgi gāzes patēriņš salīdzinājumā ar ķīmiskās degvielas patēriņu ir ārkārtīgi mazs.
Tāpēc tādas “tāla darbības rādiusa” zondes kā Hayabusa, Deep Space One un Dawn pilnībā vai daļēji strādājušas pie ID. Un, ja jūs gatavojaties ne tikai pēc inerces lidot uz tāliem debess ķermeņiem, bet arī aktīvi manevrēt to tuvumā, tad bez šādiem dzinējiem jūs nevarat iztikt.
2014. gadā jonu dzinēji svin savu 50. gadadienu kosmosā. Visu šo laiku erozijas problēmu nevarēja atrisināt pat pirmajā tuvinājumā. (Šeit un tālāk sk. NASA, Wikimedia Commons.)
Tāpat kā visas labās lietas, arī ID patīk būt barotam: vienam vilces ņūtonam ir nepieciešama līdz 25 kW enerģijas. Iedomāsimies, ka mums bija uzdots palaist 100 tonnu smagu kosmosa kuģi uz Plutonu (piedodiet par sapņainību!). Ideālā gadījumā pat Jupiteram mums vajag 1000 ņūtonu vilces spēku un 10 mēnešus, bet Neptūnam ar tādu pašu vilci - pusotru gadu. Vispār par Plutonu nerunāsim, citādi kaut kā skumji...
Lai iegūtu šos līdz šim spekulatīvos 1000 ņūtonus, mums ir nepieciešami 25 megavati. Principā nekas tehniski neiespējams - 100 tonnu kuģis varētu paņemt kodolreaktoru. Starp citu, NASA un ASV Enerģētikas departaments šobrīd strādā pie Fission Surface Power projekta. Tiesa, runa ir par bāzēm uz Mēness un Marsa, nevis par kuģiem. Bet reaktora masa nav tik liela - tikai piecas tonnas, ar izmēriem 3 × 3 × 7 m ...
Nu labi, nosapņojis un ar to pietiek, tu saki, un uzreiz atceries Ļevs Tolstojs it kā Krimas kara laikā izgudroto sīko. Galu galā tik liela jonu plūsma, kas iet cauri dzinējam (un tas ir galvenais šķērslis), izraisīs tā eroziju, turklāt daudz ātrāk nekā pēc desmit mēnešiem vai pusotra gada. Turklāt tā nav konstrukcijas materiāla izvēles problēma - tādos apstākļos tiks iznīcināts gan titāns, gan dimants, bet gan jonu dzinēja konstrukcijas neatņemama sastāvdaļa kā tāda.
Adaptēts no Gizmag. un http://lab-37.com
Vai zini, ka tā darbojas Krievijā, vai, piemēram, drīz var parādīties Oriģinālais raksts ir vietnē InfoGlaz.rf Saite uz rakstu, no kura izgatavota šī kopija -
Nākotnes kosmosa dzinēji
Jonu dzinēja izveide
Mēs turpinām runāt par dzinēju veidi.
Ar kustību kosmosā problēma cilvēce ir saskārusies kopš orbitālo lidojumu sākuma. Raķete, kas paceļas no zemes, patērē gandrīz visu degvielu, kā arī pastiprinātāju un pakāpju lādiņus. Un, ja kosmodromā raķeti vēl var noraut no zemes, piepildot to ar milzīgu degvielas daudzumu, tad kosmosā vienkārši nav kur un nav ko uzpildīt. Bet pēc nokļūšanas orbītā jums jādodas tālāk. Un degvielas nav.
Un tā ir mūsdienu astronautikas galvenā problēma. Joprojām ir iespējams izmest orbītā kuģi ar degvielas padevi uz Mēnesi, saskaņā ar šo teoriju tiek veidoti plāni uz Mēness izveidot degvielas uzpildes bāzi "tālajiem" kosmosa kuģiem, kas lido, piemēram, uz Marsu. Bet tas viss ir pārāk sarežģīti.
Un problēmas risinājums tika izveidots jau sen, tālajā 1955. gadā, kad Aleksejs Ivanovičs Morozovs publicēja rakstu "Par plazmas paātrinājumu ar magnētisko lauku". Tajā viņš aprakstīja principiāli jauna kosmosa dzinēja koncepciju.
Jonu plazmas dzinēja ierīce
Darbības princips plazmas dzinējs ir tas, ka darba šķidrums nededzina degvielu, kā tas ir, bet gan jonu plūsma, ko magnētiskais lauks paātrina līdz neprātīgam ātrumam.
Jonu avots ir gāze, parasti argons vai ūdeņradis, gāzes tvertne atrodas pašā dzinēja sākumā, no turienes gāze tiek piegādāta jonizācijas nodalījumā, tiek iegūta aukstā plazma, kas tiek uzkarsēta nākamajā nodalījumā ar jonu ciklotrona rezonanses karsēšana. Pēc karsēšanas lielas enerģijas plazma tiek ievadīta magnētiskajā sprauslā, kur tā ar magnētiskā lauka palīdzību tiek veidota plūsmā, paātrināta un izlaista vidē. Šādi tiek panākta saķere.
Kopš tā laika plazmas dzinēji ir nogājuši garu ceļu un ir sadalīti vairākos galvenajos veidos, tie ir elektrotermiskie dzinēji, elektrostatiskie dzinēji, augstas strāvas vai magnetodinamiskie dzinēji un impulsu dzinēji.
Savukārt elektrostatiskos dzinējus iedala jonu un plazmā (daļiņu paātrinātāji uz kvazineitrālas plazmas).
Šajā rakstā mēs rakstīsim par mūsdienu jonu dzinēji un to daudzsološo attīstību, jo, mūsuprāt, kosmosa flotes nākotne ir aiz muguras.
Jonu dzinējs kā degvielu izmanto vai nu ksenonu, vai dzīvsudrabu. Pirmo jonu dzinēju sauca par režģa elektrostatisko jonu dzinēju.
Tās darbības princips ir šāds:
Jonizators tiek padots ksenons, kas pati par sevi ir neitrāla, bet jonizējas, kad to bombardē augstas enerģijas elektroni. Tādējādi kamerā veidojas pozitīvo jonu un negatīvo elektronu maisījums. Lai “filtrētu” elektronus, kamerā tiek ienesta caurule ar katoda režģiem, kas piesaista elektronus sev.
Pozitīvie joni tiek piesaistīti ekstrakcijas sistēmai, kas sastāv no 2 vai 3 režģiem. Starp režģiem tiek saglabāta liela elektrostatisko potenciālu atšķirība (+1090 volti iekšpusē pret - 225 volti ārpusē). Starp režģiem nokrītot jonu rezultātā tie tiek paātrināti un izmesti kosmosā, paātrinot kuģi, saskaņā ar Ņūtona trešo likumu.
Krievu jonu dzinēji. Katoda caurules, kas vērstas pret sprauslu, ir skaidri redzamas visās
Katoda caurulē iesprostotie elektroni tiek izmesti no dzinēja nelielā leņķī pret sprauslu un jonu plūsmu. Tas tiek darīts divu iemeslu dēļ:
Pirmkārt, lai kuģa korpuss paliktu neitrāli uzlādēts, otrkārt, lai šādi "neitralizētie" joni netiktu piesaistīti atpakaļ kuģim.
Lai jonu dzinējs darbotos, nepieciešamas tikai divas lietas – gāze un elektrība. Ar pirmo viss ir tikai labi, amerikāņu starpplanētu aparāta Dawn dzinējam, kas tika palaists 2007. gada rudenī, gandrīz 6 gadus vajadzēs tikai 425 kilogramus ksenona. Salīdzinājumam, katru gadu tiek iztērētas 7,5 tonnas degvielas, lai koriģētu SKS orbītu, izmantojot parastos raķešu dzinējus.
Viena sliktā lieta - jonu dzinējiem ir ļoti maza vilce, apmēram 50-100 militivotonu, kas ir absolūti nepietiekama, pārvietojoties Zemes atmosfērā. Bet kosmosā, kur praktiski nav pretestības, jonu dzinējs ilgstoša paātrinājuma laikā var sasniegt ievērojamus ātrumus. Kopējais ātruma pieaugums visā Dawn misijas laikā būs aptuveni 10 kilometri sekundē.
Jonu dzinēja tests Deep Space kuģim
Nesenie amerikāņu uzņēmuma Ad Astra Rocket veiktie testi, kas veikti vakuuma kamerā, parādīja, ka viņu jaunā mainīgā specifiskā impulsa magnētiskā raķete VASIMR VX-200 spēj radīt pat 5 ņūtonus.
Otrs jautājums ir elektrība. Tas pats VX-200 patērē 201 kW enerģijas. Ar saules paneļiem šādam dzinējam vienkārši nepietiek. Tāpēc ir nepieciešams izgudrot jaunus enerģijas iegūšanas veidus kosmosā. Šeit ir divi veidi - uzpildīt akumulatorus, piemēram, tritiju, kas orbītā palaists kopā ar kuģi, vai autonoms kodolreaktors, kas nodrošinās kuģa barošanu visa lidojuma laikā.
Otrajā gadījumā kosmosa apstākļos un tā zemas temperatūras interesantāks ir kuģa projekts ar termokodolreaktoru uz klāja, bet pagaidām NASA attīsta tikai kodolreaktoru.
Šie pētījumi tiek veikti Prometheus projekta ietvaros. NASA plāno Saules sistēmā palaist kodolzondi, kas aprīkota ar jaudīgiem jonu dzinējiem, kurus darbina iebūvēts kodolreaktors.
Pēdējais testa video jonu dzinējs VX-200.
Eiropas Kosmosa aģentūra ir izmēģinājusi reaktīvo jonu dzinēju, kā darba šķidrumu izmantojot gaisu no apkārtējās atmosfēras. Tiek pieļauts, ka mazie satelīti ar šādu dzinēju gandrīz neierobežoti varēs atrasties orbītās 200 kilometru vai mazākā augstumā, teikts aģentūras paziņojumā presei.
Jonu dzinēju darbības princips ir balstīts uz gāzes daļiņu jonizāciju un to paātrināšanu, izmantojot elektrostatisko lauku. Gāzes daļiņas šādos dzinējos tiek ievērojami paātrinātas lieli ātrumi, nekā ķīmiskajos dzinējos, tāpēc jonu dzinējiem ir daudz lielāks īpatnējais impulss un tie patērē mazāk degvielas. Bet jonu dzinējam ir un svarīgs trūkums- ārkārtīgi zema vilce, salīdzinot ar ķīmiskajiem dzinējiem. Tāpēc praksē tos izmanto reti, galvenokārt mazās ierīcēs. Piemēram, šādi dzinēji tiek izmantoti zondē Dawn, kas šobrīd riņķo ap pundurplanētu Cereru, un tiks izmantota BepiColombo misijā, kurai 2018. gada beigās jādodas uz Merkuru.
Tāpat kā ķīmiskā piedziņa, pašlaik izmantotās jonu piedziņas sistēmas izmanto degvielas padevi, parasti ksenonu. Bet ir arī tiešās plūsmas jonu dzinēju koncepcija, kas tomēr vēl nav izmantota transportlīdzekļiem, kas lido kosmosā. Tās atšķirība slēpjas faktā, ka par darba šķidrumu tiek ierosināts izmantot nevis galīgo gāzes padevi, kas iepildīta tvertnē pirms palaišanas, bet gan gaisu no Zemes atmosfēras vai cita atmosfēras ķermeņa.
Dzinēja darbības diagramma
ESA-A. Di Džakomo
Tiek pieņemts, ka salīdzinoši neliels aparāts ar šādu dzinēju varēs būt praktiski neierobežots zemās orbītās aptuveni 150 kilometru augstumā, kompensējot atmosfēras bremzēšanu ar dzinēja vilces spēku, kas darbojas ar gaisu, kas tajā nonāk no atmosfēras. 2009. gadā ESA palaida GOCE satelītu, kas spēja noturēties 255 kilometrus garā orbītā gandrīz piecus gadus, pateicoties pastāvīgi ieslēgtam jonu dzinējam ar ksenona padevi. Kopš tā laika aģentūra ir izstrādājusi ramjet jonu dzinēju līdzīgiem zemas orbītas satelītiem, un tagad ir veikusi pirmos šāda dzinēja testus.
Pārbaudes notika vakuuma kamerā, kurā atradās dzinējs. Sākotnēji tajā tika ievadīts paātrināts ksenons. Pēc tam gāzes ieplūdes iekārtai tika pievienots skābekļa un slāpekļa maisījums, imitējot atmosfēru 200 kilometru augstumā. Pārbaužu beigās inženieri veica testus tikai ar gaisa maisījums lai pārbaudītu veiktspēju galvenajā režīmā.
Dzinēja testi ar gaisu kā degvielu
Tiešas plūsmas jonu dzinējs
