Ecoparcovka.ru

ЭкоПарковка СТО
0 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.

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.

Читать еще:  Электрический подогреватель двигателя установка своими руками

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.

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.

Когда и как возникла идея разработки плазменного двигателя

О возможностях использования электроракетных двигателей задумывались ещё в начале XX века. Идея создания плазменного двигателя, в котором могла бы возникать реактивная тяга за счёт энергии ионов, параллельно была впервые публично выдвинута в 1911 году российским учёным Константином Циолковским , одним из теоретических основоположников космонавтики. Первые практические эксперименты в этом направлении в 1916 году были проведены уже американским «отцом космонавтики» — учёным Робертом Годдардом .

В то время подобные разработки не смогли стать основой каких-либо полноценных технических решений: они могли действовать только в условиях, максимально приближённых к вакууму. Вопросы использования плазменных технологий стали актуальными к 1960-м годам, когда СССР и США приступили к практическому освоению космического пространства. Учёными этих стран к тому времени были обоснованы принципы работы различных ионных двигателей, способных создавать реактивную тягу за счёт ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.

Первый работающий ионный двигатель был построен инженером НАСА Гарольдом Кауфманом в 1959 году. В качестве топлива он использовал ртуть. Суборбитальные испытания этого двигателя прошли в 1964 году, когда исследовательской ракетой был запущен научный зонд Sert 1 — первое в истории устройство, использовавшее конструкцию ионного двигателя в космосе. В 1970-х годах в США провели ряд повторных испытаний этой технологии, но в дальнейшем развивать её не стали.

СПД калининградского ОКБ «Факел»

В СССР подошли более основательно Теоретическое исследование плазмодинамики, осуществлённое академиком Алексеем Морозовым , считается наиболее фундаментальным в мировой науке. В 1972 году в системе ориентации советского спутника «Метеор» были использованы два электроракетных двигателя: «классический» ионный и стационарный плазменный (СПД). Последний вариант показал себя лучше, и советские специалисты сконцентрировались на этой разновидности двигателей. На их производстве стало специализироваться калининградское ОКБ «Факел», которое в дальнейшем стало развивать и совершенствовать данную технологию.

В настоящее время именно калининградские СПД лидируют в мире по характеристикам достигнутой мощности и производительности. Они широко востребованы многими зарубежными производителями коммерческих геостационарных спутников и применяются для поддержания их орбит. Российские СПД сделали возможным создание спутников без использования химической тяги, основанной на весьма токсичном топливе.

Классификация ЭРД

Классификация ЭРД не устоялась, однако в русскоязычной литературе обычно принято классифицировать ЭРД по преобладающему механизму ускорения частиц. Различают следующие типы двигателей:

  • электротермические ракетные двигатели (ЭТД);
  • электростатические двигатели (ИД, СПД);
  • сильноточные (электромагнитные, магнитодинамические) двигатели;
  • импульсные двигатели.

ЭТД, в свою очередь, делятся на электронагревные (ЭНД) и электродуговые (ЭДД) двигатели.

Электростатические делятся на ионные (в том числе коллоидные) двигатели (ИД, КД) — ускорители частиц в униполярном пучке, и ускорители частиц в квазинейтральной плазме. К последним относятся ускорители с замкнутым дрейфом электронов и протяжённой (УЗДП) или укороченной (УЗДУ) зоной ускорения. Первые принято называть стационарными плазменными двигателями (СПД), также встречается (всё реже) наименование — линейный холловский двигатель (ЛХД), в западной литературе именуется холловским двигателем. УЗДУ обычно называются двигателями с ускорением в анодном слое (ДАС).

К сильноточным (магнитоплазменным, магнитодинамическим) относят двигатели с собственным магнитным полем и двигатели с внешним магнитным полем (например, торцевой холловский двигатель — ТХД).

Импульсные двигатели используют кинетическую энергию газов, появляющихся при испарении твёрдого тела в электрическом разряде.

В качестве рабочего тела в ЭРД могут применяться любые жидкости и газы, а также их смеси. Тем не менее, для каждого типа двигателей существуют рабочие тела, применение которых позволяет достигнуть наилучших результатов. Для ЭТД традиционно используется аммиак, для электростатических — ксенон, для сильноточных — литий, для импульсных — фторопласт.

Читать еще:  Датчик температуры двигателя форд фиеста 2007

Недостатком ксенона является его стоимость, обусловленная небольшим годовым производством (менее 10 тонн в год во всём мире), что вынуждает исследователей искать другие РТ, похожие по характеристикам, но менее дорогие. В качестве основного кандидата на замену рассматривается аргон. Он также является инертным газом, но, в отличие от ксенона имеет большую энергию ионизации при меньшей атомной массе. Энергия, затраченная на ионизацию на единицу ускоренной массы, является одним из источников потерь КПД.

Плазменный двигатель от МИФИ испытают в космосе до конца года

В МИФИ делают сверхмалый плазменный двигатель для наноспутников. Сложность в том, чтобы заставить его работать от маленькой конденсаторной батареи, над чем ученые бились много лет. В конце года аппарат планируют испытать в космосе. Подробностями о разработке, испытаниях двигателя на орбите и будущем серийном производстве поделился один из создателей устройства, руководитель лаборатории плазменных ракетных двигателей Института лазерных и плазменных технологий МИФИ Игорь Егоров.

Тенденция к уменьшению

В последние годы в мире наблюдается настоящий бум наноспутников — ​аппаратов массой менее 10 кг. С начала 2021 года в космос запустили более 150 спутников формата CubeSat — ​одного из самых популярных типов малых спутников.

Многие из них применяются для дистанционного зондирования Земли. К примеру, американская компания Planet Labs запустила уже больше 100 космических аппаратов, оборудованных телескопом, камерой и ПО для съемки поверхности Земли с разрешением 3–5 м. Проблема таких аппаратов в том, что их запускают на орбиту, просто выбрасывая десятками из ракеты в одном месте. Для качественной съемки нужно распределить спутники по орбите равномерно, а значит, необходимо изменить их скорость вращения вокруг Земли. В Planet Labs для этого используют установленные на спутнике раскрывающиеся панели: поворачивают их либо перпендикулярно движению спутника, чтобы значительно замедлить его движение, либо параллельно, если нужно немного его замедлить. Метод хорош, но не идеален: из-за замедления спутники часто теряют высоту и, постепенно сходя с орбиты, сгорают в атмосфере. Тогда приходится снова запускать несколько десятков спутников на замену.

CUBESAT

Это формат сверхмалых искусственных спутников, базовый модуль (1U) имеет габариты 10×10×11,3 см, из которых 10×10×10 см доступны для размещения полезной нагрузки. Масса у 1U не более 1,33 кг. Часто объединяют несколько стандартных кубов в составе одного спутника (обозначаются 2U, 3U и т. д.). Количество зависит от размера и массы оборудования, которое необходимо разместить на спутнике. Так, для съемки поверхности Земли с орбиты достаточно 3U, а отправившаяся на Марс миссия Mars Cube One состояла из двух спутников CubeSat 6U — ​слишком много оборудования потребовалось для такого дальнего полета.

Выходом стала бы установка миниатюрного двигателя, который позволит перемещать спутник без потери высоты и затем поддерживать стабильную орбиту. Однако почти все используемые на спутниках двигатели предназначены для больших аппаратов. И даже если удастся уместить какой-то из существующих двигателей в наноспутнике, он все равно будет потреблять слишком много энергии. Спутник маленький, и солнечные батареи у него маленькие, они не дадут достаточно энергии для питания двигателя. Еще одно ограничение связано с безопасностью: нельзя использовать взрывоопасные вещества, а значит, не получится поставить на спутник, к примеру, жидкостный ракетный двигатель на гидразине.

Углеродный скелет

В нашем плазменном двигателе рабочим телом служит пластик полиацеталь, который, постепенно выгорая, превращается в плазму, выбрасывается из двигателя и таким образом создает тягу, приводящую спутник в движение. Идея использовать пластик не нова. Первый в истории плазменный двигатель в космосе испытали в 1964 году на советской автоматической межпланетной станции «Зонд‑2», которая отправилась к Марсу. Несколько плазменных двигателей, в разработке которых принимал участие мой учитель Виктор Александрович Храбров, отвечали за ориентацию станции в пространстве. В основе разработки тоже лежало рабочее тело из пластика — ​но не из полиацеталя, а из фторопласта. Преимущество этого материала — ​высокая плотность, в небольшом объеме можно заключить больше материала. Но есть и недостаток: при использовании такого пластика нужен большой разрядный ток. Если ток недостаточен, поверхность фторопласта покрывается слоем углерода: пластик испаряется не полностью, углерод остается в виде тонкой пленки и из-за своей электропроводности вызывает короткое замыкание. Двигатель выходит из строя.

Храбров с такой сложностью не сталкивался просто потому, что его двигатели были большого размера: он мог использовать тяжелые громоздкие импульсные конденсаторы, которые генерировали большой разрядный ток.

Моя же задумка была в том, чтобы сделать плазменный двигатель гораздо меньшего размера (размер двигателя — 83×83×50 мм. — СР). Я стал изучать химические формулы пластиков и обратил внимание на полиацеталь, углеродный скелет которого состоял не из сплошной углеродной цепочки (-С-С-С-), как у фторопласта, а из перемежающихся атомов углерода и кислорода (-С-О-С-). Использование такого материала решило проблему углеродной пленки. На поверхности рабочего тела нашего двигателя все равно образуется слой некоего вещества вроде нефти или масла, но оно не проводит электричество и никак не влияет на работу аппарата.

Другая особенность нашего двигателя — ​внешняя магнитная система из медной катушки. С ее помощью удалось ограничить разрядный ток и при этом сохранить эффективность двигателя.

Читать еще:  Датчик который показывает температуру двигателя на приборке

И, наконец, мы смогли установить на двигатель компактные и легкие конденсаторы. Создание маленького двигателя никогда не было проблемой, сложность была как раз в том, чтобы заставить его работать от маленькой конденсаторной батареи. Над этим ученые бились не один год.

Тысяча часов на орбите

Ближайшие несколько месяцев мы будем дорабатывать двигатель, совершенствовать технологию: попробуем изменить конфигурацию электродов, размер и форму рабочего тела, чтобы увеличить запас пластика и тем самым повысить эффективность двигателя. В конце года наши устройства пройдут испытания на орбите — ​отправятся в космос на двух спутниках на платформе «ОрбиКрафт-Про». У нас уже есть договоренность с их разработчиками — ​частной космической компанией «Спутникс». Параллельно с испытаниями на орбите проведем ресурсные испытания на Земле. Предполагается, что ресурс работы нашего устройства будет около 1 тыс. часов. По всей видимости, к лету 2022 года завершатся все испытания, и мы сможем уверенно говорить про ресурс работы, силу тяги двигателя, совместимость с оборудованием спутника и т. д. Если все пройдет гладко, то наладим серийный выпуск двигателей.

«СПУТНИКС»

Российская частная космическая компания, резидент «Сколкова». Разрабатывает технологии производства спутниковых платформ, служебных систем микроспутников и наноспутников. В 2017 году компания создала спутниковую платформу «ОрбиКрафт-Про» — ​набор-конструктор, позволяющий собирать наноспутники различной конфигурации, на которые можно установить научную аппаратуру.

К нам уже обратились представители образовательного проекта по разработке и производству космических аппаратов. Они планируют покупать 10–15 двигателей в год. Проявила интерес и компания Orbital Express, которая в следующем году запускает на орбиту собственный спутник и хочет видеть на нем наш двигатель, а также другие, помимо «Спутникса», разработчики наноспутниковых платформ. Интерес к нашей разработке довольно большой, это приятно.

На плазменных крыльях

В настоящее время уже сотни космических аппаратов, оснащённых плазменными двигателями, ‘ title=>бороздят космические просторы. Это и « Хаябуса» — японские миссии по ‘ title=>сбору грунта с астероидов, и меркурианская миссия BepiColombo, и каждый из нескольких сотен космических аппаратов суперсозвездия Starlink, создаваемого компанией SpaceX.

К слову о выработке энергии. Плазменные двигатели — это основная часть разрабатывающегося в настоящее время « Роскосмосом» ядерного буксира, его энергодвигательной установки. Ядерный реактор этого космического аппарата будет вырабатывать электричество, подающееся на несколько плазменных электроракетных двигателей. Буксир будет требовать лишь заправки рабочим телом и за счёт длительной работы ионных двигателей сможет сократить время полёта до Марса и обратно в несколько раз. По некоторым подсчётам, такое путешествие будет занимать всего полтора-два месяца.

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