1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое плазменный двигатель холловского типа

Спутник убийца или благодетель: что запустила Россия в космос?

Россия запустила в космос маленький спутник, который проявляет удивительную прыткость на орбите. Западные эксперты задаются вопросом: это спутник-убийца, шпион или что-то еще?

Воображаемые советские космические лазеры

Все сразу вспомнили о временах холодной войны, когда такие системы разрабатывались США и СССР. Китай и сейчас совершенно открыто демонстрирует свои планы по ведению войны в космосе. Хотя не исключено, что маневрирующий в космосе объект в первую очередь имеет коммерческое значение. И самое интересное заключается не в том, что он там перемещается с одной орбиты на другую, приближаясь в том числе и к российским космическим объектам, а в том, как он это делает.

Что хочет, то и творит

Законы небесной механики – так называется раздел физики, описывающий движение небесных тел и спутников в космическом пространстве, – достаточно суровы. Там все не так, как на Земле: чтобы лететь быстрее, надо тормозить, чтобы медленнее – ускоряться. Смена орбиты требует значительных затрат топлива, и неслучайно огромная МКС ждет, когда к ней прилетит грузовой корабль «Прогресс», чтобы с помощью его двигателей и запасов топлива совершить нужный маневр.

При этом сама Земля вредит идеальным орбитам спутников. На низких орбитах, на высоте порядка 300 км, чувствуется тормозящее влияние атмосферы, на всех орбитах без исключения – неравномерность гравитации самой Земли. И чем дольше летает спутник вокруг нашей планеты, тем больше накапливается в его заданной орбите неправильностей. Их нужно корректировать, сжигая драгоценное топливо.

Однако объект 2014-28E горючее не экономил, совершая все лето самые разные маневры . Он то поднимался на высоту почти 1500 км, то опускался до 925 км, то приближался к летающему по орбите разгонному блоку «Бриз-КМ». Таинственный аппарат не только менял высоту орбиты, но и ее восхождение, то есть ориентацию орбиты относительно Земли.

С наступлением осени этот попрыгунчик не успокоился. Американцы переквалифицировали объект из категории «мусор» в «полезный груз». А 21 октября британский космический эксперт Роберт Кристи заявил, что Россия испытывает «военный спутник-инспектор», который был каталогизирован как «Космос-2499» (так как ракета «Рокот» официально вывела в космос спутники под номерами 2496, 2497, 2498). Кристи отметил, что 23 декабря 2013 года также запускались три спутника связи, но позже Россия зарегистрировала четыре космических аппарата, включая малый спутник «Космос-2491».

Интрига здесь заключается не в том, что аппараты маневрируют, и даже не в том, что про них нет никакой официальной информации, главное – это их миниатюрность и способность к столь активным маневрам. А вот это позволяет предположить, что они испытывают новые двигатели . Ну а если есть двигатели, то установить на спутник можно что угодно.

Проблемы и решения

Чтобы совершать маневры в космосе, нужно топливо. Оно должно истекать с максимально возможной скоростью и иметь максимально возможную массу, чтобы в итоге создать реактивную тягу. Быстрее всего летят кванты света, да вот только они крайне легкие, поэтому даже самый яркий фонарик вряд ли улетит к далеким мирам. Наши химические ракеты мощные, но очень прожорливые. Поэтому еще в 1960-е годы, на заре космонавтики, ученые стали искать альтернативные решения.

Читать еще:  Двигатель газель каменс сколько залить масла

Инженеры довольно быстро поняли, что для разных задач нужны разные двигатели. Одно дело – это рывок от Земли на орбиту. И совсем другое – маневры спутника на орбите или межпланетный полет. Одно дело – массивный космический корабль, другое – легкий спутник. Тут можно было бы обойтись маломощными, но экономными двигателями.

Вот ведь какая задача: если летать спутнику долго, или он должен будет делать маневры на орбите, то и топлива ему потребуется много. И тогда он уже не будет легким. А значит, и маломощные двигатели вопрос не решат. Что делать?

Пламя холловского двигателя напоминает о фантастических фильмах

Ученые и инженеры стали искать, чем можно заменить химические системы. И пришли к идее ионных и плазменных двигателей. В самом общем виде принцип их работы заключается в том, что они превращают атомы так называемого рабочего тела (это газ) в ионы. Ион отличается от простого атома тем, что у него есть электрический заряд. А раз у этого иона есть электрический заряд, значит, его можно разогнать в направленном электромагнитном поле. И он вылетит из двигателя, создав реактивную тягу.

Поскольку скорость истечения ионов может в десять и более раз превышать скорость истечения газов в обычном двигателе, можно обходиться меньшим количеством выбрасываемого рабочего тела. А значит, не нужно закидывать на орбиту цистерны с топливом. Необходимое электричество может быть получено от солнечных батарей или изотопных элементов.

В 1964 году США первыми испытали ионный двигатель в космосе. А в 1971 году советский космический аппарат «Метеор» первым в мире использовал плазменные двигатели, которые показали практическое удобство таких систем.

Мал, да удал

Эксперты обращают внимание на то, что энергичные маневры российского миниатюрного «Космоса» совпали с сообщением на сайте МФТИ о том, что как раз в октябре на борту космического аппарата начали успешную штатную работу маневровые плазменные двигатели так называемого холловского типа, разработанные на предприятии «Центр Келдыша».

Плазменные двигатели холловского типа серийно используются на советских и российских спутниках с 1982 года, и их основная задача – поддержание орбиты геостационарных спутников связи. А с 2004 года российские холловские двигатели начали применяться и на зарубежных спутниках. Их закупают для своих аппаратов такие компании, как EADS Astrium, Thales Alenia Space и Space Systems/Loral.

Российские производители маневровых плазменных двигателей, такие как ОКБ «Факел», предлагают свою продукцию по принципу каталога – открывай страницу сайта и смотри, что тебе надо. Там есть и миниатюрный СПД-25 для ориентации в пространстве космических аппаратов массой менее 100 кг, и мощные двигатели 200-й серии, способные поднимать тяжелые космические аппараты с опорой на геостационарную орбиту.

Эти «громкоговорители» на самом деле – плазменные космические двигатели

В декабре 2013 года появились сообщения, что воронежское Конструкторское бюро химавтоматики приступило к стендовым испытаниям магнитоплазмодинамического двигателя для дальних космических полетов . На своем сайте воронежские мастера ракетных двигателей также указали, что проводятся испытания перспективных электроракетных двигателей : магнитоплазмодинамического двигателя РД0300 и ионного двигателя РД0310. Работы по совершенствованию конструкции планировались и на 2014 год.

Несомненно, что новые плазменные двигатели могут обеспечить спутникам большую свободу перемещения в пространстве. А цели тут могут быть различными.

Читать еще:  Давление масла в двигателе бмв е36

Обезоруживающий удар

По мнению эксперта, было бы странным, если бы космическое пространство не рассматривалось в военном аспекте. Китайские хакеры уже взламывали американские метеорологические спутники. И хотя ранее Россия была в авангарде борьбы за демилитаризацию космоса, времена меняются.

Китай уже в 2007 году продемонстрировал свою возможность уничтожать спутники на орбите. Спустя год то же самое продемонстрировали США.

В 1967 году злодеи так похищали американские и советские космические корабли – кадр из фильма

«You Only Live Twice»

Однако в условиях роста напряженности между Россией и Западом любое российское действие, которое может как-то ослабить чувство защищенности, столь ценимое здесь, привлекает особое внимание. Хотя все может быть совсем не так страшно, ведь готовился этот запуск еще в прошлом году, когда вовсю верстались программы совместных работ России и западных партнеров, и этот спутник должен был стать очередным товаром на рынке космических услуг.

Содержание

Идея использовать для ускорения рабочего тела (РТ) в реактивных двигателях электрическую энергию возникла практически в начале развития ракетной техники. Известно, что такую идею высказывал К. Э. Циолковский. В 1916—1917 годах Р. Годдард провёл первые эксперименты, а в 30-х годах XX столетия в СССР под руководством В. П. Глушко был создан один из первых действующих ЭРД.

С самого начала предполагалось, что разнесение источника энергии и ускоряемого вещества позволит обеспечить высокую скорость истечения РТ, а также и меньшую массу космического аппарата (КА) за счёт снижения массы хранимого рабочего тела. Действительно, в сравнении с другими ракетными двигателями ЭРД позволяют значительно увеличить срок активного существования (САС) КА, существенно при этом снизив массу двигательной установки (ДУ), что, соответственно, позволяет увеличить полезную нагрузку, либо улучшить массо-габаритные характеристики самого КА.

Расчёты показывают, что использование ЭРД позволит сократить длительность полёта к дальним планетам (в некоторых случаях даже сделать такие полёты возможными) или, при той же длительности полёта, увеличить полезную нагрузку.

Начиная с середины 60-х годов в СССР и в США начались натурные испытания ЭРД, а в начале 70-х ЭРД стали использоваться как штатные ДУ.

В настоящее время ЭРД широко используются как в ДУ спутников Земли, так и в ДУ межпланетных КА.

Дьявол в деталях

Для начала — нельзя вот так взять и экстраполировать данные эксперимента на промышленный двигатель большей мощности. Во-первых, потому что реактивная тяга будет в тысячи раз выше, чем в установке. Во-вторых, удельная мощность, которая понадобится для ионизации, на порядки превзойдёт использованную при эксперименте — сотни кВт или даже МВт.

Откуда её возьмут? Из батареек для автомобиля Tesla Model S ( 310кВт), как предлагают авторы статьи? А охлаждающий контур? Это же кубометры воды или хладагента! У нас двигатель тогда будет напоминать летающий бассейн с малю-ю-юсеньким соплом. И по удельной мощности он явно проиграет своим углеводородным конкурентам.

Не выходит авиадвигатель из такого прототипа.

Можно сказать, что сенсация дутая, но есть нюанс. Китайцам удалось собрать прототип плазменного двигателя из нечистот и палок. Получившаяся удельная мощь в разы выше, чем у аналогов — немецких или разрабатываемых для НАСА по проекту « Рассвет». Простейшая схема, простейшие технические решения, обычный комнатный воздух для получения плазмы. На самом деле, есть место для неумеренного оптимизма: проблема-то инженерная. Ведь в конце концов — плазменный, или ионный двигатель уже почти несколько десятилетий используется в космосе. Мощность у него небольшая — тяги только и хватает, что ориентировать спутник на орбите. Но здесь важен опыт разработок, который есть у США, России, Японии, Китая.

Читать еще:  Высоковольтным двигателем электрическая схема

Так может быть, какая-то космическая держава создаст работающий промышленный вариант?

Устройство и принцип работы холловского двигателя:

Холловский двигатель ( двигатель на основе эффекта Холла) – это одна разновидностей электростатического ракетного двигателя , в котором используется эффект Холла. Двигатели на основе эффекта Холла используются на космических аппаратах с 1972 года.

В основе принципа работы данного двигателя лежит эффект Холла, открытый в 1879 г. Эдвином Холлом (Edwin H. Hall). Он заключается в том, что в проводнике, в котором созданы взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля, возникает электрический ток (называемый холловским) в направлении, перпендикулярном обоим этим полям. Иными словами, если электрическое и магнитное поля имеют направления соответственно по осям X и Y, то электрический (холловский) ток имеет направление вдоль оси Z.

Холловский двигатель состоит из кольцевой камеры. Иными словами, камера двигателя выполнена в форме кольца (цилиндра). С одной стороны в камеру подаётся рабочее тело, с другой стороны происходит истекание плазмы. Внутри двигателя располагается анод (положительный электрод), катод (отрицательный электрод) расположен снаружи двигателя . По внешней стороне кольца располагаются магниты.

Между анодом и катодом создается разность потенциалов. В кольцевую камеру подаётся рабочее тело (например, ксенон ). Разряд между анодом и катодом ионизирует рабочее тело, отрывая электроны от нейтральных атомов газа. Под действием электростатического поля положительные ионы газа (плазма) разгоняются в осевом направлении – в направлении выходного отверстия цилиндрического двигателя . На выходе из двигателя происходит нейтрализация положительного заряда плазмы электронами, эмитируемыми с катода. Истечение положительных ионов из выходного отверстия создает тягу.

В радиальном направлении действует магнитная сила, которая в соответствии с эффектом Холла приводит к появлению электрического тока, движущегося в азимутальном направлении (т.е. вокруг центрального электрода, оси двигателя ). Холловский ток создается движением электронов в электрическом и магнитном полях.

В холловском двигателе тяга создается также с помощью холловского тока, пересекающего радиальное магнитное поле. Их взаимодействие заставляет электроны обращаться вокруг оси двигателя . Эти электроны выбивают электроны из атомов ксенона, создавая ионы ксенона, которые осевое электрическое поле ускоряет в направлении выходного отверстия двигателя . Электроны холловского тока под действием силы Лоренца (возникающей в результате взаимодействия приложенного радиального магнитного поля с электрическим холловским током) создают дополнительную тягу и вырываются наружу в выходное отверстие вместе с положительными ионами.

Двигатель на основе эффекта Холла позволяет получить более высокую плотность тяги, более высокие значения расхода рабочего тела, и, как следствие, более высокую тягу двигателя , чем ионный двигатель , поскольку в истекающем потоке содержатся и положительные ионы, и электроны, что предотвращает накопление объемного заряда, уменьшающего напряженность ускоряющего электрического поля.

В зависимости от располагаемой мощности скорости истечения рабочего тела могут составлять от 10 до 50 км/с.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector