Термоэлектрические двигатели используют электроэнергию, чтобы нагреть топливо, либо пропуская ток через нагревательный элемент, либо пропуская ток через горячий ионизированный газ или саму плазму, к реактивному двигателю.
Электромагнитные двигатели ионизируют ракетное топливо, превращая его в электропроводящую плазму, которая разгоняется при взаимодействии с мощным электрическим током и магнитным полем. Импульсные плазменные двигатели на самом деле очень похожи на электродвигатели.
Электростатические двигатели используют электрическое поле, генерируемое путем применения высокого напряжения на две сети, перфорированные множеством крошечных дырочек, чтобы ускорить топливо. Такой ксеноновый двигатель (а точнее три таких) и стоит на зонде Dawn. Другая электростатическая конструкция является двигателем на эффекте Холла, который работает похоже, но вместо высокого напряжения генерирует электрополе в выходной плоскости двигателя, захватывая электроны магнитным полем.
Полвека создания
Концепция электрической двигательной установки существует уже более 50 лет, но всегда считалась слишком рискованной, чтобы лечь в основу крупных проектов. Только сейчас она начинает обретать реальные применения. К примеру, для сохранения геостационарных спутников на корректной орбите, чтобы противостоять аэродинамическому сопротивлению в разреженной атмосфере в 200 км над поверхностью Земли. Межпланетные миссии вроде Deep Space 1 - первой экспериментальной миссии с использованием ионных двигателей - изначально задумывались для демонстрации возможностей технологии, но по большей части успешно выполнили возложенные на них обязательства по исследованию астероида 9969 Брайля и кометы Боррелли 15 лет назад.
Еще одна весьма успешная миссия с ионными двигателями была GOCE (Gravity field and steady state Ocean Circulation Explorer); этот спутник за четыре года до 2013 года не был в состоянии отобразить в беспрецедентных деталях гравитационное поле Земли.
Будущие проекты
Теперь, когда космические аппараты с электродвигателями начинают получать широкое распространение, они вполне могут снизить стоимость развертывания спутников. С компактными ионными двигателями на борту, спутники могут поднимать себя от низкой околеземной орбиты к окончательной геостационарной орбите своими силами. Это позволит сэкономить огромное количество топлива, необходимого для подъема спутников силами обычных химических ракет, а также использовать гораздо меньшие ракеты-носители, которые тоже сэкономят денег. Boeing первой начала в 2012 году оснащать полностью электрические версии своей платформы спутников 702 ксеноновыми ионными двигателями, и другие производители спутников тоже последуют их примеру.
В настоящее время все проекты работают с использованием ксенонового газа и топлива, но ищутся альтернативы, поскольку ксенон очень дорогой. Но электрическая энергия никуда не денется, и в более долгосрочной перспективе космические буксиры и даже пилотируемые полеты на Марс, в основе которых будет лежать ядерная электрическая установка, получат широкое распространение.
Основная проблема в освоении космических просторов - крайне низкие скорости у разработанных человечеством летательных аппаратов. Современные разработки имеют также и огромный расход топлива. Таким образом, если построить ракету и запустить ее, например, на Марс и обратно, то корабль будет просто огромный. И большую его часть будет занимать именно топливо. Приблизительно для высадки на Марс нужно более миллиарда тонн высококачественного ракетного топлива. К счастью, такая современная разработка ученых, как ионный двигатель, сможет в недалеком будущем решить эту проблему. Теоретически с его помощью можно разгоняться до двухсот километров за секунду. Основными плюсами можно назвать именно огромные развиваемые скорости и маленький запас горючего. Для работы такого агрегата, как ионный двигатель, нужны лишь электричество и инертный газ. Однако есть у него и некоторые недостатки, например, слабая разгонная скорость. Это заставляет задуматься о многих проблемах применения двигателя в условиях присутствия гравитационных полей.
Ионный двигатель: принцип действия
Благодаря высокому напряжению ионизируется газ в специальной камере. Вследствие этого ионы газа начинают выбрасываться прочь из камеры и создавать тягу. Однако, так как это цепная реакция, и сила тяги увеличивается очень медленно и постепенно, понадобится приблизительно полгода, чтобы разогнаться до двухсот километров в секунду. Примерно такое же количество времени уйдет и на торможение. С другой стороны, объективно эти цифры очень малы в сравнении с показателями у современных космических двигателей, которым на достижение подобных по качеству результатов необходимо было бы затратить в двадцать раз больше времени. Более того, инертный газ занимает в сотни раз меньше места, чем топливо у ракет. Единственная проблема, которую сложно решить - это наличие электричества. Солнечных батарей просто не хватит для работы таких приборов, как ионные двигатели, поэтому вероятно применение ядерного реактора.
Еще одним недостатком можно считать низкую маневренность. Также основным вопросом стоит проблема с гравитацией. Находясь в пределах поля Земли, двигатель просто не будет работать. С другой стороны, в условиях открытого космоса аналогов такого устройства, как ионный двигатель, пока нет.
Немного истории и перспективы
В фантастической литературе подобные приборы встречались довольно часто. Однако только в 1960 году был создан ионный двигатель своими руками (а точнее, руками научных сотрудников НАСА). Он назывался широко-лучевым электростатическим устройством. Уже в начале семидесятых прошли испытание ртутные электростатические двигатели в условиях открытого космоса.
К концу семидесятых генераторы на основе эффекта Холла использовали в Советском Союзе. В качестве именно основного двигателя ионный был применен на американском космическом аппарате в 1998 году. За ним последовали европейский зонд, японский космический корабль в 2003 году. На сегодняшний день НАСА разрабатывает знаменитый проект под названием «Прометей». Для него конструируют супермощный ионный двигатель, который питается от ядерного реактора.
Издание «YAHOO» приводит материал со сведениями о новом революционном ионном двигателе
для космических полетов.
Космический аппарат НАСА – Dawn (Рассвет) провел более семи лет, путешествуя по Солнечной системе, чтобы перехватить астероид Веста и карликовую планету Церера. Теперь с орбиты вокруг Цереры, зонд передал первые изображения и данные от этих далеких объектов. Но здесь удивительно не только это, а то, что для этой разведывательной космической миссии использовали не обычные ракетные двигатели, а ионный двигатель на электротяге, аналогов которому нет в мире.
Такие ионные двигатели впредь будут двигать следующее поколение космических аппаратов. Электроэнергия используется здесь для создания заряженных частиц топлива, как правило, с помощью газа ксенона, и ускоряет их до чрезвычайно высоких скоростей. Скорость истечения частиц у обычных ракет ограничена химической энергией, запасенной в молекулярных связях в топливе, которое ограничивает их тягу до около 5 км / с. А вот у ионных двигателей, в принципе, ограничена только электрическая мощность, которая может быть доступной на корабле, но, как правило, скорость выхлопных газов из заряженных частиц лежит в невероятных для нашего времени пределах — от 15 км / с до 35 км / с.
Это означает на практике, что двигатели с электрическим приводом намного экономичнее, чем с химическим, так огромное количество стартовой массы космического корабля может быть спасена за счет меньшей потребности в топливе на борту. При стоимости для запуска одного килограмма массы на околоземную орбиту около $ 20 000, это может сделать космический корабль значительно более дешевым. Это может быть весьма полезным для коммерческих производителей геостационарных спутников, где электрическая силовая установка позволяет им маневрировать, добавив новые возможности для миссий спутников. Тем не менее, для научных миссий, таких как межпланетные путешествия во внешних областях Солнечной системы на огромные расстояния, электрические тяговые установки являются только средством для выполнения полезной работы с научной аппаратурой.
Типы электрических ионных двигателей
Космический корабль Рассвет, оснащен большими солнечными панелями для питания электрического двигателя.
Существуют три основных типа электрических двигателей, в зависимости от метода, используемого для ускорения.
Термоэлектрические системы используют электроэнергию, чтобы нагреть топливо либо путем пропускания тока через нагревательный элемент, или пропусканием тока через горячий ионизированный газ или саму плазму в реактивном двигателе.
Электромагнитные двигатели при ионизации ракетного топлива, взаимодействуют с электропроводящей плазмой, ускорение происходит при взаимодействии с сильным электрическим током и магнитным полем. Известный как импульсный плазменный двигатель, этот метод на самом деле очень похож на то, как работает электрический двигатель. Электростатические двигатели используют электрическое поле, генерируемое путем применения высокого напряжения на две перфорированные сетки с множеством мелких отверстий для ускорения топлива. Другой электростатическая конструкция с эффектом Холла, работает таким же образом, но вместо сеток с высоким напряжением генерирует электрическое поле путем захвата электронов в магнитном поле в плоскости выхода двигателя малой тяги.
Полвека в создании ионного двигателя
Понятие об электрической силовой установке присутствовало в течение 50 лет или более, но было сочтено слишком экспериментальным направлением, не способным взять на себя реализацию крупных проектов. Только теперь это направление начинает обретать реальные приложения. Например, для сохранения геостационарных спутников на правильной орбите, чтобы противостоять аэродинамическому сопротивлению в сильно разреженной атмосфере на высоте 200 км над поверхностью Земли. Или во время межпланетной миссии, такой как Deep Space 1- первой экспериментальной миссией, которая использовала ионные двигатели, чтобы изначально продемонстрировать возможности технологии в отношении астероида 9969 Braille и кометы Borrelly 15 лет назад, пишет «YAHOO».
Имелся и еще один проект со спутником, который в течение четырех лет до 2013 года изучал гравитационное поле Земли.
Будущие проекты с использованием ионных двигателей
Электродвигатели космических аппаратов готовы снизить стоимость развертывания спутников. С помощью компактных ионных двигателей на борту спутников, они могут поднять себя с низкой околоземной орбиты к их окончательной геостационарной орбите. Это позволит сэкономить огромное количество, необходимое для подъема спутника с помощью обычных химических ракет, топлива, и позволяют использовать гораздо меньшие ракеты-носители, которые будут значительно экономить деньги. Первые блоки с полностью электрической версией платформы спутника в 2012 году с ионным двигателем были оснащены ксеноновым питанием с сеткой.
В более долгосрочной перспективе, космические буксиры и даже пилотируемые полеты на Марс, будут основаны, наиболее вероятно, на ядерных электрических силовых установках.
Источник — phys.org/news
Статья полезна? Тогда сообщите о ней другим, нажав на кнопки социальных сетей (Twitter, Facebook и др.) ниже.
Скорее всего, вам будут интересны и полезны следующие записи:
,
а также пригодится подписка на новые интересные материалы сайта через оранжевую кнопку вверху или в боковой колонке страницы.
Добавьте статью в закладки, чтобы вновь вернуться к ней, нажав кнопки Ctrl+D .Подписку на уведомления о публикации новых статей можно осуществить через форму "Подписаться на этот сайт" в боковой колонке страницы. Если что непонятно, то, читайте .
Современные ракетные двигатели неплохо справляются с задачей выведения техники на орбиту, но совершенно непригодны для длительных космических путешествий. Поэтому уже не первый десяток лет ученые работают над созданием альтернативных космических двигателей, которые могли бы разгонять корабли до рекордных скоростей. Давайте рассмотрим семь основных идей из этой области.
EmDrive
Чтобы двигаться, надо от чего-то оттолкнуться – это правило считается одним из незыблемых столпов физики и космонавтики. От чего конкретно отталкиваться – от земли, воды, воздуха или реактивной струи газа, как в случае ракетных двигателей, – не так важно.
Хорошо известен мысленный эксперимент: представьте, что космонавт вышел в открытый космос, но трос, связывающий его с кораблем, неожиданно порвался и человек начинает медленно улетать прочь. Все, что у него есть, – это ящик с инструментами. Каковы его действия? Правильный ответ: ему нужно кидать инструменты в сторону от корабля. Согласно закону сохранения импульса, человека отбросит от инструмента ровно с той же силой, с какой и инструмент от человека, поэтому он постепенно будет перемещаться по направлению к кораблю. Это и есть реактивная тяга – единственный возможный способ двигаться в пустом космическом пространстве. Правда, EmDrive, как показывают эксперименты, имеет некоторые шансы это незыблемое утверждение опровергнуть.
Создатель этого двигателя – британский инженер Роджер Шаер, основавший собственную компанию Satellite Propulsion Research в 2001 году. Конструкция EmDrive весьма экстравагантна и представляет собой по форме металлическое ведро, запаянное с обоих концов. Внутри этого ведра расположен магнетрон, излучающий электромагнитные волны, – такой же, как в обычной микроволновке. И его оказывается достаточно, чтобы создавать очень маленькую, но вполне заметную тягу.
Сам автор объясняет работу своего двигателя через разность давления электромагнитного излучения в разных концах "ведра" – в узком конце оно меньше, чем в широком. Благодаря этому создается тяга, направленная в сторону узкого конца. Возможность такой работы двигателя не раз оспаривалась, но во всех экспериментах установка Шаера показывает наличие тяги в предполагаемом направлении.
В числе экспериментаторов, опробовавших "ведро" Шаера, такие организации, как NASA, Технический университет Дрездена и Китайская академия наук. Изобретение проверяли в самых разных условиях, в том числе и в вакууме, где оно показало наличие тяги в 20 микроньютонов.
Это очень мало относительно химических реактивных двигателей. Но, учитывая то, что двигатель Шаера может работать сколь угодно долго, так как не нуждается в запасе топлива (работу магнетрона могут обеспечивать солнечные батареи), потенциально он способен разгонять космические корабли до огромных скоростей, измеряемых в процентах от скорости света.
Чтобы полностью доказать работоспособность двигателя, необходимо провести еще множество измерений и избавиться от побочных эффектов, которые могут порождаться, к примеру, внешними магнитными полями. Однако уже выдвигаются и альтернативные возможные объяснения аномальной тяги двигателя Шаера, которая, в общем-то, нарушает привычные законы физики.
К примеру, выдвигаются версии, что двигатель может создавать тягу благодаря взаимодействию с физическим вакуумом, который на квантовом уровне имеет ненулевую энергию и заполнен постоянно рождающимися и исчезающими виртуальными элементарными частицами. Кто в итоге окажется прав – авторы этой теории, сам Шаер или другие скептики, мы узнаем в ближайшем будущем.
Солнечный парус
Как говорилось выше, электромагнитное излучение оказывает давление. Это значит, что теоретически его можно преобразовывать в движение – например, с помощью паруса. Аналогично тому, как корабли прошлых веков ловили в свои паруса ветер, космический корабль будущего ловил бы в свои паруса солнечный или любой другой звездный свет.
Проблема, однако, в том, что давление света крайне мало и уменьшается с увеличением расстояния от источника. Поэтому, чтобы быть эффективным, такой парус должен иметь очень малый вес и очень большую площадь. А это увеличивает риск разрушения всей конструкции при встрече с астероидом или другим объектом.
Попытки строительства и запуска солнечных парусников в космос уже имели место – в 1993 году тестирование солнечного паруса на корабле "Прогресс" провела Россия, а в 2010 году успешные испытания по пути к Венере осуществила Япония. Но еще ни один корабль не использовал парус в качестве основного источника ускорения. Несколько перспективнее в этом отношении выглядит другой проект – электрический парус.
Электрический парус
Солнце излучает не только фотоны, но также и электрически заряженные частицы вещества: электроны, протоны и ионы. Все они формируют так называемый солнечный ветер, ежесекундно уносящий с поверхности светила около одного миллиона тонн вещества.
Солнечный ветер распространяется на миллиарды километров и ответственен за некоторые природные явления на нашей планете: геомагнитные бури и северное сияние. Земля от солнечного ветра защищается с помощью собственного магнитного поля.
Солнечный ветер, как и ветер воздушный, вполне пригоден для путешествий, надо лишь заставить его дуть в паруса. Проект электрического паруса, созданный в 2006 году финским ученым Пеккой Янхуненом, внешне имеет мало общего с солнечным. Этот двигатель состоит из нескольких длинных тонких тросов, похожих на спицы колеса без обода.
Благодаря электронной пушке, излучающей против направления движения, эти тросы приобретают положительный заряженный потенциал. Так как масса электрона примерно в 1800 раз меньше, чем масса протона, то создаваемая электронами тяга не будет играть принципиальной роли. Не важны для такого паруса и электроны солнечного ветра. А вот положительно заряженные частицы – протоны и альфа-излучение – будут отталкиваться от тросов, создавая тем самым реактивную тягу.
Хотя эта тяга будет примерно в 200 раз меньше, чем таковая у солнечного паруса, заинтересовал Европейское космическое агентство. Дело в том, что электрический парус гораздо проще сконструировать, произвести, развернуть и эксплуатировать в космосе. Кроме того, с помощью гравитации парус позволяет также путешествовать к источнику звездного ветра, а не только от него. А так как площадь поверхности такого паруса гораздо меньше, чем у солнечного, то для астероидов и космического мусора он уязвим куда меньше. Возможно, первые экспериментальные корабли на электрическом парусе мы увидим уже в следующие несколько лет.
Ионный двигатель
Поток заряженных частиц вещества, то есть ионов, излучают не только звезды. Ионизированный газ можно создать и искусственно. В обычном состоянии частицы газа электрически нейтральны, но, когда его атомы или молекулы теряют электроны, они превращаются в ионы. В общей своей массе такой газ все еще не имеет электрического заряда, но его отдельные частицы становятся заряженными, а значит, могут двигаться в магнитном поле.
В ионном двигателе инертный газ (обычно используется ксенон) ионизируется с помощью потока высокоэнергетических электронов. Они выбивают электроны из атомов, и те приобретают положительный заряд. Далее получившиеся ионы ускоряются в электростатическом поле до скоростей порядка 200 км/с, что в 50 раз больше, чем скорость истекания газа из химических реактивных двигателей. Тем не менее современные ионные двигатели обладают очень маленькой тягой – около 50–100 миллиньютонов. Такой двигатель не смог бы даже сдвинуться со стола. Но у него есть серьезный плюс.
Большой удельный импульс позволяет значительно сократить расходы топлива в двигателе. Для ионизации газа используется энергия, полученная от солнечных батарей, поэтому ионный двигатель способен работать очень долго – до трех лет без перерыва. За такой срок он успеет разогнать космический аппарат до скоростей, которые химическим двигателям и не снились.
Ионные двигатели уже не раз бороздили просторы Солнечной системы в составе различных миссий, но обычно в качестве вспомогательных, а не основных. Сегодня как о возможной альтернативе ионным двигателям все чаще говорят про двигатели плазменные.
Плазменный двигатель
Если степень ионизации атомов становится высокой (порядка 99%), то такое агрегатное состояние вещества называется плазмой. Достичь состояния плазмы можно лишь при высоких температурах, поэтому в плазменных двигателях ионизированный газ разогревается до нескольких миллионов градусов. Разогрев осуществляется с помощью внешнего источника энергии – солнечных батарей или, что более реально, небольшого ядерного реактора.
Горячая плазма затем выбрасывается через сопло ракеты, создавая тягу в десятки раз большую, чем в ионном двигателе. Одним из примеров плазменного двигателя является проект VASIMR, который развивается еще с 70-х годов прошлого века. В отличие от ионных двигателей, плазменные в космосе еще испытаны не были, но с ними связывают большие надежды. Именно плазменный двигатель VASIMR является одним из основных кандидатов для пилотируемых полетов на Марс.
Термоядерный двигатель
Укротить энергию термоядерного синтеза люди пытаются с середины ХХ века, но пока что сделать это так и не удалось. Тем не менее управляемый термоядерный синтез все равно очень привлекателен, ведь это источник громадной энергии, получаемой из весьма дешевого топлива – изотопов гелия и водорода.
В настоящий момент существует несколько проектов конструкции реактивного двигателя на энергии термоядерного синтеза. Самой перспективной из них считается модель на основе реактора с магнитным удержанием плазмы. Термоядерный реактор в таком двигателе будет представлять собой негерметичную цилиндрическую камеру размером 100–300 метров в длину и 1–3 метра в диаметре. В камеру должно подаваться топливо в виде высокотемпературной плазмы, которая при достаточном давлении вступает в реакцию ядерного синтеза. Располагающиеся вокруг камеры катушки магнитной системы должны удерживать эту плазму от контакта с оборудованием.
Зона термоядерной реакции располагается вдоль оси такого цилиндра. С помощью магнитных полей экстремально горячая плазма проистекает через сопло реактора, создавая огромную тягу, во много раз большую, чем у химических двигателей.
Двигатель на антиматерии
Все окружающее нас вещество состоит из фермионов – элементарных частиц с полуцелым спином. Это, к примеру, кварки, из которых состоят протоны и нейтроны в атомных ядрах, а также электроны. При этом у каждого фермиона есть своя античастица. Для электрона таковой выступает позитрон, для кварка – антикварк.
Античастицы имеют ту же массу и тот же спин, что и их обычные "товарищи", отличаясь знаком всех остальных квантовых параметров. Теоретически античастицы способны составлять антивещество, но до сих пор нигде во Вселенной антивещество зарегистрировано не было. Для фундаментальной науки является большим вопросом, почему его нет.
Но в лабораторных условиях можно получить некоторое количество антивещества. К примеру, недавно был проведен эксперимент по сравнению свойств протонов и антипротонов, которые хранились в магнитной ловушке.
При встрече антивещества и обычного вещества происходит процесс взаимной аннигиляции, сопровождаемый выплеском колоссальной энергии. Так, если взять по килограмму вещества и антивещества, то количество выделенной при их встрече энергии будет сопоставимо со взрывом "Царь-бомбы" – самой мощной водородной бомбы в истории человечества.
Причем значительная часть энергии при этом выделится в виде фотонов электромагнитного излучения. Соответственно, возникает желание использовать эту энергию для космических перемещений путем создания фотонного двигателя, похожего на солнечный парус, только в данном случае свет будет генерироваться внутренним источником.
Но чтобы эффективно использовать излучение в реактивном двигателе, необходимо решить задачу создания "зеркала", которое было бы способно эти фотоны отразить. Ведь кораблю каким-то образом надо оттолкнуться, чтобы создать тягу.
Никакой современный материал попросту не выдержит рожденного в случае подобного взрыва излучения и моментально испарится. В своих фантастических романах братья Стругацкие решили эту проблему путем создания "абсолютного отражателя". В реальной жизни ничего подобного пока сделать не удалось. Эта задача, как и вопросы создания большого количества антивещества и его длительного хранения, – дело физики будущего.
Европейское космическое агентство провело испытания прямоточного ионного двигателя, использующего в качестве рабочего тела воздух из окружающей атмосферы. Предполагается, что небольшие спутники с таким двигателем смогут практически неограниченно находиться на орбитах с высотой 200 или менее километров, сообщается в пресс-релизе агентства.
Принцип работы ионных двигателей основан на ионизации частиц газа и их разгоне с помощью электростатического поля. Частицы газа в таких двигателях разгоняются до значительно больших скоростей, чем в химических двигателях, из-за чего ионные двигатели имеют гораздо больший удельный импульс и расходуют меньше топлива. Но у ионных двигатель есть и важный недостаток - крайне малая тяга, по сравнению с химическими двигателями. Из-за этого они редко применяются на практике, в основном на небольших аппаратах. К примеру, такие двигатели используются на зонде Dawn, сейчас на орбите карликовой планеты Церера, и будут использоваться в миссии BepiColombo , которая должна отправиться к Меркурию в конце 2018 года.
Как и в химических двигателях, в используемых сейчас ионных двигателях применяется запас топлива, как правило, ксенона. Но существует и концепция прямоточных ионных двигателей, которая, правда, пока не применялась на летавших в космос аппаратах. Ее отличие заключается в том, что в качестве рабочего тела предлагается использовать не конечный запас газа, загружаемый в бак перед запуском, а воздух из атмосферы Земли или другого атмосферного тела.
Схема работы двигателя
ESA–A. Di Giacomo
Предполагается, что относительно небольшой аппарат с таким двигателем сможет практически неограниченно находиться на низких орбитах с высотой примерно от 150 километров, компенсируя атмосферное торможение тягой двигателя, работающего на поступающем в него воздухе из атмосферы. В 2009 году ESA запустило спутник GOCE , который смог за счет постоянно включенного ионного двигателя с запасом ксенона пробыть на 255-километровой орбите в течение почти пяти лет. После этого агентство занялось разработкой прямоточного ионного двигателя для аналогичных низкоорбитальных спутников, и теперь провело первые испытания такого двигателя.
Испытания проходили в вакуумной камере, в которой располагался двигатель. Изначально в него подавали ускоренный ксенон. После этого в газозаборное устройство начали добавлять смесь кислорода с азотом, имитирующую атмосферу на высоте 200 километров. В конце испытаний инженеры провели тесты с исключительно воздушной смесью для проверки работоспособности в основном режиме.
Испытания двигателя с воздухом в качестве топлива
Прямоточный ионный двигатель
