Репульсор

Холловский двигатель

Это вариант плазменного агрегата, для которого нет ограничений, что налагаются объёмным зарядом. Их отсутствие обеспечивает большую плотность тяги. А это значит, что холловский плазменный двигатель может увеличить скорость космических аппаратов в разы, если сравнивать, например, с ионным агрегатом того же размера.

В основе работы аппарата лежит эффект, который открыл американский физик Эдвин Холл в 1879 году. Он продемонстрировал, как в проводнике с взаимно перпендикулярным магнитным и электрическим полем образуется электроток. Причём в направлении, которое им обоим перпендикулярно.

Проще говоря, в холловском агрегате плазма образуется зарядом между анодом (+) и катодом (-). Действие несложное — разряд отделяет электроны от нейтральных атомов.

Стоит отметить, что на околоземных орбитах сосредоточено порядка 200 спутников с холловскими плазменными двигателями. Для космических аппаратов его мощности хватает вполне. К слову, именно такой агрегат использовался Европейским космическим агентством в целях экономичного разгона SMART-1 – его первой автоматической станции для исследования Луны.

Как работает плазменный ракетный двигатель

Стационарный двигатель

Об этом изобретении тоже стоит сказать пару слов. Стационарный плазменный двигатель имеет особенность в виде малой вырабатываемой мощности и компактности.

Он может использоваться в космической технике как исполнительный орган электрореактивной установки. Или же в рамках научных исследований. С помощью данного изобретения вполне реально моделировать направленные плазменные потоки.

По сути, такой плазменный двигатель – это магнетрон, широко применяемый в промышленности. Он, в свою очередь, представляет собой технологическое устройство, с помощью которого тонкие плёнки материала наносятся на подложку катодным распылением мишени в плазме. Но не нужно путать данное устройство с вакуумными магнетронами. Они выполняют совершенно другую функцию – генерацию СВЧ-колебаний.

С 1995 года стационарные плазменные двигатели задействованы в системах коррекции серии связных геостационарных KA. Потом, начиная с 2003 г., данные устройства стали применять в зарубежных геостационарных спутниках. К началу 2012 года уже 352 двигателя было установлено на аппаратах, которые вышли в открытый космос.

Схема работы плазменного двигателя

Самыми используемыми в настоящее время пока что являются устройства, так или иначе действующие на эффекте Холла.

Схема ионного двигателя

На сегодняшний день ионные двигатели необходимы спутникам, чтобы маневрировать в ближнем космосе — как правило, для удержания параметров стационарной орбиты, изменения своего курса или уклонения от космического мусора. Но существует и несколько проектов, связанных с использование ионных двигателей для дальних космических путешествий.

Самым известным из них стала автоматическая исследовательская миссия Dawn от НАСА. В сентябре 2007 года она была запущена для исследования астероида Веста и карликовой планеты Церера. Аппарат Dawn был оборудован тремя компактными ксеноновыми ионными двигателями NSTAR, которые разгоняли атомы до скорости в десять раз выше, чем могли это сделать современные химические двигатели.

Для полета Dawn требовалось в среднем 3,25 мг топлива в секунду, а на борту аппарата разместилось 425 кг ксенона. Через девять лет после запуска станция Dawn разогналась до скорости 39 900 км/час (11,1 км/с). 1 ноября 2018 года НАСА официально закончила миссию Dawn, поскольку ионные двигатели полностью выработали топливо.

Ещё одним космическим аппаратом, который использует ксеноновые ионные двигатели для дальних полётов, стала японская исследовательская станция по изучению астероида Рюгу «Хаябуса-2». Зонд оснащён четырьмя ионными двигателями IES и ксеноном массой 73 кг.

https://youtube.com/watch?v=g0qP8CxxYGU

НПО ЭНЕРГОМАШ. ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ НОВОГО МОЩНОГО ПЛАЗМЕННОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Научно-технический совет интегрированной структуры (НТС ИС) АО «НПО Энергомаш» рассмотрел перспективы создания электрических ракетных двигателей (ЭРД) повышенной мощности для решения транспортных задач в ближнем и дальнем космосе. Принято решение о подготовке совместной заявки АО «КБХА» (входит в ИС АО «НПО Энергомаш») и НИЦ «Курчатовский институт» в Фонд перспективных исследований на реализацию проекта безэлектродного плазменного ракетного двигателя (БПРД). Предварительно определены состав работ по созданию лабораторного образца БПРД и кооперация предприятий, необходимая для реализации проекта.

Проведенные предприятиями-участниками НТС ИС исследования различных типов ЭРД показали, что наиболее рациональным решением задачи создания электроракетного двигателя мощностью 100 кВт и более является разработка безэлектродного плазменного ракетного двигателя. БПРД обладает высокими характеристиками и позволяет обеспечить требуемый ресурс для освоения дальнего космоса.

Многочисленные варианты уже существующих ЭРД доказали свои положительные качества: высокий импульс (скорость истечения рабочего вещества) и малый массовый расход рабочего тела, что позволяет космическим аппаратам совершать полеты на большие расстояния. Однако имеющиеся недостатки ЭРД – малая тяга – накладывают определенные ограничения использования подобных двигательных установок – полеты на большие расстояния длятся очень долго. Сегодня ЭРД используются в качестве двигателей для корректировки орбит и ориентации небольших космических аппаратов. Обычно мощность таких двигателей не превышает нескольких десятков киловатт, обеспечиваемых на околоземных орбитах солнечными батареями.

Рассматриваемый в настоящее время вариант безэлектродного плазменного ракетного двигателя является новым поколением ЭРД. Это двигатель высокой мощности, рабочее вещество в котором находится в состоянии плазмы. Он обладает высокой энергетической эффективностью, возможностью использовать в качестве рабочего тела практически любое вещество, способен изменять величину удельного импульса, а максимальная мощность двигателя ограничивается практически только мощностью питания высокочастотного генератора. Также двигатель такого типа потенциально может иметь большой ресурс работы, поскольку снимаются все ограничения, связанные с воздействием энергонасыщенного рабочего вещества с элементами конструкции.

Реализация идей, заложенных в предлагаемую разработку, стала возможной благодаря прогрессу в исследовании плазменных процессов термоядерного синтеза, в развитии технологии высокотемпературных сверхпроводников и современной элементной базы высокочастотных генераторов. При создании такого двигателя разработчикам придется решить вопросы оптимизации плазменных процессов, разработки высокочастотного генератора, криогенных магнитных систем, а также систем питания и управления БПРД. Обеспечение решения этих задач потребует создания экспериментальной и испытательной стендовой базы.

НИЦ «Курчатовский институт» является основоположником работ по ЭРД в нашей стране. В институте имеется более чем полувековой опыт работ с различными типами плазменных ускорителей, включая безэлектродные, и значительный задел по сверхпроводящим магнитным системам. Работы по безэлектродным ускорителям различной мощности и сверхпроводящим магнитным системам активно ведутся в НИЦ «Курчатовский институт» в настоящее время.

Инициатором начала работ по БПРД в Интегрированной структуре АО «НПО Энергомаш» является АО «КБХА», которое начало заниматься ЭРД с 2010 года. Целью работ являлось создание магнитоплазмодинамического двигателя (МПДД) большой мощности. В качестве первого этапа был изготовлен демонстрационный образец МПДД мощностью до 10 кВт. Также совместно с Научно-исследовательским институтом прикладной механики и электродинамики Московского авиационного института выполнена еще одна работа по ЭРД — создан высокочастотный ионный двигатель мощностью 300 Вт.

Описание

Репульсор истребителя T-65

В основе репульсорного двигателя лежало использование субатомных «узлов» пространства-времени, получавшихся на автоматических заводах в окрестностях чёрных дыр. С их помощью двигатель создавал поле, противодействующее гравитации (как естественной — порождаемый небесным телом, так и искусственной), что позволяло оснащённым им машинам парить над землёй; в невесомости, в отсутствии какой-либо массы, от которой надо было отталкиваться, они были бесполезны. Таким образом, репульсорный двигатель был способен работать только внутри гравитационного колодца, «отталкиваясь» от него. Для типичной обитаемой планеты, такой как Альдераан, «антигравитационная область» имела размеры порядка шести планетарных диаметров (75 тыс. километров).

Репульсоры расходовали минимальное количество энергии, не производили выбросов и практически не имели радиационной сигнатуры (благодаря чему их можно было обнаружить только гравитационным способом), и были достаточно надёжными для использования в течение длительного времени. Они были редко подвержены поломкам, и даже когда мощность репульсорного двигателя падала, объекты все равно продолжали парить над поверхностью.

Репульсорная система яхты «Кетанна»

Большинство репульсоров работало от термоядерных генераторов. Репульсоры являлись самым распространённым типом антигравитационного двигателя и устанавливались на самые разные технические средства и транспортные средства. Отдельные репульсоры могли быть смонтированы в массивы, кластеры или изготовлены в виде лопастей, на которые размещались катушки гравитационных «узлов». С помощью репульсоров держатся над землёй гравициклы, свупы, лендспидеры, аэроспидеры, а также чудо инженерной мысли — Облачный город (и его аналог Талораан-Сити); репульсорный транспорт может парить на высоте от нескольких сантиметров от поверхности планеты до низких орбит. Звездолёты также оснащались репульсорами для передвижения в атмосфере планеты. Многие модели дроидов для передвижения использовали репульсоры вместо колес или ног, что повышало их проходимость и скорость.

Репульсорный лендспидер-такси

Репульсорная технология была настолько широко распространена в галактике, что большинство граждан принимают её как данность. Самые мощные репульсоры могли поднимать машины на низкую орбиту или двигать их со скоростью более 1000 км/ч.

На большинстве планетарных транспортных средств или космических кораблях репульсорные двигатели обычно устанавливались на донной части. Массивные звездолеты, наподобие звёздных разрушителей типа «Венатор» или «Победа», осуществляли посадку только с помощью мощного репульсора в «донной» части. Но даже во время нахождения на поверхности планеты этих гигантских звездолётов их посадочные опоры не могли удержать огромный вес корабля без помощи репульсоров.

Гигантский репульсор станции «Балансир»

Пять планет Кореллианской системы имели на своей поверхности огромные репульсоры. Они были столь мощны, что могли уничтожить крупные боевые корабли в близлежащем космосе, и даже остановить разрушительную огневую мощь станции «Балансир», которая создавала гравитационные воздействия, достаточное для уничтожения звезды.

Репульсорная яхта «Кетанна» и скиф

Быстрогорящий порох

Холловский двигатель

Это вариант плазменного агрегата, для которого нет ограничений, что налагаются объёмным зарядом. Их отсутствие обеспечивает большую плотность тяги. А это значит, что холловский плазменный двигатель может увеличить скорость космических аппаратов в разы, если сравнивать, например, с ионным агрегатом того же размера.

В основе работы аппарата лежит эффект, который открыл американский физик Эдвин Холл в 1879 году. Он продемонстрировал, как в проводнике с взаимно перпендикулярным магнитным и электрическим полем образуется электроток. Причём в направлении, которое им обоим перпендикулярно.

Проще говоря, в холловском агрегате плазма образуется зарядом между анодом (+) и катодом (-). Действие несложное — разряд отделяет электроны от нейтральных атомов.

Стоит отметить, что на околоземных орбитах сосредоточено порядка 200 спутников с холловскими плазменными двигателями. Для космических аппаратов его мощности хватает вполне. К слову, именно такой агрегат использовался Европейским космическим агентством в целях экономичного разгона SMART-1 – его первой автоматической станции для исследования Луны.

Теперь можно поговорить про абляционные импульсные плазменные двигатели (АИПД). Они подходят для применения в малых космических аппаратах, которые имеют неплохой спектр функциональных возможностей. Для его расширения просто необходим высокоэффективный малогабаритный агрегат, способный корректировать и поддерживать орбиту. АИПД – перспективный аппарат с рядом достоинств, к которым можно отнести:

• Постоянную готовность к работе.
• Впечатляющий ресурс.
• Минимальную инерционность.
• Возможность точно дозировать импульс.
• Отсутствие импульса последействия.
• Зависимость тяги от потребляемой мощности.

Импульсные плазменные двигатели данного типа изучены в деталях. Исследователи, конечно, сталкивались и с проблемами. В частности – с поддержанием длительной работы агрегата, препятствием для которого является науглероживание поверхности.

Ещё в рамках одного из исследований, посвящённого изучению АИПД-ИТ, было выяснено, что у этого агрегата основной разряд горит на выходе из канала. А это характерная черта для двигателей намного более внушительной энергии.

Пример установки АИПД — спутник Earth Observer 1. Но претендовать на двигатель коррекции МКА он не может, поскольку потребляет слишком много энергии (60 Вт). К тому же у него низкий суммарный импульс.

Краткий экскурс в физику

Для начала стоит отметить, что любому ракетному двигателю свойственно выбрасывание из сопла слабо ионизированной плазмы. Вне зависимости от его вида. Но «классическими», настоящими плазменными двигателями являются те, которые ускоряют плазму благодаря электромагнитным силам, оказывающим воздействие на заряженные частицы.

Процесс сложный. Любое электрическое поле, которое ускоряет в плазме заряды, придаёт электронам и ионам равные по модулю суммарные импульсы. Вдаваться в эти подробности необязательно. Достаточно знать, что импульс – это величина измерения механического движения тела.

Поскольку плазма является электрически нейтральной, то сумма всех положительных зарядов равна по модулю сумме отрицательных. Есть определённый отрезок времени – он бесконечно мал. За эти считаные мгновения все положительные ионы получают мощный импульс. Такой же направляется в обратную сторону – к отрицательным. Что получается? Суммарный импульс в итоге равен нулю. А значит, тяги не возникает.

Такой вывод: для электрического «разгона» плазмы необходимо разделение разноименных зарядов. Положительные будут разгоняться тогда, когда отрицательные выведены из зоны действия. Сделать это сложно, так как кулоновские силы притяжения восстанавливают электрическое равновесие, возникая между плазменными разноимённо заряженными сгустками.

И как же удалось воплотить этот принцип работы в плазменном ракетном двигателе? За счёт магнитных и электростатических полей. Только вот во втором случае агрегат традиционно именуется ионным, а в первом – именно плазменным.

Потери

С этим самолетом связано 8 катастроф, самыми масштабными из которых были:

• 16.09.1991. Самолет взлетел с перегрузом, механизация разрушилась в воздухе. Машина упала в лесу. Погибли 6 членов экипажа и 7 пассажиров.
• 05.06.1994, перелет Ан-72В Новосибирск – Киев. Тогда в полете было обесточено бортовое оборудование. Причина – тепловой разгон аккумуляторов. Самолет произвел вынужденную посадку в Кургане, при этом он выкатился за пределы взлетно-посадочной полосы с разрушенным правым задним пневматиком. Экипаж и пассажиры не пострадали.
• 10.02.1995. Ан-72В с тремя членами экипажа сопровождал прототип Ан-70 с 7 членами экипажа на борту. Самолеты столкнулись в небе над Бородянским районом Киевской области. Ан-72 уцелел и сумел совершить посадку в аэропорту Антонова. Ан-70 упал в лес, все члены экипажа погибли.
• 07.06.2000, перелет Моздок-Москва. В воздухе произошла разгерметизация самолета. С высоты 8,5 тысяч метров самолет начал неуправляемое снижение, так как в результате гипоксии экипаж и пассажиры потеряли ориентацию. Тем не менее, экипаж сумел посадить самолет в Ростове-на-Дону.
• 25.12.2012. Катастрофа под Шимкентом. Самолет пограничной службы республики Казахстан в сложных метеоусловиях упал на землю с высоты 800 метров. Причина – ошибка экипажа. Погибли 7 членов экипажа и 20 пассажиров.

Когда и как возникла идея разработки плазменного двигателя

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

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

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

СПД калининградского ОКБ «Факел»

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

Технические характеристики

Спецификой этого двигателя, как и других электроракетных двигателей, является значительно большая скорость истечения рабочего тела по сравнению с использовавшимися ранее химическими двигателями, позволяющая значительно уменьшить запасы рабочего тела, необходимые для решения названных выше задач. Его применение в составе геостационарных КА позволяет увеличить долю массы целевой аппаратуры и срок их активного существования до 12-15 лет. За счёт этого значительно повышается эффективность КА.

ОКБ «Факел» производит различные двигатели, отличающиеся тягой, массогабаритными характеристиками, потребляемой мощностью для различных КА.

Перевозка тела погибшего (умершего) военнослужащего

Изначально Эриду назвали Зена

История

Идея создания СПД была предложена А. И. Морозовым в начале 60-х годов XX века. В 1968 году академиком А. П. Александровым и главным конструктором А. Г. Иосифьяном было принято историческое решение о создании корректирующей двигательной установки (КДУ) с СПД. Разработка первой КДУ и её интеграция в КА «Метеор» была выполнена в тесном содружестве групп учёных и специалистов Института атомной энергии им. И. В. Курчатова (Г. Тилинин), ОКБ «Факел» (К. Козубский), ОКБ «Заря» (Л. Новосёлов) и ВНИИЭМ (Ю. Рылов). В декабре 1971 г. двигательная установка с СПД — КДУ «Эол» успешно стартовала в космос в составе КА «Метеор». В феврале-июне 1972 г. были проведены первые включения и испытания, продемонстрировавшие работоспособность СПД в космосе и совместимость с КА на околоземных орбитах. Высота орбиты была поднята на 17 км.

В 1974 году было произведено успешное испытание плазменного двигателя «Эол».
В начале 1980-х Калининградское ОКБ «Факел» начинает серийно производить двигатели СПД-50, СПД-60, СПД-70.
В 1982 году был запущен первый спутник с СПД-70, «Гейзер №1», в 1994-м новой моделью СПД-100 оснастили спутник связи «Галс-1».

С 1995 года СПД используется в системах коррекции серии связных геостационарных КА типа «Галс», «Экспресс», «Экспресс-А», Экспресс-АМ, Sesat разработки НПО прикладной механики, а с 2003 года — в составе зарубежных геостационарных спутников типа Inmarsat, Intelsat-X, IPSTAR-II, Telstar-8 для решения задач приведения в «рабочую точку», стабилизации положения в этой точке, изменения «рабочей точки» в случае необходимости и увода с неё по окончании эксплуатации.

К январю 2012 года на запущенных в космос аппаратах было установлено в общей сложности 352 двигателя СПД.

Вопросы охранника 5 разряда

Системы видеонаблюдения

Заключение

В завершение хотелось бы сказать, что ни один плазменный двигатель для космических кораблей из существующих в наше время не способен доставить ракету даже к ближайшим звёздам. Это касается как экспериментально проверенных аппаратов, так и теоретически просчитанных.

Многие учёные приходят к пессимистичному заключению – разрыв между нашей планетой и звёздами фатально непреодолим. Даже до системы Альфа Центавра, некоторые компоненты которой видны невооружённым глазом с Земли, а ведь расстояние составляет 39,9 триллиона километров. Даже на космическом аппарате, способном передвигаться со скоростью света, преодоление данного расстояния составило бы около 4,2-4,3 лет.

Так что плазменные агрегаты звездолётов – это, скорей, из сферы научной фантастики. Но это ничуть не преуменьшает их значимость! Их используют в качестве маневровых, вспомогательных и корректирующих орбиты двигателей. Поэтому изобретение вполне оправдано.

А вот ядерный импульсный агрегат, который утилизирует энергию взрывов, имеет вероятный потенциал развития. Во всяком случае, как минимум в теории отправка автоматического зонда в ближайшую звёздную систему является возможной.

Источник