Доктор физико-математических наук А. МОРОЗОВ.

В Политехническом музее Москвы хранится уникальный экспонат - двигательная установка малой тяги с питанием от солнечных батарей, созданная в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова под руководством профессора Алексея Ивановича Морозова. Реактивную тягу этого стационарного плазменного двигателя (СПД) создает не поток газов или продуктов химической реакции топлива с окислителем, а плазма, разогнанная электромагнитным полем. Двигатели такого рода предназначены для перехода искусственных спутников Земли с одной орбиты на другую, стабилизации на орбите и других целей. Стационарные плазменные двигатели получили высокую оценку и за рубежом. СПД - единственная отечественная разработка, представленная в отделе космонавтики парижского Дома науки и техники.

Американский ракетный комплекс "Сатурн - Аполлон" при стартовой массе 2900 тонн выводит в космос только 129 тонн.

Стенд в Доме науки и техники (Париж), посвященный стационарным плазменным двигателям и их создателю - А. И. Морозову.

ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ. Так устроен стационарный плазменный двигатель (СПД).

Наука и жизнь // Иллюстрации

НЕСОРАЗМЕРНОСТЬ ЗАДАЧ И СРЕДСТВ

При запусках искусственных спутников Земли постоянно возникает одна и та же ситуация. Спутник выводится на первоначальную, опорную орбиту высотой около 150 километров. Далее его нужно перевести на рабочую орбиту, скажем, геостационарную, на высоту 36 тысяч километров. Для этого включают двигатель, который и производит нужный маневр, проработав некоторое время. Оценить произведенную им работу можно через понятие так называемой характеристической скорости. Суть его заключается в следующем.

Предположим, что имеются два абсолютно одинаковых аппарата: один, скажем, на орбите возле Земли, другой - в абсолютно пустом пространстве, без полей тяготения и других воздействий. Они одновременно включают двигатели, работающие в совершенно одинаковом режиме. Первый аппарат совершает маневры, садится на Луну, возвращается и вообще делает все, что требуется. А второй движется по прямой, не маневрирует, но его двигатель все время работает в том же режиме, что и у первого. В конце концов этот аппарат приобретает некую скорость, которая и называется характеристической. Она-то и определяет эффективность двигателя в данных условиях. Поскольку для каждого полета она своя, можно, сделав несложные расчеты, сразу и с большой точностью оценить, во сколько обойдется каждый маневр.

В 1897 году К. Э. Циолковский вывел для величины характеристической скорости несложную формулу:

V = w lnM 0 /M 1 ,

где w - скорость истечения газов из сопла реактивного двигателя, M 0 - начальная масса аппарата, M 1 - его конечная масса.

Из формулы видно, что разгонять аппарат до скорости V, большей скорости истечения w, за счет увеличения выбрасываемой массы крайне невыгодно. Если на долю топлива приходится 0,9 всей массы ракеты и, следовательно, конечная масса составляет 0,1 массы начальной (M 0 /M 1 = 10), характеристическая скорость V = 2,3w . Когда это отношение масс уменьшается до 0,01, скорость возрастает только в два раза, и, даже сделав M 0 /M 1 = 0,001, удастся получить всего V = 6,9w : величина логарифма растет очень медленно. Поэтому во время полета приходится катастрофически уменьшать массу аппарата: вспомним, как выглядят тяжелая ракета-носитель на старте и спускаемый аппарат в конце полета. Этот путь в принципе возможен, но для высоких скоростей практически неосуществим.

Остается второй вариант: увеличить скорость истечения реактивных газов. Характеристическая скорость зависит от нее линейно, то есть пропорционально. Она вырастет во столько же раз, во сколько увеличится скорость истечения газов.

Современные реактивные двигатели работают, как правило, за счет химической реакции соединения компонентов топлива и окислителя. Чем больше энергии выделяется в ходе этой реакции, тем выше скорость истечения из сопла двигателя ее газообразных продуктов одинаковой массы. Почти предельную энергию обеспечивает реакция кислорода с водородом (больше дает только фтор, особенно атомарный, с водородом; но и сам окислитель, и фтористый водород невероятно химически активны и агрессивны). Однако и она неспособна создать потоки со скоростями больше 4-5 км/с. Для современной космической техники этого во многих случаях недостаточно.

Чтобы вывести спутник на круговую орбиту, носитель должен развить скорость около 8 км/с; чтобы отойти от Земли в космическое пространство - более 11 км/с; соответствующие характеристические скорости будут процентов на тридцать выше. И если скорость истечения газов сделать порядка характеристической скорости для данного маневра, конечная масса аппарата будет соизмерима с массой начальной. Она может быть меньше пусть даже в два-три раза, а не в десятки и сотни, как сегодня. Для этого нужны другие двигатели, основанные не на химических реакциях, а на других процессах. Они потребуют новых источников энергии, ибо, чем выше скорость истечения рабочего вещества, тем больше энергии требуется на единицу тяги:

P /F = w /2η,

где Р - мощность двигателя в ваттах, F - сила тяги в ньютонах, w - скорость истечения в м/с, η - коэффициент полезного действия.

В космосе есть только два источника энергии - Солнце и ядерные реакции.

Внутриядерную энергию получают либо из реакций деления тяжелых элементов, либо путем синтеза элементов легких. Реакция синтеза способна дать колоссальное количество энергии, но управлять ею в ближайшее время вряд ли научатся. Остаются реакторы, основанные на делении, а для маленьких аппаратов - изотопные батареи. Ядерная энергетика, однако, себя сильно скомпрометировала и нажила множество противников.

На внутренних орбитах источником энергии может служить Солнце. Был, например, проект использовать бортовые зеркала-концентраторы, собирающие солнечную энергию на теплообменнике с водородом. Нагретый до 2000 о газ потечет из сопла реактивного двигателя со скоростью порядка 10 км/с, что уже вполне достаточно для маневра в околоземном пространстве. Однако такая система громоздка и ненадежна, поэтому основным источником электроэнергии на борту пока остаются солнечные батареи. Если в 60-х годах киловатт мощности снимался с панели массой около центнера, то сегодня "рекордные" устройства дают ту же мощность с 20 килограммов массы. В целом же бортовые батареи дают суммарную мощность не выше 20 кВт и остаются достаточно эффективными только сравнительно недалеко от Солнца - внутри орбиты Марса или пояса астероидов. Интенсивность света сильно падает с расстоянием (I ~ R -2), и для полетов к удаленным планетам волей-неволей придется использовать реакторы. Ибо переход на скорости истечения газов, соизмеримые с характеристическими, - абсолютно неизбежный путь развития космонавтики.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ ВМЕСТО ХИМИЧЕСКОЙ

Чтобы поднять с Земли и разогнать до первой космической скорости огромный космический аппарат, требуются мощности в миллионы и десятки миллионов киловатт. На этом этапе никаких реальных альтернатив реактивным двигателям на химическом топливе пока нет. Но если аппарат уже выведен на орбиту, им вполне можно управлять при помощи двигателей малой мощности. Они могут поддерживать ориентацию спутника, стабилизировать его на орбите, переводить с одной орбиты на другую.

Существует несколько конструкций таких двигателей. В настоящее время, например, созданы хорошие модели так называемых электронагревных двигателей. Газ - аммиак или гидразин - пропускают через катализатор, который его разлагает на молекулы, и нагревают изотопным источником тепла или электрической печкой. Молекулы имеют гораздо меньшую массу и при нагреве приобретают более высокую скорость. Но есть и другой путь: получить направленный поток не молекул, а ионов или плазмы, разогнав их при помощи электрических и магнитных полей.

Путь этот чрезвычайно перспективен. Элементарные расчеты показывают, что ион водорода, пройдя разность потенциалов 4,5 вольта (напряжение батарейки "Крона" в два раза выше), приобретет скорость 30 км/с - гораздо большую, чем может дать химическая реакция. Неудивительно, что в начале 60-х годов, после запуска первого искусственного спутника Земли, работы по созданию электрореактивных двигателей развернулись сразу во многих странах, но ведущими оставались СССР и США. В нашей стране были созданы очень сильные научные коллективы, среди которых особенно выделилась группа из Института атомной энергии. Ей удалось найти интересные научные решения, благодаря которым мы до сих пор удерживаем лидирующее положение в этой области, а созданные ею стационарные плазменные двигатели (СПД) признаны лучшими в мире.

КАК РАБОТАЕТ СПД

Ускорение ионов в полях позволяет получить скорости, которые решают все проблемы обозримого будущего космонавтики. Оставалось эту принципиальную возможность реализовать в металле. Для этого есть два пути.

Можно взять два электрода и приложить к ним постоянное напряжение. Пусть на одном будет напряжение +4,5 вольта, а потенциал второго (катода) будем считать нулевым. Положительный электрод (анод) соединен с ионизатором газа. Ионы, вышедшие из него через отверстие в аноде, начнут ускоряться в электрическом поле, устремляясь к электроду с нулевым потенциалом. Если в нем сделать отверстие, ионы пролетят сквозь него в пространство со скоростью 30 км/с. А электроны, оставшиеся в ионизаторе, уходят через электрическую цепь и источник питания на катод. Эта система получила название ионный двигатель: в зоне его ускорения находятся только ионы.

На самом же деле водородных ионных двигателей на 4,5 вольта нет. Причина этого одна: в ускоряющем промежутке невозможно получить высокую плотность частиц. Ионы создают в нем довольно большой объемный заряд, который быстро экранирует потенциал нулевого электрода и "запирает" поток. Чтобы обеспечить достаточно большой ток, нужно создать высокую напряженность поля, как можно сильнее сдвинув электроды. Но предельное расстояние между ними ограничено долями миллиметра: в слишком узком зазоре возникнет пробой. Скорость наращивать тоже нельзя: это ведет к повышению энергетических затрат на единицу тяги. Поэтому в таком двигателе используют тяжелые частицы - ионы ксенона, ртути или цезия, работают при напряжении порядка тысячи вольт и получают довольно приличный ток и сравнительно большую тягу.

Второй путь - плазменные двигатели, где в зоне ускорения имеются и электроны, и ионы. Рассмотрим подробнее, как они работают.

Наиболее существенный недостаток ионных двигателей - появление объемного заряда в ускоряющем промежутке. Казалось бы, этого можно избежать, поместив в него электроны и получив квазинейтральную плазму. Однако в электрическом поле сразу же начнут ускоряться более легкие электроны, причем до скоростей в тысячи и десятки тысяч километров в секунду. Это в сотни раз больше, чем нам нужно.

Чтобы преодолеть подвижность электронов, их нужно к чему-то "привязать". Это легко сделать, создав в промежутке магнитное поле, перпендикулярное электрическому. В магнитном поле заряженные частицы вращаются по круговой, так называемой ларморовской, орбите. У электронов ее диаметр в наших условиях - десятые доли миллиметра, а у ионов - порядка метра. Ионы практически не чувствуют магнитного поля, движутся только под действием поля электрического и с большой скоростью покидают двигатель. Таким образом, система превращается в ускоритель ионов, в котором мешающего объемного заряда нет.

На первый взгляд плазменный двигатель - очень простое устройство. Это кольцевой электромагнит, в зазор которого помещена камера (ее называют также каналом) из диэлектрического материала. В глубине камеры расположен анод. Снаружи, возле среза камеры, расположен катод-нейтрализатор. Рабочее вещество (ксенон) поступает в канал и вблизи анода ионизуется. Ионы ускоряются в электрическом поле и вылетают из двигателя, создавая реактивную тягу. А электроны, как и в ионном двигателе, попадают на анод, проходят по цепи до катода-нейтрализатора и поступают в ионный поток, нейтрализуя и его, и двигатель. Делать это абсолютно необходимо - в противном случае спутник, выбрасывая положительные ионы из двигателя, приобрел бы отрицательный потенциал большой величины.

СПД НА ЗЕМЛЕ И В КОСМОСЕ

Наша страна продолжает лидировать в области конструирования электроракетных систем. Стационарные плазменные двигатели стоят почти на шестидесяти отечественных спутниках в качестве двигателей коррекции. Они подстраивают положение спутника на орбите и в принципе могут перевести его, скажем, с опорной орбиты на высоте 150 - 200 километров на геостационарную орбиту высотой 36 тысяч километров. Для этой операции понадобятся три-четыре месяца непрерывной работы, за которые будет выброшено всего-навсего десять килограммов вещества. Специалисты считают, что в ближайшие два-три года начнется настоящий бум использования электроракетных двигателей и для коррекции орбит искусственных спутников Земли, и для полетов на другие планеты. Для всех этих работ СПД незаменимы; они будут стоять и на автоматической станции, которую по программе Российской академии наук запустят к спутнику Марса Фобосу в самом начале третьего тысячелетия. А вот для ориентации космического аппарата они слишком мощны, для этого нужны совсем миниатюрные конструкции.

И для решения чисто земных задач поле деятельности плазменных двигателей огромно. Уже сейчас СПД в соответствующем исполнении используются для обработки различных поверхностей - из металла, стекла, полупроводников. Но, по-видимому, область их применения, а точнее - принципов, в них заложенных, будет несравненно шире, тем более, что мощность подобных систем может быть увеличена в тысячи раз. И в первую очередь связано это с принципиально новым их конструктивным элементом - прозрачными магнито-электронными электродами, которые во многих случаях могут заменить электроды твердотельные.

Подробности для любознательных

ИСТОРИЯ ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Первые предпосылки для создания плазменно-ионных двигателей возникли более ста лет назад.

В конце прошлого века начались интенсивные работы по изучению газов при помощи электрического разряда. Исследуемый газ под невысоким давлением помещался в стеклянную трубку с впаянными электродами - анодом и катодом. При дальнейшем снижении давления в трубке стали видны лучи, исходящие из катода. Детальное исследование показало, что эти "катодные лучи" - поток электронов.

В 1886 году обнаружилось еще одно интересное явление. Если в плоском катоде проделать отверстия ("каналы"), то через них в обратном направлении протянутся другие лучи, которые назвали каналовыми. Это были потоки ионизованных атомов газа. Однако в то время, разумеется, никто не предполагал, что их можно использовать для получения реактивной тяги.

Первый эффективный ионный двигатель был создан американцем Г. Кауфманом в 60-х годах и использован в космическом эксперименте Sert-II. В двигателях этого типа имеются ионизационная камера с электрическим разрядником и ускоряющий электрод в виде пластины с отверстиями. Рабочий газ (скажем, ксенон) поступает в камеру, где его атомы распадаются на электроны и положительно заряженные ионы. Поток ионов выходит из камеры и ускоряется под действием напряжения, приложенного к дырчатому электроду. Электроны проходят по цепи питания двигателя и поступают на нейтрализатор, стоящий на пути ионного пучка. Ионы, удаляясь от двигателя, увлекают их за собой.

Примерно в это же время в нашей стране был создан плазменно-эрозионный двигатель конструкции А. М. Андрианова. Он стал первым устройством такого типа, выведенным в космос: в 1964 году его установили на аппарате "Зонд-2" в качестве двигателя ориентации с питанием от солнечных батарей.

Двигатель выполнен в виде двух цилиндрических коаксиальных электродов, разделенных изолятором. К центральному электроду подведена поджигающая игла, соединенная с конденсаторной батареей. При разряде конденсатора между иглой и электродом происходит разряд, вызывающий их испарение (эрозию) и ионизацию. Эта "затравочная" плазма поступает в промежуток между электродами, на которые подано высокое напряжение основной конденсаторной батареи. Появление плазмы инициирует поверхностный разряд, который испаряет материал изолятора и ионизует его молекулы. Нагрев и взаимодействие тока с собственным магнитным полем ускоряют плазму.

К середине 60-х годов в нашей стране были получены обнадеживающие результаты по разработке плазменных двигателей разных типов. Но наибольший успех пришел к группе из Института атомной энергии им. И. В. Курчатова, которой руководили А. И. Морозов и Г. Я. Щепкин. Этот коллектив к маю 1969 года создал работающий макет двигательной установки. После конструкторской доработки в ОКБ "Факел" двигатель в последних числах 1970 года был установлен на спутнике "Метеор"и выведен на орбиту. С тех пор прошло почти тридцать лет, но этот стационарный плазменный двигатель (СПД) все еще не имеет конкурентов - другие схемы оказались менее эффективными и штатной принадлежностью космических аппаратов не стали.

В середине 80-х годов работы над СПД из Института атомной энергии были переведены в Московский институт радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА) и продолжены в лаборатории профессора Антонины Ивановны Бугровой. В 1992 году лабораторию посетил вице-президент франко-европейской космической фирмы SEP г-н Буланже. Он предложил заключить контракт на создание патентно чистой модели СПД с улучшенными характеристиками.

Дело в том, что двигатели имеют два существенных недостатка: большую расходимость плазменного пучка (до 45 о) и кпд порядка 50%, что было меньше их возможностей. И была у них одна странность: наиболее сильная тяга получалась при геометрии полей, с точки зрения теории далекой от оптимальной. Когда причины такого поведения удалось понять, сотрудники лаборатории МИРЭА изменили конфигурацию канала, анода и магнитного поля. Это сразу же дало удивительные результаты: кпд вырос почти до 70%, а расходимость пучка стала меньше 10 о. Так были созданы СПД второго поколения.

1) электрический ракетный двигатель, в котором рабочее тело плазма;2) то же, что электромагнитный ракетный двигатель …

1) электрический ракетный двигатель, в котором рабочее тело плазма; 2) то же, что электромагнитный ракетный двигатель. * * * ПЛАЗМЕННЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЛАЗМЕННЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, 1) электрический ракетный двигатель (см. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ… … Энциклопедический словарь

Реактивный двигатель, источник энергии и рабочее тело которого находится в самом средстве передвижения. Ракетный двигатель единственный практически освоенный для вывода полезной нагрузки на орбиту искусственного спутника Земли и применения в… … Википедия

Варианты конструкции ТЯРД Термоядерный ракетный двигатель (ТЯРД) перспективный ракетный двигатель для космических полётов, в котором для создания тяги предполагаетс … Википедия

Плазменный двигатель, электрический ракетный двигатель, в к ром превращённое в плазму рабочее тело разгоняется с помощью электромагн. поля. Уд. импульс Э. р. д. может достигать неск. сотен км/с. Впервые испытан в полёте на сов. КА Зонд 2 . См.… … Большой энциклопедический политехнический словарь

- (плазменный, магнитогидродинамический), электрический ракетный двигатель, в котором рабочее тело находится в состоянии плазмы и разгоняется с помощью воздействующего на него электромагнитного поля. Удельный импульс 15 100 км/с. * * *… … Энциклопедический словарь

- (плазменный магнитогидродинамический), электрический ракетный двигатель, в котором рабочее тело находится в состоянии плазмы и разгоняется с помощью воздействующего на него электромагнитного поля. Удельный импульс 15 100 км/с … Большой Энциклопедический словарь

Электромагнитный ракетный двигатель, плазменный ракетный двигатель, ЭРД электрический ракетный двигатель, создающий тягу за счёт разгона в электромагнитном поле рабочего тела, превращённого в плазму. Принципы работы ЭРД состоит из двух основных… … Википедия

На стол фонда перспективных исследований легла заявка, оформленная научно-техническим советом НПО «Энергомаш» и НИЦ «Курчатовский институт». Заявка посвящена реализации довольно амбициозного проекта, который позволит создать безэлектродный плазменный ракетный двигатель. Сокращенно БПРД. Определен четкий состав работ, позволяющих выпустить лабораторный образец двигателя.

По своей сути ЭРД (электрический ракетный двигатель) является электрическим двигателем, у которого рабочее тело способно приобретать ускорение в особом состоянии плазмы. Оригинальная идея плазменных двигателей принадлежит советскому физику Морозову А. И. Он выдвинул ее еще в 60-х. Сегодняшнее применение таких двигателей — поддерживать точки стояния у спутников связи.

Новое поколение плазменных двигателей, которые собираются изготавливать на «Энергомаше», обладают мощностью свыше 100 кВт. Их можно будет использовать не для одних геостационарных спутников. Такие двигатели подходят для полетов, которые характеризуются как межзвездные.

Последние годы в мире отмечены несколькими разработками плазменных двигателей. Их можно отнести к новому поколению. Это геликонный плазменный двигатель от Европейского космического агентства, сотрудничающего с Иранским космическим агентством и Австралийским национальным университетом. Это также разработка канадских инженеров и американцев из Ad Astra Rocket Company. Американо-канадский двигатель имеет мощность в 200 кВт.

В сообщении «Роскосмоса» говорится, что множество вариантов современных ЭРД зарекомендовали себя с положительной стороны. Они обладают высоким импульсом и малым массовым расходом рабочего тела. Это позволит уже в недалеком будущем отправить космические аппараты на дальние маршруты. Но предстоит решить проблему малой тяги. Она серьезным образом ограничивает возможности преодоления больших космических расстояний. В настоящее время ЭРД используют корректируя орбиты космических аппаратов сравнительно небольших по величине. У такого двигателя, как правило, мощность не превышает 50 кВТ. На околоземной орбите такие двигатели подпитываются с помощью солнечных батарей.

Уникальность новейшей российской разработки

Российский безэлектродный плазменный ракетный двигатель обладает высочайшей энергоэффективностью. Он способен на практике почти любое вещество использовать в качестве рабочего тела, менять величины удельного импульса. Его максимальные параметры мощности ограничены единственно мощностью подпитки высокочастотного генератора. Так как ограничения на воздействие рабочего вещества с конструктивными элементами сняты, то подобный двигатель в своем потенциале имеет огромный рабочий ресурс.

Возможность реализации новаторских идей, которые положены в основу российской разработки, появилась благодаря недавним открытиям в области термоядерного синтеза. Также российские специалисты далеко продвинулись по пути изучения технологий высокотемпературных сверхпроводников и высокочастотных генераторов. Сегодня ученым предстоит решить, как оптимизировать плазменные процессы и разработать высокочастотный генератор. Совершенствованию подлежат системы питания БПРД и, особенно, их управления. Чтобы обеспечить решение всех этих сложнейших инженерно-научных задач, необходимо создать экспериментальную и испытательную стендовую базу.

Специалисты Курчатовского института работают над плазменными двигателями уже не один десяток лет. «Конструкторское бюро химавтоматики» с 2010 года изучает проблематику ЭРД. На их счету уже есть магнитоплазмодинамический двигатель, мощность которого 10 кВт и мощный (300 Вт) высокочастотный ионный двигатель.

До сих пор практически все космические аппараты оснащались ракетными маршевыми двигателями на химическом топливе. По всей вероятности, для первых полетов на Марс будут использованы ракеты такого же типа. Но возможности двигателей на химическом горючем значительно ограничены энергетикой окислительно-восстановительных реакций. Все современные ракеты в перерасчете на единицу израсходованного горючего создают не слишком большую тягу. Поэтому в дальний полет, к примеру, к внешним планетам Солнечной системы, сегодня можно отправить лишь относительно легкий аппарат. К тому же траекторию такого корабля прокладывают так, чтобы на пути к месту назначения он разгонялся в гравитационных полях планет или их спутников. Именно поэтому для дальних полетов столь узки стартовые «окна», интервалы времени с благоприятным расположением планет – не в астрологическом смысле, а в соответствии с требованиями небесной механики.
Чтобы корабль смог преодолеть земное притяжение и уйти в странствие к другим мирам, его скорость должна превысить вторую космическую, 11,2 км/с. На практике космические аппараты сперва выводят на околоземную орбиту, а затем уже с нее отправляют в открытый космос. Водородно-кислородный двигатель способен увеличить орбитальную скорость корабля не больше, чем на десять километров в секунду, двигатель на ином химическом топливе – еще меньше. Такие скорости достаточны даже для полета к границам Солнечной системы, хотя и по очень протяженной траектории (и с обязательным использованием планетарного гравитационного ускорения). И хотя корабль с традиционным двигателем сможет достичь самой отдаленной планеты, для этого ему понадобятся долгие годы.

Космические аппараты уже давно оснащают плазменными двигателями. Эта разновидность электрореактивного двигателя вообще не потребляет химического горючего, поскольку обеспечивается энергией от аккумуляторов, радиоизотопных генераторов или солнечных батарей. Основное достоинство плазменного двигателя – долговременное функционирование при относительно небольшом расходе рабочего тела. Однако в нынешнем виде такие двигатели развивают очень слабую тягу, всего несколько граммов. Поэтому они используются для корректировки спутниковых орбит либо для медленного длительного ускорения небольших аппаратов непосредственно в космическом пространстве.
Именно такой мотор (конструкция его разработана калининградским ОКБ «Факел»), построенный французской фирмой Snecma Moteurs, осенью 2003 года вывел с околоземной орбиты европейский зонд SMART-1, который в феврале 2005 года превратился в искусственный спутник Луны. В качестве рабочего тела в этом двигателе была использована ксеноновая плазма. Разогнанные в электрическом и магнитном полях ионы ксенона выбрасывались в пространство и создавали реактивную тягу. Двигатель PPS-1350 проработал в космосе приблизительно 5000 часов при тяге в 7 г, истратив за это время 80 кг ксенона. В будущем ЕКА предполагает оснастить двигателями этого типа автоматическую станцию BepiColombo, предназначенную для полета к Меркурию, солнечный зонд Solar Orbiter и космический детектор гравитационных волн LISA (Laser Inter-ferometer Space Antenna).
По сравнению с химическими конкурентами удельный импульс плазменных двигателей выглядит просто роскошно. У PPS-1350 этот показатель равен 1640 с, у английского двигателя UK-10, корректирующего орбиты геостационарных спутников связи, почти вдвое больше – около 3100 с. Расход рабочего тела плазменного мотора очень мал, создаваемое им ускорение невелико, и поэтому набор скорости происходит медленно. Однако даже и при таких скромных возможностях плазменный двигатель способен увести корабль с околоземной орбиты и мало-помалу обеспечить ему прирост скорости гораздо больший, чем 10 км/с, но вот времени на это требуется просто прорва. SMART-1 на своем ксеноновом моторчике добирался от Земли до Луны почти полтора года, поскольку двигался не «напрямик», а по раскручивающейся спирали.
Тем не менее дело не совсем безнадежно. Если б можно было построить двигатель с таким же расходом рабочего тела, как у химических ракет, но, по крайней мере, с вдвое большим удельным импульсом, ситуация бы значительно улучшилась. Такой мотор увеличил бы орбитальную скорость космического аппарата не на 10 км/с, а на 20 км/с и даже больше. Корабль с подобными двигателями преодолел бы расстояние от Земли до Сатурна не за семь лет, как зонд «Кассини», а всего за три года. К счастью, эта задача становится разрешимой, если вместо химических или электрических «разгонщиков» использовать ядерные ракетные двигатели (ЯРД). Они способны обеспечить вполне приемлемые параметры тяги и достаточно высокий удельный импульс, обусловленный огромной скоростью истечения рабочего тела. Очень важно, что для создания ЯРД вовсе не обязательны футуристические технические решения, вполне может хватить уже существующих технологий.
Идея ЯРД проста до глупости, как говорил инженер Гарин о своем гиперболоиде. Источником энергии служит ядерная установка, в которой идут реакции деления, синтеза или даже аннигиляции материи и антиматерии. Выделяемая реактором энергия непосредственно или через промежуточные этапы передается рабочему телу, которое с большой скоростью выбрасывается из ракетных сопел. Конечно, это лишь принципиальная схема. Все прочее – уже конкретные технические решения.

Если оставить за кадром аннигиляцию и прочие полуфантастические идеи, то на сегодня просматриваются две реальные возможности исполнения ЯРД. Одна из них – охлаждение реактора летучим веществом, лучше всего жидким водородом, который после испарения будет уходить через сопла и создавать реактивную тягу. Такую конструкцию принято называть тепловой ядерной ракетой, TNR (Thermal Nuclear Rocket). При использовании реактора на уране или плутонии удельный импульс TNR должен составить от 800 до 1100 секунд. Другая возможность – оснащение корабля небольшой атомной электростанцией (ЯЭУ – ядерная энергоустановка), которая вырабатывает ток для питания электрореактивного двигателя. Удельный импульс этой системы можно довести до 5000 с. В качестве силовой установки можно использовать и компактный термоядерный реактор, но его в самом лучшем случае создут лет через 50.
Писатели-фантасты и популяризаторы науки заговорили об атомных ракетах еще в 30-е годы ХХ века. В качестве практически достижимой цели ЯРД первым предложил Станислав Улам. Американец польского происхождения, выпускник Львовского политехнического института, Улам был исключительно сильным математиком (он придумал метод Монте-Карло) и физиком-расчетчиком (вместе с Эдвардом Теллером разработал теоретические основы конструкции водородной бомбы). В 1944 году Улам и его лос-аламосский коллега Фредерик де Хоффман впервые просчитали возможности применения ЯРД для космических полетов. Через 11 лет Улам и Корнелиус Эверетт в секретной докладной записке предложили разгонять космические корабли с помощью маломощных ядерных взрывов. Энергия взрыва расходовалась на испарение диска из твердого вещества, расположенного между кормой корабля и ядерным зарядом. Возникающий поток плазмы должен был бы отражаться от кормового экрана и толкать корабль вперед.
Идея Улама и Эверетта легла в основу проекта Orion, над которым в 1958 году начала работать калифорнийская корпорация General Atomics, до этого занимавшаяся только коммерческими ядерными реакторами. Под эту задачу выделил деньги (впрочем, не слишком большие) и Пентагон. До атомных взрывов дело не дошло, испытывались лишь различные модели дисков и экранов. Поначалу участники проекта были исполнены такого оптимизма, что всерьез надеялись запустить атомный корабль к Сатурну не позже 1970 года. Любопытно, что среди них был один из создателей квантовой электродинамики, знаменитый физик-теоретик Фримен Дайсон. Но в начале 1960-х министр обороны Роберт Макнамара пришел к выводу, что в военном плане эта идея бесперспективна. А в 1963-м СССР, США и Великобритания договорились о запрете всех ядерных взрывов, за исключением подземных. В результате проект Orion вступил в противоречие с международным правом и год спустя тихо скончался. Обошелся он в целом не так уж и дорого – всего в $11 млн.
В техническом плане Orion можно считать пульсирующим TNR, вынесенным за пределы космического аппарата. В другом любопытном проекте – Helios – предполагалось детонировать атомные заряды не вне, а внутри корабля, в заполненной водой сферической камере из термостойкого материала. Образовавшийся при взрыве пар должен был выбрасываться через сопла и разгонять ракету. Но дальше всего в США зашли начатые в 1956 году работы по проекту NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application), цели которых много раз изменялись. В конце концов было решено построить два пилотируемых корабля с ЯРД, которые в начале 1980-х доставили бы 12 американских астронавтов на Марс и возвратили их назад на Землю. В ходе реализации этого проекта с разной степенью успеха были опробованы модели экспериментальных ядерных реакторов Kivi, Phoebus, PEWEE и NF-1. В 1968 году состоялись стендовые испытания прототипа будущего ракетного мотора XE Prime мощностью 1100 МВт, и уже шло дело к изготовлению образца для летных испытаний. Однако в 1972 году программу закрыли, сочтя ее чересчур дорогой и практически ненужной ни в научном, ни в политическом плане.
В последней четверти XX века NASA больше не занималось разработкой ЯРД. Министерство обороны США еще некоторое время сохраняло опытно-конструкторскую программу SNAP (Space Nuclear Thermal Propulsion), но в 1992-м ее финансирование полностью прекратили. Около десяти лет назад небольшая фирма Plus Ultra Technologies обнародовала проект компактного ЯРД Mitee, который в техническом плане был прямым наследником программы SNAP. Она предложила начинять цилиндрические матрицы высокоактивными расщепляющимися материалами, ураном-233 и америцием-242, и прокачивать сквозь эти трубки жидкий водород. Вычисления показали, что испаряющийся газ, разогретый до 3000–35000С, будет вылетать из сопел с огромной скоростью. Предполагалось, что ракета Delta или Atlas выведет космический аппарат на 800-км орбиту, после чего можно будет запустить ЯРД и лететь по назначению – например, к Плутону. Конструкторы утверждали, что такой ЯРД можно построить за 6–7 лет всего за $1 млрд. и что удельный импульс наиболее продвинутого варианта двигателя составит 1600 с. Но поскольку NASA не проявило достаточного интереса, этот проект существует лишь на бумаге.

NASA вернулось к идее ЯРД в 2003 году. Новый проект назвали Prometheus. На первой стадии его осуществления должны быть получены экспертные оценки возможности создания компактного реактора для питания электроракетных двигателей нового поколения. В пару ему предстоит разработать ионный двигатель Heracles с тягой 60 г при удельном импульсе 7000 с, с ресурсом не меньше, чем 7–10 лет. Связка таких двигателей сможет разгонять исследовательские зонды весом в несколько тонн до 80–90 км/с.
Не так давно сотрудники Лаборатории элементарных частиц университета Пенсильвании предложили использовать для ЯРД термоядерный реактор, в котором процесс синтеза гелия запускается с помощью антивещества! Топливом служит плазма, состоящая из ядер дейтерия и гелия-3 – легкого радиоактивного изотопа гелия. При слиянии таких ядер рождаются протоны и альфа-частицы, которые обладают вполне солидной суммарной кинетической энергией, равной 18,3 МэВ. Для запуска термоядерного синтеза плазму необходимо сжать и нагреть, чтобы выполнить так называемое условие Лоусона. В реакторе ITER эта задача решена с помощью сверхмощных магнитных полей, для создания которых требуется громоздкое оборудование и огромное количество энергии. Тем не менее реакцию можно зажечь и в небольшой камере, насытив дейтериево-гелиевую плазму антипротонами. При их аннигиляции должны рождаться ударные волны, которые и дожмут плазму до лоусоновского критерия. Антипротоны предполагается хранить в электромагнитной ловушке и закачивать в реактор по мере необходимости. Расчетные характеристики двигателя таковы: ресурс – 22 года, удельный импульс – 61 000 секунд, финальная скорость разгона космического зонда – около 1000 км/с, дальность полета – более 1500 астрономических единиц! К этим фантастическим цифрам остается добавить, пожалуй, только одну: разумный срок перевода этой идеи в металл – не раньше 2050 года.

Плазменные двигатели для России

«Метеор-10», выведенный 29 декабря 1971 года на условно-синхронную орбиту (что позволяло проходить над одними и теми же точками земной поверхности через определенные интервалы времени) был самым обычным метеоспутником. Но только на первый взгляд: на его борту кроме обычной системы ориентации стояли еще два экспериментальных двигателя. Один из них, носящий имя греческого бога западного ветра – «Зефир», проработал всего около часа и дальнейшего развития не получил. А вот второй, названный в честь повелителя ветров – «Эол-1», разработанный группой сотрудников ИАЭ (Института атомной энергии) под руководством Алексея Ивановича Морозова и изготовленный калининградским ОКБ «Факел», положил начало целому космическому направлению – плазменным двигателям.
История плазменных двигателей началась в 1950 году, когда выпускника физфака МГУ Алексея Морозова партком распределил преподавать механику и электротехнику в техникуме заводского поселка Людиново на юго-востоке Калужской области. Причина проста: отец Морозова был репрессирован и никто не принимал во внимание ни его специализацию (квантовая теория поля), ни неоднократные просьбы его научного руководителя – декана физфака Арсения Александровича Соколова – оставить его на кафедре. Преподавателей физики в те годы довольно часто просили выступать с лекциями об атомной энергии, и Морозов не стал исключением. В один из дней 1953 года он возвращался в Людиново с подобной лекции в деревне Черный поток. «Незадолго до этого я прочитал книжку Гудмана об основах ядерной энергетики. Там была схема ядерной ракеты – газ проходил сквозь активную зону и разогревался. Меня поразило, насколько неэффективна эта конструкция – с одной стороны, атомная энергия, а с другой – это ведь просто тепловая машина! – вспоминает Алексей Иванович. – И пока я шел 12 км по шпалам до Людиново, я вспомнил эксперименты с силой Ампера и катушкой Томсона, которые я показывал студентам в училище, и мне пришла в голову идея – почему бы не разгонять рабочее тело магнитным полем?» Теоретические выкладки показывали, что это вполне возможно, и Морозов решил провести эксперимент. Изготовив из асбоцемента «кирпичик», он просверлил в нем крест-накрест два отверстия. В одно он с разных сторон вставил два угольных стержня от батареек, а сверху и снизу бруска расположил два полюса мощного электромагнита. В обычном состоянии плазма, образующаяся в процессе горения дуги, с легким шипением вылетала с обеих сторон второго отверстия, но стоило включить электромагнит – и поток стал бить в одну сторону со страшным ревом.

В 1955 году Морозов написал статью «О возможности создания плазменных электрореактивных двигателей», но его научный руководитель, прочитав ее, дал хороший совет: «Такую статью сразу же засекретят. Лучше изменить название на что-нибудь более нейтральное». В результате в ЖЭТФ (Журнал экспериментальной и теоретической физики) статья вышла под названием «Об ускорении плазмы магнитным полем». Рецензировал ее глава отдела плазменных исследований ИАЭ Лев Арцимович. Теория, изложенная в статье Морозова, позднее нашла свое отражение в статье самого Арцимовича о рельсотроне (только у Морозова магнитное поле было постоянное, а у Арцимовича – электродинамическое). Публикация вызвала среди специалистов большой резонанс, ее даже дважды обсуждали на заседании Американского физического общества.
В 1955 году Морозов защитил диссертацию, а в 1957-м его пригласили на работу в ИАЭ. К концу 1950-х успехи СССР в космосе вдохновили конструкторов замахнуться на несколько крупномасштабных космических проектов. Планировался даже полет к Марсу, и поэтому 2 июля 1959 года Лев Арцимович созвал сотрудников на совещание. Темой обсуждения была возможность построения двигателей для марсианского корабля. Арцимович предложил для такой системы следующие характеристики: тяга около 10 кгс, скорость истечения 100 км/с при мощности двигателя 10 МВт. Сотрудники ИАЭ предложили несколько проектов: плазменный импульсный двигатель (А.М. Андрианов), магнитно-плазменный аналог сопла Лаваля (А.И. Морозов) и двигатель на основе однощелевого источника ионов, практически такого же, какой применялся для электромагнитного разделения изотопов (Павел Матвеевич Морозов, однофамилец Алексея Ивановича).
Кстати, все эти проекты в том или ином виде позднее были реализованы. Плазменно-эрозионный (вариант импульсного) двигатель Андрианова значительно меньшей мощности был установлен на один из спутников и выведен в космос в 1964 году, а ионный двигатель П.М. Морозова под именем «Зефир» (тоже маломощный) стоял на том самом спутнике «Метеор-10». Эксперименты с магнитным аналогом сопла Лаваля с центральным телом (сами разработчики называли его «коаксиал») велись с 1960 года, но схема оказалась сложной, и построен он был лишь в 1980 году совместными усилиями ИАЭ, Харьковского физико-технического института, ТРИНИТИ и Института физики Белоруссии. Мощность этого монстра составила 10 ГВт!
Однако эти проекты не подходили для марсианской программы по одной простой причине: у конструкторов тогда не было источников питания подходящей мощности. Эта проблема актуальна и сейчас: максимум, на который можно рассчитывать, это десятки киловатт. Нужно было переходить к мелкому масштабу. Георгий Гродзовский (ЦАГИ) одним из первых стал конструировать маломощные электроракетные двигатели у нас в стране. Начиная с 1959 года его ионные двигатели испытывались в космосе (правда, не на спутниках, а на баллистических ракетах). В 1957 году М.С. Иоффе и Е.Е. Юшманов начали исследования магнитной (так называемой пробочной) ловушки для плазмы. Для заполнения ее горячей плазмой (10 млн. градусов) они использовали ускорение ионов в скрещенных электрических и магнитных полях. Эта работа послужила фундаментом для создания ряда плазменных двигателей. В 1962 году Алексей Морозов предложил свою конструкцию плазменного двигателя малой мощности, названного СПД (стационарный плазменный двигатель). Принципиально важной особенностью СПД было то, что величина магнитного поля нарастала к срезу канала двигателя – это обеспечивало создание в плазме объемного электрического поля. Вся идея двигателя была построена именно на существовании такого поля.

«Впервые на возможность существования объемных электрических полей в плазме указал в 1910 году Таунсенд, однако на протяжении 50 лет попытки создать такое поле были неудачны. В то время считали, что, поскольку плазма является проводником – поле в ней создать нельзя. На самом деле создать объемное электрическое поле в плазме без магнитного поля действительно нельзя – за счет свободных электронов происходит ее экранирование. Но в присутствии магнитного поля, которое влияет на движение электронов, объемные электрические поля в плазме могут существовать. Группа А.И. Морозова начала заниматься СПД в 1962 году. Почти пять лет двигатель существовал в лабораторном варианте – в 1967-м модель еще была оснащена водяным охлаждением. Пора было приступать к летно-космическим испытаниям, но на этом этапе разработчики столкнулись с неожиданной проблемой. Конструкторы космических аппаратов категорически отказывались ставить на борт что-либо электрическое! Директор ИАЭ академик Александров несколько раз встречался с конструкторами различных космических аппаратов, и ему удалось наконец договориться с Иосифьяном, главным конструктором спутников серии «Метеор».
Однако проблемы на этом не закончились. В 1969 году Иосифьян выдал группе разработчиков техническое задание, согласно которому они должны были сделать не сам двигатель, а всю установку, включая систему питания, подачи ксенона и т.п. При этом надо было уложиться в очень жесткие рамки: тяга 2 гс, КПД 30–40%, потребляемая мощность 400 Вт, масса 15 кг, ресурс 100 часов. И все это нужно было сделать за 5 месяцев! Группа Морозова работала буквально днем и ночью, но успела. Изготовление же двигательной установки было поручено калининградскому ОКБ «Факел», директором которого был в то время талантливый конструктор Роальд Снарский. Через несколько дней после запуска «Метеора» начались эксперименты с двигателями. «Эол-1» был установлен на спутник таким образом, что ось его тяги не проходила через центр масс аппарата. При включении двигателя возникал некоторый крутящий момент, который можно было компенсировать системой ориентации, при этом она служила еще и измерителем тяги «Эола».
За экспериментом внимательно следили не только создатели двигателя, но и скептики, коих было достаточно. «Эол-1» должен был проработать всего несколько минут, потом автоматически выключиться (конструкторы боялись, что струя плазмы заблокирует радиосигнал). Двигатель отработал свое и выключился. После проведения радиоконтроля орбиты оказалось, что результаты в точности соответствуют лабораторным данным. Правда, скептики не угомонились и выдвинули гипотезу, что изменение орбиты вызвано обычным истечением газа через открытый клапан. Но это предположение не подтвердилось: после второго включения по команде с Земли двигатель проработал еще 170 часов, подняв орбиту «Метеора-10» на 15 км. ОКБ «Факел» отлично справилось со своей задачей: ресурс был превышен почти вдвое.

В начале 1980-х «Факел» начинает серийно производить двигатели СПД-70 – потомки «Эолов». Первый спутник с этим двигателем, «Гейзер №1», был запущен в 1982-м, а в 1994-м новой моделью СПД-100 оснастили спутник связи «Галс-1». Однако, хотя сообщение об успешном испытании плазменного двигателя «Эол» в 1974 году было совершенно открыто опубликовано в журнале «Космические исследования», зарубежные конструкторы считали СПД лишь интересной теоретической разработкой. Поэтому демонстрация представителям NASA и JPL в 1991 году работающих двигателей «Факела» и сообщение, что подобными оснащены серийные спутники, вызвала у них настоящий шок (американцы в основном пошли по пути разработки ионных двигателей). Неудивительно, что «Факел» сейчас считается в мире ведущим производителем электроракетных плазменных двигателей. «На каждом третьем российском спутнике стоит наш двигатель, а три из пяти крупнейших западных производителей космических аппаратов покупают у нас СПД, – рассказал директор и генеральный конструктор ОКБ «Факел» Вячеслав Михайлович Мурашко. – Ими, например, оснащены спутники MBSat-1, Intelsat-X-02, Inmarsat-4F1». Посылая свой спутник SMART-1 к Луне, Европейское космическое агентство выбрало для него в качестве двигателей плазменные PPS-1350, совместную разработку французской компании Snecma Moteurs, ОКБ «Факел» и МИРЭА.
Что же ожидает нас в ближайшем будущем? В 1980-х годах группа в МИРЭА разработала двигатель следующего поколения, СПД Атон. Расходимость плазменного пучка в СПД-100 составляет +/– 45 градусов, КПД – 50%, а соответствующие характеристики СПД Атон +/–15 градусов и 65%! Он пока не востребован, как и другой наш двигатель, двухступенчатый СПД Мах с измененной геометрией поля – конструкторы пока обходятся более простыми СПД-100. Дальний космос требует двигателей с масштабами 10-100 кВт или даже МВт. Подобные разработки уже есть – в 1976 году в ИАЭ сделали двигатель мощностью в 30 кВт, да и «Факел» в конце 1980-х разработал СПД-290 мощностью 25 кВт для космического буксира «Геркулес». В любом случае теория таких двигателей построена, поэтому в рамках классической схемы СПД вполне реально довести мощность до 300 кВт.А вот дальше, возможно, придется перейти к другим конструкциям. Например, к двухлинзовому ускорителю на водороде, разработанному в ИАЭ в конце 1970-х. Эта машина имела мощность 5 МВт и скорость истечения 1000 км/с. В любом случае на межпланетных кораблях будут стоять плазменные двигатели.

Плазменные двигатели: миф и реальность

Проклятие Циолковского

Экстремально сложная проблема создания космического аппарата, способного за разумное время (сравнимое с человеческой жизнью) преодолеть межзвездные расстояния, обусловлена парадигмой традиционной ракеты. Которая несет на борту запас топлива и, как следствие, расходует на его разгон почти всю извлекаемую из топлива энергию! Математическим выражением этого проклятия является т.н. формула Циолковского, вытекающая из закона сохранения импульса:

Здесь не учитываются затраты топлива на подъем с Земли и выход на орбиту, где начинается разгон до крейсерской скорости. Однако очевидно, что прежде чем отправиться в далекое путешествие, корабль будет собран из модулей на околоземной или окололунной орбите.

Ионный двигатель

Н а сегодняшний день отсутствует ясное представление о том, как именно космические аппараты когда-нибудь преодолеют рубеж скорости в 10 000 км/cек. Это — примерно 130 лет полета до ближайшей звездной системы Альфы Центавра. Нет смысла рассматривать бесплодные фантазии вроде фотонного звездолета. Нелепа сама идея использовать для создания тяги фотоны с их ничтожным по сравнению с энергией импульсом! В качестве реальной возможности рассматривается двигатель, использующий энергию термоядерного синтеза. Однако предлагаемые методы синтеза в малом масштабе, сводящиеся к поджиганию таблеток из дейтерия + гелия-3 лучами лазеров или пучками ионов/электронов, едва ли когда-нибудь будут реализованы на борту космического судна . Надежды на солнечные паруса безнадежны, т.к. по мере удаления от Солнца их тяга стремится к нулю. При площади паруса в 1000 кв. км и фантастической массе аппарата с парусом в 1 тонну, через год будет пройдено 107.7 млрд. км, а скорость парусника достигнет 1714 км/сек. И это практический предел, поскольку даже через 700 лет полета, когда аппарат достигнет системы Альфа-Центавра, скорость не превысит 1715 км/сек. Полубезумные проекты парусов размером с Европу, которые приводятся в движение миллионами лазеров с Луны, наглядно демонстрируют бессилие идеи космического парусника. Хотя для полетов в Солнечной системе, не слишком далеко от Солнца, она имеет определенную перспективу.

Среди испытанных конструкций, способных дать существенную тягу, вне конкуренции ядерные двигатели с теплоносителем (ЯРД). В СССР был разработан и испытан превосходный образец такой установки — РД0410 http://www.kbkha.ru/?p=8&cat=11&prod=66 . Скорость истечения рабочего тела из сопла, т.е. удельный импульс Я РД может состав лять9 - 10 км/сек . Это более, чем вдвое превышает показатели любых химических ракетных двигателей. При разумном ограничении стартовой массы в 10 000 тонн и скромной нетто-массе 100 т (без учета топлива и рабочего тела) , предельная скорость корабля

Отлично для полетов в Солнечной системе, но не годится для путешествия в систему Альфа Центавра, которое продлилось бы около 29 000 лет! Двухступенчатая схема даст вдвое большую скорость, но стартовая масса вырастет на порядок. Для нашего корабля с ЯРД и нетто-массой 100 т, который разогнался до скорости 200 км/сек, стартовая масса приблизилась бы к 50 миллиардам тонн! Скорости км/сек отвечает не столь кошмарный, но тоже впечатляющий запас рабочего тела, который превышает 2 миллиона тонн . Таким образом 100 км/сек — это трудно достижимый, практический предел для ракет с ЯРД , по мере приближения к которому начинается гигантомания. Из формулы Циолковского вытекает, на первый взгляд, простое решение проблемы. Нужно на порядки увеличить удельный импульс , и тогда не придется экспоненциально наращивать расход рабочего тела. Для этого принципиально не годится ЯРД — в связи с тем, что рабочее тело нагревается в ядерном реакторе. Необходимую скорость истечения струи может обеспечить т.н. плазменный двигатель. Данный термин можно отнести к большому семейству устройств, различным образом оперирующих с плазмой, включая ионные двигатели.

Классические плазма-моторы

Любой ракетный двигатель выбрасывает из сопла слабоионизированную плазму, но плазменным, ионным, электрореактивным обычно называется лишь тот, который ускоряет плазму за счет электромагнитных сил, действующих на заряженные частицы. О днако сделать это очень сложно, поскольку любое электрическое поле, ускоряющее заряды в плазме, придаст равные по модулю суммарные импульсы ионам и электронам. В самом деле, изменение импульса заряда за время равно , где – сила, действующая на заряд (в поле с напряженностью ). Поскольку плазма в целом электрически нейтральна, сумма всех положительных зарядов равна по модулю сумме отрицательных . За бесконечно малое время вся масса положительных ионов получит импульс . Такой же по величине импульс, направленный в обратную сторону, получит вся масса отрицательных зарядов. Поэтому суммарный импульс равен нулю и, следовательно, тяги не возникнет.

Таким образом, для электрического разгона плазмы необходимо как-то разделить разноименные заряды, чтобы разогнать заряды одного знака, в то время как заряды другого знака выведены из зоны действия ускоряющего поля. Однако эффективно разделить заряды крайне сложно! Этому препятствуют мощные кулоновские силы притяжения, возникающие между разноименно заряженными сгустками плазмы и немедленно восстанавливающие электрическое равновесие. Применяемые в существующих плазменных двигателях методы разделения положительных ионов с электронами используют электростатическое или магнитное поле. В первом случае двигатель традиционно называется ионным, а во втором — плазменным .

Функциональная схема «классического» ионного двигателя»:

1 - подвод рабочего тела; 2 - ионизатор; 3 - пучок ионов; 4 - фокусирующий электрод; 5 - ускоряющий электрод; 6 - блокирующий электрод; 7 - нейтрализатор; 8 - основной источник энергии; 9 - вспомогательный источник энергии. В сравнительно узком интервале между сетчатыми анодом 4 и катодом 5 происходит разгон положительных ионов газа (ксенон, аргон, водород и т.д.), являющегося рабочим телом двигателя. При этом свободные электроны, образующиеся в процессе ионизации, притягиваются к аноду, после чего выводятся в истекающую наружу струю положительно заряженного газа, для его нейтрализации. Катод 6 блокирует притягивание к аноду электронов, покидающих нейтрализатор 7. Анодом является не только электрод 4, но и вся внешняя оболочка камеры, в которой происходит ионизация газа. Анод имеет наибольший потенциал ~1 000 В, в то время как потенциал катода 5 составляет ~100 В, а у катода 6 он еще ниже.

Скорость струи газа, ускорившейся в промежутке между сетками 4 и 5, может доходить до 200 км/cек. Однако тяга ионного двигателя ничтожно мала, в лучшем случая достигая ~ 0.1 ньютона. Это прямо связано с проблемой разделения ионов и электронов. Которая в этом, как и во всех других плазменных двигателях решается крайне неэффективно. Оптимистически предположим, что тягу ионного двигателя с удельным импульсом 200 км/cек удалось довести до 1 ньютона (100 грамм). Тогда корабль со стартовой массой около 15 000 тонн, из которых 14 900 т приходится на рабочее тело (газ), сумеет разогнаться до 1 000 км/сек (по формуле Циолковского . Время разгона выражается формулой , где — полученный кораблем импульс и - сила тяги. В данном случае имеем = 100 000 кг ⋅ 1 000 000 м/сек / 1 Н = 100 млрд. секунд, что составляет примерно 3 200 лет! И это — только нижняя оценка, а фактическое время разгона будет значительно больше вследствие того, что в числитель дроби нужно добавить также импульс, который получило рабочее тело до того, как прошло через двигатель и вылетело из сопла.

Мощность такого двигателя равна = 200 000 Ватт. Реально работающие образцы имеют на порядок меньше. Чтобы сократить время разгона до крейсерской скорости , т.е., увеличить тягу, следует повысить потребляемую электрическую мощность и, соответственно, габариты двигателя. Предположим, что таким образом мы увеличили тягу в 1 000 раз и сократили время разгона до разумных 3.2 года. Неплохо для скорости км/cек, хотя до Альфы Центавра пришлось бы лететь еще 1 300 лет. Однако потребляемая мощность составит сотни мегаватт, что соответствует мощности энергоблока средней АЭС. Это означает, что не существует разумных источников энергии для космических ионных двигателей с тягой хотя бы в десятки килограмм.

Еще в 60-х годах А.И. Морозов предложил свой концепт плазменного двигателя, который был успешно испытан в 70-х. Здесь заряды разделяются радиальным магнитным полем, которое прикладывается в зоне разгона положительных ионов продольным электрическим полем. Значительно более легкие электроны, под действием сил Лоренца, спирально навиваются на силовые линии магнитного поля и как бы «выдергиваются» магнитным полем из плазмы. При этом массивные ионы по инерции проскакивают магнитное поле, ускоряясь электрическим в продольном направлении. Механизм нейтрализации работает также, как в ионном двигателе. Данная схема, имея перед ним определенные преимущества, не позволяет добиться существенно большей тяги при сравнимой мощности. Магнитный метод разделения зарядов далек от эффективного решения проблемы и не позволяет создавать плазменные двигатели, которые могли бы быть использованы для межзвездных путешествий.

Чтобы убедиться в этом предположим, что 1 грамм ионов удалось разделить с электронами и последние скопились на выходе из сопла, навиваясь на силовые линии поперечного магнитного поля с индукцией Тс. Тогда этот избыточный отрицательный заряд составит примерно -95 000 Кл. Легко проверить, что соответствующие «избыточные» ионы с общей массой 1 г за несколько фемтосекунд разгонятся до ~10 000 км/сек. При этом электроны избыточного заряда не приобретут равного импульса навстречу ионам, что нивелировало бы реактивный эффект, т.к. за магнитное поле завернет эти электроны на круговые траектории с радиусами порядка 1 метр. Таким образом, для придачи аппарату тягового импульса 10 000 кг ⋅ м / сек = 0.001 кг ⋅ 10 000 000 м/cек придется в объеме нескольких кубометров создать сверхмощное магнитное поле порядка 10 000 Тесла. Такие экстремальные поля создаются только взрывомагнитными генераторами А.Д. Сахарова и их современными вариациями, причем они существуют лишь микросекунды и в объемах, измеряемых кубическими дециметрами. При этом энергия магнитного поля будет иметь порядок 10 ТераДжоулей. С учетом того, что кумулятивные генераторы способны преобразовать до 20 – 30 % энергии химического взрыва, для придания космическому аппарату тягового импульса ~10 000 кг ⋅ м / сек пришлось бы эффективно утилизировать энергию ядерного взрыва мощностью ~10 Кт.

При массе корабля в 100 т потребуется миллион таких импульсов, чтобы увеличить его скорость всего на 100 км/cек. И то лишь при условии, что ядерные заряды не пришлось везти на борту и они были заблаговременно размещены в космосе на участке разгона. Но миллион ядерных бомб - это несколько тысяч тонн плутония, которого за весь период существования ядерного оружия было произведено немногим более 300 тонн. Таким образом, имея лишь плазменным мотор с магнитным разделением зарядов, о полете к звездам лучше забыть.

Что делать с плазмой?

По-видимому, проблема эффективного разделения зарядов в плазменных двигателях принципиально неразрешима. Существуют передовые проекты плазменных двигателей с мощностью 5 МВт и удельным импульсом 1 000 км/cек, но их тяга была бы равна 5 000 000 Вт / 1 000 000 м/сек = 5 Н, поэтому проблема сокращения времени разгона остается непреодолимой. Не говоря уже о том, что в космосе трудно добыть мегаватты потребляемой электрической мощности.

Понимая эти проблемы, разработчики плазменных моторов ищут другие подходы. Заметный энтузиазм вызывает новый концепт VASIMR, который в лаборатории показывает лучшие среди плазменных движков результаты: удельный импульс 50 км/cек, тяга 6 ньютонов и КПД 60 — 70 % (тест VX-200). Строго говоря VASIMR даже не является плазменным двигателем, потому что он генерирует высокотемпературную плазму, которая разгоняется в сопле Лаваля — за счет газодинамических эффектов и без электричества.

Через трубку 1 под давлением подается газ, который сначала разогревается и слегка ионизируется микроволновым излучением от 3. Затем поток плазмы, изолированный от стенок магнитным полем катушек 4, дополнительно разогревается антенной 5, которая излучает радиоволны на циклотронной частоте (это частота винтового вращения электрона вокруг силовой линии продольного магнитного поля) . Такой резонансный нагрев повышает температуру плазмы до миллионов градусов, после чего она истекает в магнитное сопло Лаваля 6. Последнее предохраняет стенки от контакта с горячей плазмой и преобразовывает энергию теплового движения ионов в энергию поступательного движения газовой струи. В сущности VASIMR позволяет получить очень горячую, высоко ионизированную плазму посредством микроволнового нагрева. Ускорение плазмы происходит вполне аналогично тому, как ускоряется газовая струя на выходе из обычного ракетного двигателя. Сжиганием химического топлива такую температуру плазмы получить нельзя, но за счет ядерного взрыва это сделать можно . Результаты VASIMR демонстрируют некоторый прогресс, но они по-прежнему бесконечно далеки от потребностей межзвездных экспедиций и явно не имеют перспектив развития в этом направлении. Что касается удельного импульса, то VASIMR является шагом назад.

Ист очник: http://spaceflight.nasa.gov/shuttle/support/researching/aspl/images/vasimr.jpg

Есть еще один, сравнительно новый концепт плазменного двигателя — MPD thruster, с которым связывают большие надежды. Идея заключается в следующем. Создается такой плазменный разряд между анодом и катодом, чтобы соответствующий электрический ток индуцировал кольцевое магнитное поле . Силой Лоренца поле действует на движущиеся заряды тока , отклоняя часть из них в продольном направлении. Так возникает истекающий «вправо» сгусток плазмы, который создает тяговый толчок. Двигатель работает в импульсном режиме, т.к. необходимы короткие паузы между разрядам для скапливания зарядов на электродах.

MPD — thruster не нуждается в разделении разноименных зарядов, потому что в разрядном токе они движутся во встречных направлениях и, соответственно, силы Лоренца имеют одинаковые направления. Теоретически этот концепт имеет выдающиеся показатели на фоне других плазменных моторов, потому что может развивать килограммы тяги. Однако магнитное поле в принципе не способно разгонять электрические заряды, потому что сила Лоренца действует перпендикулярно скорости заряда и, стало быть, не меняет его кинетическую энергию. MPD — thruster лишь отклоняет направление движения зарядов так, что плазма вылетает наружу в продольном направлении. Но для того, чтобы ток между анодом и катодом был достаточно плотным для создания тяги, придется затратить много электрической энергии. Во всяком случае, потребляемая электрическая мощность не уступает мощности плазменной струи. При удельном импульсе ~1 000 км/сек и тяге в 100 кг потребляемая мощность составит сотни мегаватт, что практически невозможно генерировать в космосе. Но даже при таких, возможных пока лишь теоретически показателях MPD — thruster-а, оснащенный им корабль с нетто-массой 100 т разгонится до 10 000 км/сек за 317 лет (!) при нереальной стартовой массе 2 200 000 тонн. Кроме того, невозможно вообразить себе расход миллионов тонн газа в двигателе, пропускающем через него мощные электрические разряды. Очевидно, что никакие электроды не выдержат таких тепловых и химических нагрузо к.

Принципиальная Схема MPD — thruster,