Plazma motori: mitovi i stvarnost

Sigurno će se svi složiti da prostor privlači. I već ga istražuju! To je vrlo sporo. Zato što je iznimno teško stvoriti letjelicu koja bi mogla brzo svladati impresivne stotine tisuća kilometara udaljenosti.

Cijela stvar je u gorivu! To nije beskonačno. Potrebne su nam moderne jedinice s drugačijim načelom djelovanja i moćnije. Da, postoje nuklearni raketni motori (YARD). Ali njihova maksimalna granica je 100 km / s. Osim toga, njihov radni fluid se zagrijava u nuklearni reaktor.

No, plazma motori - perspektiva koja zaslužuje pozornost.

Kratak izlet u fiziku

Za početak, vrijedi napomenuti da je svaki raketni motor karakteriziran izbacivanjem iz mlaznice slabo ionizirane plazme. Bez obzira na vrstu. Ali "klasični", pravi plazma motori su oni koji ubrzavaju plazmu zbog elektromagnetskih sila koje utječu na nabijene čestice.

Proces je kompliciran. Svako električno polje koje ubrzava naboje u plazmi daje elektronima i ionima jednake ukupne impulse. Ulazak u te pojedinosti nije obavezan. Dovoljno je znati da je impuls mjerna vrijednost. mehaničko kretanje Tijelo.

Budući da je plazma električno neutralna, zbroj svih pozitivnih naboja modulo je zbroj negativnih naboja. Postoji određeno vremensko razdoblje - beskrajno je malo. U ovih nekoliko trenutaka svi pozitivni ioni dobivaju snažan poticaj. Isto vrijedi iu suprotnom smjeru - negativnom. Što je rezultat? Ukupni zamah je na kraju nula. Dakle, nema trakcije.

Takav zaključak: za električno "ubrzanje" plazme potrebno je odvajanje suprotnih naboja. Pozitivni će se ubrzati kada se negativi izvade iz dometa. Neka bude teško, jer Coulomb snaga privlačnosti obnoviti električnu ravnotežu, koja nastaje između plazma suprotno nabijenih ugrušaka.

I kako ste uspjeli utjeloviti ovaj princip rada u plazma raketnom motoru? Zbog magnetskih i elektrostatskih polja. Jedino ovdje, u drugom slučaju, jedinica se tradicionalno naziva ionskim, au prvom se naziva plazma.

Koncept iz 60-ih

Prije pedesetak godina sovjetski fizičar Aleksej Ivanović Morozov predložio je koncept plazma raketnog motora. Uspješno je testiran sedamdesetih godina.

Koristio je radijalno magnetsko polje da razdvoji ozloglašene naboje. Ispostavlja se da su elektroni, koji se podvrgavaju utjecaju Lorentzove sile, navodno zavojiti u spirale na linije magnetskog polja koje "izvlače" iz plazme.

Što se događa kada se to dogodi? Inercija masivnih iona prolazi kroz magnetsko polje, dobiva ubrzanje u uzdužnom smjeru električnog polja.

Da, ova shema ima prednosti u odnosu na onu koja je implementirana u plazma-ionski motori, međutim, postoji minus. Ne dopušta veći potisak, što se odražava u brzini.

Je li put do zvijezda stvaran?

Na nuklearne raketne motore bilo je mnogo nada. Međutim, bez obzira na to koliko oni izgledaju inovativno, oni ne mogu pružiti bijeg u udaljena nebeska tijela u okviru jednog ljudskog života.

Kako bi se tom aparatu pružio dovoljan impuls za vuču (a to je najmanje 10.000.000 m / s), potrebno je u ovom trenutku stvoriti magnetno polje od 10.000 Tesla nerealno. To je moguće samo uz pomoć eksplozivnih magnetskih generatora A.D. Sakharov i drugi moderni uređaji rade na istom principu.

Ali opet, takva moćna polja postoje za katastrofalno mali vremenski interval, mjeren u mikrosekundama. Da bi se postigao bolji rezultat, trebalo bi odložiti energiju nuklearne eksplozije silom od 10 kt. Za referencu, posljedice takvog "fenomena" izražene su u oblaku promjera 4 km s visinom od 2 km. "Gljiva" doseže i do 7 km.

Dakle, s brodom mase 100 tona, bilo bi potrebno milijun takvih impulsa. A to je samo da poveća svoju brzinu na 100 kilometara u sekundi! Osim toga, samo pod uvjetom da optužbe ne bi trebale stati na put. Po vjerojatnosti, mogli bi biti smješteni u svemir na mjestu ubrzanja.

Ali cijeli milijun nuklearnih bombi? Nestvarno. To su tisuće tona plutonija! I za sve vrijeme postojanja nuklearnog oružja, proizvedeno je nešto više od 300 tona. Dakle, plazma raketni motor s principom djelovanja koji se temelji na razdvajanju magnetskog naboja neće osigurati put do udaljenih zvijezda.

Hallov motor

Ovo je varijanta plazma jedinice, za koju ne postoje ograničenja koja su nametnuta prostornim nabojem. Njihova odsutnost osigurava veću gustoću vuče. A to znači da Hall plazma motor može povećati brzinu letjelice nekoliko puta, ako usporedimo, primjerice, ionsku jedinicu iste veličine.

U središtu aparata je učinak koji je 1879. otkrio američki fizičar Edwin Hall. Pokazao je kako se električna struja generira u vodiču s međusobno okomitim magnetskim i električnim poljem. I u smjeru u kojem su oboje okomiti.

Jednostavno rečeno, u holu jedinica plazma se formira nabojem između anode (+) i katode (-). Djelovanje je jednostavno - pražnjenje razdvaja elektrone od neutralnih atoma.

Treba napomenuti da je oko 200 satelita s Hallovim plazma motorom koncentrirano u orbiti blizu Zemlje. Za svemirske letjelice, njegova snaga je sasvim dovoljna. Inače, upravo je takvu jedinicu koristila Europska svemirska agencija kako bi ekonomski raspršila SMART-1 - svoju prvu automatsku stanicu za istraživanje Mjeseca.

appt

Sada možete govoriti o ablativnim pulsirajućim plazma potisnicima (AIPD). Pogodni su za uporabu u malim svemirskim letjelicama, koje imaju dobar raspon funkcionalnosti. Za njegovo širenje jednostavno je potrebno imati visoko učinkovitu jedinicu male veličine koja može ispravljati i održavati orbitu. AIPD je obećavajući uređaj s nizom prednosti koje uključuju:

• Stalna spremnost za rad.
• Impresivan resurs.
• Minimalna inercija.
• Sposobnost preciznog raspoređivanja pulsa.
• Nema posljedičnog impulsa.
• Ovisnost potiska o potrošnji energije.

Impulsni potisnici plazme ovog tipa detaljno su proučavani. Istraživači su, naravno, imali problema. Konkretno - uz održavanje dugotrajnog rada jedinice, što predstavlja prepreku za naugljičenje površine.

Čak iu okviru jedne od studija posvećenih proučavanju AIPD-IT-a, otkriveno je da ova jedinica ima glavni ispust na izlazu iz kanala. A to je karakteristično za motore mnogo impresivnije energije.

Primjer instalacije AIPD-a je satelitski promatrač Zemlje 1. Ali on ne može zahtijevati motor ICA korekcije, jer troši previše energije (60 W). Osim toga, on ima nizak ukupni zamah.

Stacionarni motor

O ovom izumu, također, treba reći nekoliko riječi. Stacionarni plazma motor ima posebnu osobinu u obliku male snage i kompaktnosti.

Može se koristiti u svemirskoj tehnologiji kao izvršno tijelo elektroinstalacijskog postrojenja. Ili u okviru znanstvenog istraživanja. Pomoću ovog izuma prilično je realistično modelirati usmjerene tokove plazme.

Zapravo, takav plazma motor je magnetron široko korišten u industriji. To je, s druge strane, tehnološki uređaj pomoću kojega se na podlogu talože tanki slojevi materijala katodnim raspršivanjem mete u plazmi. Ali nemojte brkati ovaj uređaj s vakuumskim magnetronima. Oni obavljaju potpuno drugačiju funkciju - generiranje mikrovalnih oscilacija.

Od 1995. stacionarni plazma motori uključeni su u korekcijske sustave niza povezanih geostacionarnih KA. Tada, počevši od 2003. godine, ovi uređaji počeli su se koristiti na stranim geostacionarnim satelitima. Do početka 2012. godine 352 motora već su postavljena na vozila koja su otišla u svemir.

MPD-potisnika

Ovo je još jedan koncept agregata plazme. S njom su povezane mnoge nade u svemirsku tehnologiju.

Što je ideja? Između katode i anode nastaje plazma naboja, što pridonosi indukciji magnetnog polja prstena. Lorentzova sila dolazi u akciju, pomoću koje polje djeluje na pokretne struje struje, zbog čega se određeni dio njih odbija u uzdužnom smjeru. Kao rezultat, nastaje ugrušak plazme koji istječe "udesno". On je taj koji stvara guranje.

Ovaj motor obavlja rad u pulsnom modu, budući da su potrebne kratke stanke između pražnjenja - tako se akumulira naboj na elektrodama.

Što obećava MPD-Thruster? Djeluje bez razdvajanja suprotnih naboja. Budući da se kreću u struji punjenja, istina je suprotna. To znači da Lorentzove sile imaju isti smjer.

U teoriji, ovaj koncept je iznimno uspješan. On može razviti impresivnu vuču. No postoje i nijanse. "Ubrzanje" električnih naboja nije podložno magnetskom polju. Sve zbog činjenice da Lorentzova sila ima učinak, okomit na njihovu brzinu. To jest, ne mijenja kinetičke parametre. MPD-Thruster samo neznatno mijenja smjer u kojem dolazi do naboja - kako bi plazma izletjela uzdužno.

Idealno, struja između katode i anode trebala bi biti nekoliko puta gušća. To je potrebno za stvaranje vuče. I to zahtijeva mnogo električne energije. Što, međutim, nije inferiorno u odnosu na moć plazma mlaza.

Ako je specifični impuls 1000 kilometara u sekundi, a potisak je 100 kg, tada će se potrošiti stotine megavata. To je gotovo nemoguće generirati u prostoru. Čak i uz pretpostavku takve vjerojatnosti, brod s MPD-Thruster, koji ima neto masu od 100 tona, ubrzat će se do oznake od 10.000 km / s. u samo 317 godina! A to je previsoka astronomska početna težina od 2,2 milijuna tona.

S takvim pokazateljima, čak je nemoguće zamisliti brzinu protoka plina u jedinici koja prenosi naboje elektrona. I da ne bi bilo potrebno provesti izračune da bi se razumjelo - nijedna elektroda ne može izdržati tako značajna kemijska i toplinska opterećenja.

Quantum EmDrive aparat

To je izum Rogera Schoera iz Britanije, nad kojim se cijela međunarodna znanstvena zajednica gotovo otvoreno smijala. Zašto? Zato što se njegov kvantni vakuumski plazma stroj smatrao nemogućim. Jer njegov je princip suprotan zakonima koji su temelj fizike!

No, kako se ispostavilo, ovaj motor plazma prostora radi, i vrlo uspješno! Ova činjenica je razjašnjena tijekom NASA-inih testova.

Jedinica je jednostavna. Trakcija se stvara mikrovalnim oscilacijama oko vakuumskog spremnika. A električna energija potrebna za njihovo stvaranje je izvađena iz sunčeve svjetlosti. Jednostavno rečeno - motor ne zahtijeva korištenje goriva i može raditi, ako ne zauvijek, onda barem do trenutka neuspjeha.

Testeri su bili šokirani. Motor je testirao znanstvenik Guido Fett i tim iz NASA Eagleworks, koji je vodio Harold White - stručnjaci iz svemirskog centra. Lyndon Johnson. Nakon detaljnog proučavanja izuma, objavljen je članak u kojem su ispitivači uvjerili čitatelje da uređaj radi i uspješno stvara želju, čak i ako je to neobjašnjivo proturječje zakonu o očuvanju zamaha.

Pa ipak, znanstvenici su rekli da ova jedinica uključuje interakciju s takozvanim kvantnim vakuumom virtualne plazme.

Problem učinkovitog razdvajanja naboja

Mnogi fizičari pesimistički tvrde da je to nerješivo. Postoje napredni projekti u kojima se razvijaju inovativne plazma jedinice kapaciteta 5 MW i impuls od 1000 km / s, ali je njihov potisak još uvijek premalen da bi se prevladale velike udaljenosti.

Programeri razumiju ovaj problem i traže druge pristupe. Jedan od najperspektivnijih projekata u našem vremenu je VASIMR. Njegov specifični impuls je 50 km / s., A potisak je 6 newtona. To je samo VASIMR zapravo nije plazma jedinica. Zato što proizvodi plazmu visoke temperature. Potrebno je ubrzanje u Lavalovoj mlaznici - bez korištenja struje, samo zbog plinodinamičkih učinaka. Plazma se ubrzava na isti način kao što plinski mlaz povećava brzinu na izlazu iz uobičajenog sklopa rakete.

zaključak

U zaključku, želio bih reći da niti jedan plazma motor za svemirsku letjelicu iz postojećeg u naše vrijeme ne može isporučiti raketu čak i do najbližih zvijezda. To se odnosi i na eksperimentalno ispitane uređaje i na teoretski izračunate.

Mnogi znanstvenici dolaze do pesimističkog zaključka - jaz između našeg planeta i zvijezda je fatalno nepremostiv. Čak i prije Alpha Centauri sustava, čiji su dijelovi vidljivi golom oku sa Zemlje, udaljenost je 39,9 trilijuna kilometara. Čak i na svemirskoj letjelici koja može putovati brzinu svjetlosti prevladavanje ove udaljenosti bi bilo oko 4,2-4,3 godine.

Tako su plazma jedinice zvjezdanih brodova, prije, iz sfere znanstvene fantastike. Ali to ne umanjuje njihovo značenje! Koriste se kao manevarska, pomoćna i korektivna orbita motora. Stoga je izum u potpunosti opravdan.

Ali nuklearna impulsna jedinica, koja koristi energiju eksplozija, ima potencijalni razvojni potencijal. U svakom slučaju, barem u teoriji, moguće je slanje automatske sonde u najbliži zvjezdani sustav.