Проблема реактивной тяги на сегодняшний день и в ближайшем будущем. [Принципы и механизмы работы] 2
Именно так выглядит газовая струя создаваемая ксеноновым двигателем, установленным на SMART-1:
Станция Deep Space 1:
Недавно в Лаборатории реактивного движения (JPL) космического агентства NASA был выключен ионный двигатель, который проработал в вакуумной камере в общей сложности 30'352 часа, что составляет почти 3,5 года. Это - рекорд. Но в самой камере на испытательном стенде он находился дольше - почти 5 лет. При этом никаких поломок с ним не случалось. Что подтверждает надежность таких двигателей и хорошие перспективы их использования на автоматических зондах, отправляющихся в дальние космические путешествия. В качестве топлива в этом двигателе используется инертный газ ксенон. Ионный двигатель, работавший в JPL, был сделан в качестве дубликата для двигателя, который был установлен на зонде Deep Space 1, который отправился в космос в октябре 1998 г., а сейчас он, выполнив всю основную программу, направляется к комете Боррелли. Двигатель самого зонда проработал в космосе 16'265 часов, а двигатель, установленный в JPL, включили незадолго до запуска Deep Space 1, чтобы проверить его работу при разных режимах. Изначально он был рассчитан на 8000 часов работы, но он легко преодолел этот рубеж. И хотя он так и не сломался, тем не менее, было решено прекратить испытания, так как стенд нужен для проведения испытаний отдельных компонентов ионных двигателей в интересах других проектов NASA, в частности для предстоящей миссии зонда Dawn, который в 2006 году должен отправиться к двум крупным астероидам - Весте и Церере. В последние годы ионные двигатели устанавливались на спутниках связи, в частности на исследовательской станции НАСА Deep Space 1 (DS 1) и на экспериментальном геостационарном спутнике связи ESA Artemis. В последнем случае, благодаря наличию на борту ионных двигателей, удалось спасти казавшийся окончательно утраченным спутник ценой в миллионы долларов. Новейший ионный двигатель, созданный в ноябре 2005 г и протестированный в Лаборатории электрической тяги в Нидерландах по техническим характеристикам намного превосходит все существующие аналоги — его использование обещает настоящий технологический прорыв в области космических двигателей. По мощности он в 10 раз превышает существующие ионные аналоги и в 4 раза — прототипные, и позволит космическим кораблям развить скорость до 210 км/cек, угол разброса ионного пучка в нём равен трём градусам. Новый ионный двигатель, по оценкам специалистов, превзойдет аналог, установленный на SMART-1. «Космические корабли будущего с новым типом ионного двигателя смогут отправиться не только на Луну, но даже и за пределы нашей Солнечной системы», — комментирует доктор Роджер Уолкер (Roger Walker), технический руководитель проекта. По мнению специалистов ESA, двигатель может быть использован в пилотируемом корабле к Марсу.
В новом ионном двигателе DS4G используются 4 решетки — эту идею предложил в 2001 году британский специалист, доктор Дэвид Фирн (David Fearn). Ионы эжектируются при помощи двух решеток, расположенных близко друг к другу и находящихся под высоким напряжением. Далее расположены две другие решетки. Разница напряжений между парами решеток ускоряет ионы. Новая система позволяет создавать между двумя наборами решеток разность напряжений до 30 кВ и не вызывает их разрушения.
Сверхмощные и надежные ионные двигатели DS4G позволят космическим аппаратам совершить путешествие к Марсу и вернуться на Землю, а также существенно сократят время полета к удаленным планетам, например, Плутону. Но прежде специалисты должны будут существенно доработать двигатели и провести множество дополнительных тестов.
Прототип DS4G: Ионный двигатель пока не применим для миссий, где нужен быстрый разгон и высокая мощность двигателя (взлёт с Земли, полёт к Луне), поэтому вывод "Deep Space 1" и SMART-1 на земную орбиту осуществляли ракеты с традиционным ракетным (химическим) двигателем. Но для широкого набора миссий с высокими энергетическими требованиями (миссии к астероидам и кометам, планетам Солнечной системы и т.п.), медленный, но продолжительный и устойчивый разгон ионного двигателя, а также высокий КПД (низкий расход топлива), позволяют ему одержать победу над менее эффективными химическими реактивными двигателями. При таких обстоятельствах ионный двигатель может оказаться в 10 раз быстрее традиционного химического, кроме того, последний требует более дорогой ракеты-носителя и большего резервуара для ракетного топлива и окислителя. На "Deep Space 1" для запитки ионного двигателя электрической энергией использовались солнечные батареи, мощность которых зависит от расстояния до Солнца и ориентации станции, что неприемлимо для полётов к дальним планетам Солнечной системы, поэтому в дальнейшем в качестве энергетической установки планируется использовать пассивные ядерные генераторы.
Одним из современных направлений развития термоэлектрических и реактивных ускорителей является разработка двигателей малых тяг, работающих на принципе безэлектродного создания электромагнитной силы в форме ВЧ- и СВЧ-полей в плазменном объеме, удержании плазмы и ее ускорении в магнитном поле заданной формы. В этом случае предлагается концепция термоэлектрического движителя с высокочастотным нагревом рабочего тела, такого как водород. Это позволяет существенно уменьшить взаимодействие плазмы на элементы плазменного ускорителя, исключить потери энергии на электродах и использование магнитного сопла значительно повысят КПД движителя. Таким образом, преимущества этого типа движителей очевидны.
Двигатели малых тяг, которые осуществляют коррекцию и стабилизацию таких космических аппаратов, обладают некоторыми особенностями, например, длительным ресурсом, высокой надежностью, оптимальной "ценой" тяги (отношение энергетических затрат к единице тяги). Для обеспечения долгосрочного ресурса необходимо уменьшить температуру конструктивных элементов плазменных движителей, плазма не должна взаимодействовать с элементами конструкции. В основном скорость истекающей плазмы (характеристическая скорость) определяет удельный импульс движителя. Чем больше значение характеристической скорости, тем больше и удельный импульс.
Повышение температуры плазмы в движителях такого типа приводят к повышению удельного импульса. Но почти 50% электрической энергии подводимой к электродам, превращается в тепло и не участвует в повышении скорости плазменного пучка, а электроды испаряются (уменьшаются), что уменьшает ресурс движителя.
Основные преимущества использования в таких двигателях водорода:
1) Из всех рабочих тел водород обладает минимальной атомной массой, то есть скорость истечения водородной плазмы из ВЧ-ускорителя будет максимальной.
2) Водород - экологически чистое рабочее вещество и необходимость его использования несомненна.
3) Сейчас у нас есть технология безопасного хранения связанного водорода в виде гибридов металлов на борту космического летательного аппарата. Это увеличивает КПД движителя и повышает эффективность работы системы в целом.
4) Известно, что при ионизации водорода в любом типе электрического разряда потери при передачи энергии от электронной компоненты к ионной минимальны из-за минимальных массовых различий и потому, что для атомов водорода возможна лишь однократная ионизация.
В чём разница между использованием водорода и инертных газов(например ксенона) ? В случае с водородом электроны отделяются от атома при превращении электрической энергии в кинетическую энергию электрона, вследствие чего он разгоняется и отрывается от ядра (протона). В другом случае атомы ксенона бомбардируются электронами, часть импульса свободного электрона передаётся электрону принадлежащему атому и оба они отскакивают от уже катиона ксенона.
