ДАЛЁКИЙ КОСМОС СТАНОВИТСЯ БЛИЖЕ

Вокруг земного шара в настоящее время летает множество аппаратов, которые управляются «химическими» двигателями. А для  корректировки положения аппарата в пространстве все чаще используют ионные ( «плазменные») двигатели, достоинство которых в значительно большей скорости истечения реактивной струи, что в свою очередь, в принципе, позволяет существенно уменьшить эжектируемую массу для получения заданного тягового усилия. Однако абсолютные значения величины тяги пока ограничиваются значениями порядка нескольких сотен миллиньютон. Тем не менее начались, пока единичные, запуски аппаратов на ионной тяге в пространство внутри солнечной системы ( американские аппараты Deep Space и Dawn ). В России очень хорошо отработаны т.н. «Холловские плазменные двигатели» (Группа О. А. Горшкова в «Центре им. Келдыша»), но работающие при потенциалах ускорения ионного потока лишь до тысячи вольт и значениями тяги до 0.4 ньютон. Переход же к более высоким потенциалам ускорения ионов с целью получения тяги 2-5 ньютон и конструирование, соответственно,  более мощных аппаратов явно тормозится. Дальше разговоров о создании электрореактивных двигателей ( ЭРД ) с ядерными энергетическими устройствами ( ЯЭУ ) дело почемуто не идёт.Об этом гововорили на заседании Проблемного ссовета № 5А нучно-технического совета (НТС ) по двигательным установкам РКТ в сентябре 2011 года.На Совете было отмечено,что в России "наметилось отставание от ведущих космических держав в разработке и применении как мощных ХОЛЛОВСКИХ электрореактивных        ( ЭРД ) двигателей, так и ЭРД других схем, что сдерживает развитие отечественных аппараратов после 2015-2020 годов"  

Отметим, что  ЕКА с 2001 года разрабатывает высоковольтный ионный  двигатель на ксеноне.     (Duel Stage four Greed ( DS4G)), в котором тысяча тонких ионных  пучков пропускается последовательно сквозь соответствующие отверстия в четырех сетках что  делает его малоперспективным. Опубликованные в интернете данные наземных испытаний противоречивы. Утверждается, что достигнутая скорость истечения реактивной струи равна 210000 м/с ( соответствует потенциалу ускорения ионов ксенона 30 кВ ) при затрате мощности на ускорение 25 кВт, а тяговое усилие равно 0.45 ньютон. Однако для достижения такого результата нужен ток ксенона в струе 1.64 А что соответствует затрате мощности 50 кВт. Можно предположить, что (для совместимости результатов) ток равен 0.8 А и тяговое усилие равно 0.22 ньютон. 

 Наиболее интересной работой в этом направлении является аппарат VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) Магнитно-плазменный двигатель с регулируемым удельным импульсом, работа над которым ведется с восьмидесятых годов. 

Предполагается, что k 2014 году на борту МКС пройдут испытания этого двигателя. Утверждается, что аргоновая плазма вытекает из двигателя  со скоростью 177000 км/час  или 50 км/сек, что соответствует ускорению потенциалом примерно 10 кВ.  Сообщается, что 30 сентября 2009 года прошёл тест при рекордном уровне в 201 киловатт. «Это самый мощный плазменный двигатель в мире на данный момент», — утверждает основатель Ad Astra Rocket, бывший астронавт NASA, Франклин Чан-Диаз (Franklin Chang-Diaz).164кВт затрачено на выброс плазмы.

Проведем расчёт основных показателей по приведенным данным испытаний макета двигателя. Мощность, вкладываемая в поток плазмы равна 165 кВт. При потенциале ускорения 10 кВ поток плазмы эквивалентен 16.5 А ионного тока. При использовании аргона, который выбран в качестве рабочего тела, получаем тяговое усилие равным 1.44 Ньютон.

 
Для работы аппаратов такого уровня необходимы новые типы источников электрического питания с мощностями порядка 100-1000 кВт.

  Из интервью академика РАН А.С. Коротеева 

  Мы предложили схему, в которой космический ( ядерный ) реактор не нагревает струю, выбрасываемую из него, а вырабатывает электричество. Горячий газ от реактора крутит турбину, турбина крутит электрогенератор и компрессор, который обеспечивает циркуляцию рабочего тела по замкнутому контуру. Генератор же вырабатывает электричество для плазменного двигателя с удельной тягой в 20 раз выше, чем у химических двигателей. 

 Каковы основные преимущества такого подхода. Во-первых, отпадает необходимость в семипалатинском полигоне.. Мы можем провести все испытания на территории России, не втягиваясь в какие либо длинные тяжелые международные переговоры по поводу использования ядерной энергии за пределами государства. Во-вторых, выходящая из двигателя струя не будет радиоактивной, поскольку через реактор проходит совершенно другое рабочее тело, которое находится в замкнутом контуре. Кроме того, нам не надо при этой схеме нагревать водород, здесь в реакторе циркулирует инертное рабочее тело, которое нагревается до 1500 градусов. Мы серьезно упрощаем себе задачу. Наконец, в итоге мы поднимем удельную тягу не в два раза, а в 20 раз по сравнению с химическими двигателями. ( По сообщению А.С. Коротеева работы по созданию ядерного источника электропитания космических аппаратов предполагается завершить к 2018 году.)
  
- Проект же Чанг-Диаса предполагает следующие этапы: в 2010 году - начало работ; в 2012-м - завершение эскизного проекта и проведение обстоятельного компьютерного моделирования рабочего процесса; в 2015 году - создание ядерной энергодвигательной установки; в 2018-м - создание транспортного модуля, использующего эту двигательную установку, чтобы в том же году подготовить систему к полету, Франклин Чанг-Диас не просто так взялся за испытания своего двигателя. Перспективы создания компактного реактора в США весьма хорошие. В 2003 году студенты Массачусетского технологического института предложили проект компактного солевого ядерного реактора на быстрых нейтронах с альфой менее 3 кг/кВт. Их проектный образец имеет мощность 4 Мвт, вес ядра - всего 185 килограммов, а размеры - 20х20х20 сантиметров.

Еще один интересный вариант - это представленный в начале этого года ( 2011 ) проект миниреактора компании Hyperion, масштабное производство которого начнется в 2013 году. Это компактный реактор размером 1,5х2,5 метра, мощностью 25Мвт и альфой 2 кг/кВт.

  -Рабочие характеристики и основные соотношения для космических ионных и плазменных аппаратов

 Удельный импульс тяги равен отношению тяги R  к массовому секундному расходу  рабочего тела dm/dt , имеющему размерность кг/сек, что есть по сути осредненная  скорость реактивной струи, создающей тягу, и, соответственно ,имеет размерность скорости М/Сек.На практике для удельного импульса тяги часто используется
размерность секунды, характеризующая отношение тяги к весовому секундному расходу рабочего тела dm/dt*g  в условиях земного тяготения  Iуд (с)= Iуд(м/с )/g  Где g ускорение свободного падения,g=9.81 m/sek²  Тяговая мощность струи N равна кинетической энергии струи, причем в качестве скорости струи берется  проекция скорости на ось движения струи. 

 В России мощные ионные двигатели пока не разрабатываются, хотя реальные предпосылки для этого вполне имеются. Уже сорок лет т.н. «ХОЛЛОВСКИЕ» источники ионов, как уже упоминалось выше, успешно работают при малых значениях тяги. Автор данного сайта является соавтором  варианта холловского источника ионов, именуемого для космического применения ДАС «двигатель с анодным слоем». Возможно поэтому, он обратил внимание, что оба типа  холловских двигателя могут быть выполнены таким образом, что приосевая область корпусов не будет участвовать в процессе создания ионных пучков и её масса может быть безболезненно удалена. Образующаяся при этом полость может быть сделана цилиндрической и  использована для размещения элементов приосевой части коаксиальной ускорительной системы( см. ниже).   
 

Аналогичные патенты были выданы в Великобритании, Германии иФранции.

Далее представлен чертёж  продольного разреза  конструкции первого варианта  высоковольтного «холловского» ускорителя ( с источником ионов типа ДАС ) ,позволяющей перейти к большим тяговым усилиям двигателей космических аппаратов на уровень 2-5 ньютон.(патент Р.Ф.№ 2411393 от 10 февраля 2011 года на имя Ковальского Г. А. с приоритетом от 18 октября 2008 года).

Ионы ускоряются в узком промежутке между торцом кольцевой разрядной камеры и кольцевым отверстием между полюсами магнита, создаваемого соосным с корпусом соленоидом. К источнику ионов примыкает ускорительная система. Внутри полости корпуса-магнитопровода помещен жесткий электропроводящий цилиндрический стержень, проходящий далее вдоль оси через всю конструкцию двигателя. Вокруг стержня расположены жесткие электропроводящие трубки, контактирующие с соответствующими приосевыми деталями ускорительной системы. Между трубками расположены цилиндрические слои из электропрочных диэлектрических материалов. Ускорительная система в целом состоит из 2 секций, состоящих каждая из трех электродов. Внешние части электродов коасиальной ускорительной системы укреплены на внутренней поверхности двухслойной жесткой диэлектрической трубы, плотно охватывающей всю конструкцию. Между слоями трубы располагаются токоподводы к соответствующим внешним частям электродов ускорительной системы. В стенках трубы имеются отверстия регулируемого размера. Изобретение позволяет увеличить энергию эжектируемых ионов до 10-100 кэВ. На рисунке не показаны детали, относящиеся к know how во избежание несанкционированного копирования аппарата. 

   Применение мощных плазменных двигателей в составе ядерной энергетической двигательной установки (ЯЭДУ) позволит создать космический корабль нового поколения с широкими возможностями, считает начальник отдела электрофизики Исследовательского центра имени М.В. Келдыша, профессор факультета аэрофизики и космических исследований МФТИ Олег Горшков.

"В ионном двигателе поступающее в него рабочее тело (инертный газ ксенон) сначала ионизируется, затем положительно заряженные частицы (положительные ионы ксенона) ускоряются в электростатическом поле до заданной скорости и создают тягу, покидая двигатель. Использовать ЯЭДУ с ионными двигателями можно на межорбитальном многоразовом буксире. К примеру, возить грузы между низкими и высокими орбитами, осуществлять полеты к астероидам. Можно создать многоразовый лунный буксир или отправить экспедицию на Марс", - сказал Горшков   РИА Новости.

Опыт исследований, особенно группой О .А .Горшкова , показывает, что получить большие ионные токи,на входе плазменного потока в ускорительную систему , необходимые для получения больших  тяговых усилий(диапазона 2-5 ньютон)  уже в настоящее время возможно , используя вариант СПД «Холловского» двигателя (что предусмотрено в пункте 2 формулы изобретения ).

Необходимое уменьшение угла расходимости потока плазмы на выходе из собственно источника плазмы также возможно.  Как например в российском варианте СПД (источник АТОН ) так и по сообщениям в интернете о работах за рубежом.. 

Ученые из Лаборатории физики плазмы Принстонского университета достигли определенных успехов, установив на стенках холловского двигателя секционированные электроды, которые формируют электрическое поле таким образом, чтобы сфокусировать плазму в узкий выходной пучок. Конструкция уменьшает бесполезный неосевой компонент тяги и позволяет увеличить ресурс двигателя благодаря тому, что плазменный пучок не соприкасается со стенками двигателя. Немецкие инженеры достигли примерно таких же результатов, применив магнитные поля особой конфигурации. А исследователи Стэнфордского университета показали, что покрытие стенок двигателя   прочным   поликристаллическим алмазом значительно повышает их стойкость к эрозии под действием плазмы. Все эти усовершенствования сделали холловские двигатели пригодными для дальних космических полётов.
Если,например,использовать связку из пяти двигателей с полной тягой 10 ньютон, что соответствует выходному току 30 ампер и ускоряющему потенциалу 50 кВ, то можно достичь МАРСа за 10 суток при расходе ксенона 40 кг.

В настоящее время необходимо провести серьёзное обсуждение предложенной модели  двигателя, ограничиваясь пока одной трехэлектродной ускоряющей секцией. Как показал опыт работ предыдущих десятилетий разработок высоковольтных источников ионов (источники ионов для линейных ускорителей ионов, для установок термоядерных исследований,) трёхэлектродная ионная оптика снимает проблему   «обратных» электронов. И утверждение О.А. Горшкова о невозможности  построения 
высоковольтных ионных двигателей, приведенное в  рецензии на моё обращение в РОСКОСМОС является ошибочным.( кстати единственное замечание рецензентов по
сути предложения )

Для моделирования процессов, имеющих место при захвате ионов в ускорительную
систему можно применять короткие прямоугольные ( например по двадцать миллисекунд ) импульсы потенциалов, что избавит от необходимости использовать мощные источники электрического питания на начальной стадии работы
. 
  Приведу примеры  значений тяговых усилий, которые возможно получит ь, используя газовый разряд в КРИПТОНЕ для соответствующих мощностей.

В данном тексте использованы ( с информационной целью ) цитаты из некоторых сайтов, посвящённых разработкам ионных двигателей для космоса.(выделенные
жирным шрифтом )

Доктор технических наук, профессор Ковальский Георгий Александрович

E-mail Kovgeorgal@yandex.ru

http://www.newcosmionthruster.narod2.ru