Плазмовий двигун

Плазмовий двигун — це тип електричного двигуна, який створює тягу за допомогою квазінейтральної плазми. На відміну від іонних двигунів, які генерують тягу за допомогою іонного струму з джерела плазми, що потім прискорюється до високих швидкостей за допомогою сіток / анодів. Існує багато форм плазмового двигуна (див. Електричний привід). Плазмова тяга у таких двигунах виникає не за рахунок сітки високої напруги чи анодів / катодів для прискорення заряджених частинок у плазмі, а за рахунок струмів та потенціалів всередині самої плазми для прискорення іонів плазми. Хоча це призводить до меншої швидкості вихлопу через відсутність високих прискорювальних напруг, цей тип тяги має ряд переваг. Відсутність високовольтних сіток анодів усуває проблему ерозії цієї сітки. Плазмовий вихлоп є «квазінейтральним», тобто, кількість іонів і електронів однакова, що дозволяє нейтралізувати вихлопний шлейф просто іонно-електронною рекомбінацією у вихлопі, усуваючи потребу в електронній гарматі/прожекторі (порожнистому катоді). Цей тип двигунів часто генерує вихідну плазму, використовуючи радіочастоту або мікрохвильову енергію, за допомогою зовнішньої антени. У поєднанні з відсутністю порожнистих катодів (які дуже чутливі до всіх газів, окрім кількох інертних) такий двигун дозволяє цікаву можливість використовувати величезний діапазон пропелентів — від аргону до вуглекислого газу, повітряні суміші, до сечі космонавта.[1]

Тяга під час випробувального старту
Художне відображення плазмового двигуна VASIMR

Плазмові двигуни краще всього підходять для міжпланетних космічних подорожей .[2]

В останні роки багато агентств працювали над двигунами з плазмовим паливом, включаючи Європейське космічне агентство, Іранське космічне агентство та Австралійський національний університет, які спільно розробили найпрогресивніший на сьогодні тип двигуна описаний як двигун двошарової тяги .[3][4] Однак ця форма плазмового двигуна є лише одним із багатьох його типів.

ПеревагиРедагувати

Плазмові двигуни мають набагато вищу величину питомого імпульсу (I sp), ніж більшість інших типів ракетних технологій. Двигун VASIMR здатний досягати значення імпульсу понад 12000 с, тоді як двигуни що працюють на ефекті Холла могли досягати приблизно 2000 с. Це набагато вище, ніж хімічне біопаливо, яке може досягати імпульсу в 450 с.[5] З високим імпульсом ці ракети здатні досягати відносно високих швидкостей. Екс-астронавт Франклін Чанг-Діаз стверджує, що його двигун VASIMR міг би відправити корисний вантаж на Марс всього за 39 днів, досягнувши максимальної швидкості 34 милі в секунду (приблизно 55 кілометри на секунду).[6] Тенденція схожа і для інших плазмових ракет.

Деякі плазмові двигуни, такі як міні-Helicon, визнані за їх конструкцію та простоту використання. З дешевим паливом (велика кількість газів або комбінацій газів може використовуватися в якості палива) та відносно простою теорією експлуатації плазмові ракети можна легко будувати і використовувати багато раз. Плазмовим ракетам також не потрібно витрачати все своє паливо за один запуск, на відміну від традиційних хімічних ракет.

Усе це спрощує використання плазмових ракет у польоті.[7]

НедолікиРедагувати

Однією з найбільших проблем технологій плазмоутворювачів, таких як крихітний плазмовий рушій Берканта Гокселя, є отримання достатньої кількості електроенергії для перетворення газів у плазму.[4] Ця ж проблема зачіпає тягу VASIMR — йому знадобиться стільки електроенергії, що будь-якому транспортному засобу з цим двигуном, для забезпечення достатньої кількості енергії також знадобиться кілька ядерних реакторів. Мало того, що реактори додадуть масу до корисного навантаження, існують побоювання щодо наслідків від можливого вибуху такого реактора.[8]

Ще одна поширена проблема з плазмовими ракетами — це ймовірність самознищення. З часом плазма, яку виробляють ці ракети, пошкодить стінки самої ракети, що зрештою спричинить до її руйнування. Так, наприклад, під час місії на Марс цілком можливо, що ракета встигне знищити сама себе.[9]

Нарешті, через низьку тягу плазмові двигуни не підходять для надсилання великих вантажів у космос. У середньому ці ракети забезпечують тягу близько 1 кілограма.[5] Це проблема, адже щоб бути фінансово ефективними, великі вантажі потрібні щоразу коли планується місія. Хоча плазмові двигуни можуть займати зайняти своє місце у космосі, для запуску транспортного засобу з поверхні планети знадобляться хімічні ракети.

Використання плазмових двигунівРедагувати

Хоча більшість плазмових двигунів досі обмежені лабораторними примірниками, деякі все–ж продемонстрували активний час польоту та використання в місіях. Станом на 2011 рік, NASA у партнерстві з аерокосмічною компанією Busek запустила перший прискорювач Холла в космос на борту супутника Tacsat-2 . Плазмовий двигун був основною руховою системою супутника. З того часу компанія запустила ще один супутник із плазмовим двигуном у 2011 році.[10] З плином часу ймовірно ми побачимо все більше плазмових двигунів.

Типи двигунівРедагувати

Двошарові двигуни HeliconРедагувати

У двигунах Helicon використовуються низькочастотні електромагнітні хвилі (геліконові хвилі), які існують всередині плазми при впливі магнітного поля. Для створення хвиль і збудження газу використовується радіочастотна антена, що обертається навколо газової камери. Як тільки енергія яка випромінюється антернами з'єднується з газом, створюється плазма. Після утворення плазми плазма виштовхується з двигуна, використовуючи магнітне поле ідеальної топології. Міні-геліконові тяги, винайдені Олегом Батищевим, це невеликі прості прискорювачі, ідеальні для малих маневрів у просторі. Ці двигуни здатні використовувати багато різних видів палива, що робить ці прості ракети ідеальними для довготривалих місій. Проста конструкція також робить їх універсальними тим, що вони можуть бути виготовлені з простих матеріалів, таких як скляна пляшка.  [11]

Магнітоплазмадинамічні двигуниРедагувати

<u>Магнітоплазмадинамічні двигуни</u> (MPD) використовують силу Лоренца (сила, що виникає в результаті взаємодії між магнітним полем і електричним струмом) для створення тяги — електричного заряду, що протікає через плазму в присутності магнітного поля і змушує плазму прискорюватися за рахунок створеного магнітної тяги. Сила Лоренца також має вирішальне значення для роботи більшості імпульсних плазмових двигунів

Імпульсні індуктивні двигуниРедагувати

Імпульсні індуктивні двигуни (PIT) також використовують силу Лоренца для створення тяги, але на відміну від магнітоплазмодинамічного двигуна вони не використовують жодного електрода, запобігаючи їх ерозії. Іонізація та електричні струми в плазмі створюються швидко–змінюючимся магнітним полем.

Плазмові двигуни без електродівРедагувати

Безелектричні плазмові двигуни використовують пондеромотивну силу, яка діє на будь-яку плазму або заряджену частинку, коли під впливом сильного градієнта щільності електромагнітної енергії прискорюються як електрони, так і іони плазми в одному і тому ж напрямку, тим самим можна обійтись без нейтралізатора.

 
SPT

Двигуни на ефекті ХоллаРедагувати

Двигуни Холла (також їх називають стаціонарними плазмовими двигунами SPT) поєднують сильне локалізоване статичне магнітне поле перпендикулярне до електричного поля створеного між анодом верхнього потоку та низхідним катодом, що називається нейтралізатором, щоб створити «віртуальний катод» (область високої щільності електронів) при виході з пристрою. Потім цей віртуальний катод притягує іони, що утворюються всередині тяги ближче до анода. Нарешті, прискорений пучок іонів нейтралізується частиною електронів, випромінюваних нейтралізатором. Серійне виробництво двигунів на ефекті Холла розпочалося у Радянському Союзі в 1970-х. Один із ранніх варіантів, SPT-100 зараз виробляється за ліцензією European Snecma Moteurs під назвою PPS-1350. Аналогічно, BPT-4000 і PPS-5000 тісно пов'язані з SPT-140. SPT-290 має тягу 1,5N, при потужності 5-30кВт, та питомий імпульс 30 км/с, ефективність 65 % та вагу 23 кг.

 
VASIMR

VASIMR (ВАСИМР)Редагувати

ВАСИМР — агл. VASIMR — скорочення від Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket — ракета специфічної змінної імпульсної магнітоплазми, використовує радіохвилі для іонізації палива в плазму. Потім магнітне поле прискорює плазму з ракетного двигуна, створюючи тягу . VASIMR розробляється ракетною компанією Ad Astra, із штаб-квартирою в Х'юстоні, штат Техас. Нова Шотландія (Nova Scotia), Канадська компанія , Nautel, виробляє 200 кВт генератори радіочастоти, необхідні для іонізації палива. Деякі складові тести та експерименти «Зйомка плазми» проводяться в лабораторії Ліберії, Коста-Ріка . Цей проект очолює колишній астронавт NASA, доктор Франклін Чанг-Діаз (CRC-USA).

Коста-риканський аерокосмічний альянс оголосив про розробку зовнішньої опори для VASIMR щоб мати змогу встановити апарат зовні Міжнародної космічної станції . Проектований двигун потужністю 200 мегават може скоротити час подорожі з Землі до Юпітера або Сатурна з шести років до чотирнадцяти місяців, а з Землі на Марс — з 6 місяців до 39 днів.[12]

Див. такожРедагувати

Список літературиРедагувати

(на разі маємо публікації англійською мовою…)

  1. Australian National University develops helicon plasma thruster. Dvice. January 2010. Процитовано 8 June 2012. 
  2. N.S. company helps build plasma rocket. cbcnews. January 2010. Процитовано 24 July 2012. 
  3. Plasma engine passes initial test. BBC News. 14 December 2005. 
  4. а б Plasma jet engines that could take you from the ground to space. New Scientist (en-US). Процитовано 2017-07-29. 
  5. а б Space Travel Aided by Plasma Thrusters: Past, Present and Future | DSIAC. www.dsiac.org (en). Процитовано 2017-07-29. 
  6. Antimatter to ion drives: NASA's plans for deep space propulsion. Cosmos Magazine (en). Процитовано 2017-07-29. 
  7. Rocket Aims For Cheaper Nudges In Space; Plasma Thruster Is Small, Runs On Inexpensive Gases. ScienceDaily (en). Процитовано 2017-07-29. 
  8. The 123,000 MPH Plasma Engine That Could Finally Take Astronauts To Mars. Popular Science (en). Процитовано 2017-07-29. 
  9. Traveling to Mars with immortal plasma rockets. Процитовано 2017-07-29. 
  10. TacSat-2. www.busek.com. Процитовано 2017-07-29. 
  11. Rocket Aims For Cheaper Nudges In Space; Plasma Thruster Is Small, Runs On Inexpensive Gases. ScienceDaily (en). Процитовано 2017-07-29. 
  12. TacSat-2. www.busek.com. Процитовано 2017-07-29. 

ПосиланняРедагувати