Плазменный двигатель своими руками

Обновлено: 07.07.2024

Двигатель на эффекте Холла. Совершенно та же Википедия. Только лучше.

Когда и как возникла идея разработки плазменного двигателя

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.

В настоящее время именно калининградские СПД лидируют в мире по характеристикам достигнутой мощности и производительности. Они широко востребованы многими зарубежными производителями коммерческих геостационарных спутников и применяются для поддержания их орбит. Российские СПД сделали возможным создание спутников без использования химической тяги, основанной на весьма токсичном топливе.

Устройство

Холловский двигатель состоит из кольцевой камеры между анодом и катодом, вокруг которой расположены магниты. С одной стороны в камеру подаётся рабочее тело, с другой стороны происходит истекание плазмы. Нейтрализация положительного заряда плазмы производится электронами, эмитируемыми с катода.

По принципиальной схеме холловские двигатели делятся на двигатели с анодным слоем (ДАС) и с протяжённой зоной ускорения (СПД).

Краткий экскурс в физику

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.

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.

Китайский прорыв

Схема работы плазменного двигателя

По принципиальной схеме холловские двигатели делятся на двигатели с анодным слоем (ДАС) и с протяжённой зоной ускорения (СПД)

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.

См. также

Электрический ракетный двигатель
Ионный двигатель
VASIMR

Можно ли собрать плазменный двигатель своими руками

Качер Бровина питается от модифицированного сетевого адаптера 12 В, 2 А, потребляет 20 Вт. Он преобразует электрический сигнал в поле частотой 1 Мгц с эффективностью 90%. Для сборки устройства также потребуется пластиковая труба 80х200 мм — на неё будут намотаны первичные и вторичные обмотки резонатора. Вся электронная часть устройства размещается в середине этой трубы. Эта схема полностью стабильна, она может работать сотни часов без перерыва.

Реальная двигательная установка, обеспечивающая заметную реактивную тягу при истечении плазмы, более известна как СМОЛА (Спиральная Магнитная Открытая ЛовушкА). Фактически она представляет собой собранный своими руками плазменный двигатель с небольшими по мощности характеристиками. Установка СМОЛА в целом представляет собой трубу с винтовым магнитным полем, которая заканчивается парой расширителей. Оптимальной считается комбинация из общей длины устройства (6 метров), величины магнитного поля (до 0,3 Тесла) и плотности плазмы (10^19 частиц в кубометре).

Оптимизированная система СМОЛА (отмечены два винтовых проводника с током и пачка плоских катушек)

Реально действующая установка СМОЛА требует наличия достаточно серьёзной техники, в составе которой требуется:

Вакуумная система (в том числе турбомолекулярные роторные насосы), обеспечивающая давление ниже 10^-4 Па (одна миллиардная атмосферы);
Магнитная система, представляющая собой шину сечением 15 мм из твёрдой меди;
Суперконденсаторные сборки, выдающие от 200 кДж накопленной энергии.

Получившаяся плазма растекается вдоль силовых линий магнитного поля, проходит через трубу с винтовым полем, после чего, расширяясь, попадает на плазмоприёмник из изолированных друг от друга молибденовых пластин. Между пластинами можно подавать любые желаемые напряжения, чтобы раскрутить плазму радиальным электрическим полем.

Плазменные двигатели в эксплуатации

Хотя большинство плазменных двигателей все еще ограничено лабораториями, некоторые из них активно летали и использовались в миссиях. В 2011 году НАСА в партнерстве с аэрокосмической компанией Busek запустило первый двигатель на эффекте Холла на борту спутника Tacsat-2 . Двигатель был основной двигательной установкой спутника. С тех пор компания запустила еще один двигатель на эффекте Холла в 2011 году. По мере развития технологий, вероятно, увеличится время полета плазменных двигателей.

В мае 2020 года команда из Института технологических наук Уханьского университета опубликовала статью о разработанном ими прототипе плазменного струйного устройства, способного поднимать стальной шар весом 1 кг (2,2 фунта) над кварцевой трубкой диаметром 24 мм (один дюйм). Тяга, необходимая для достижения такой подъемной силы, эквивалентна относительной тяге двигателя коммерческого самолета. В конструкции сжатый воздух вводится в камеру и подвергается воздействию более 1000 градусов Цельсия и микроволн для создания ионизированной плазмы, которая затем выбрасывается для создания движения.

Двигатель на эффекте Холла
Магнетронное распыление
Ядерная электродвигательная установка

Примечания

↑ Большая Советская Энциклопедия, Третье издание БСЭ, 1969—1978 г.
↑ Журнал Космические исследования, том XII, в.3, стр.461
↑ Журнал Технической физики, том XLII, в.1, стр.54

См. также

Ссылки

Дмитрий Мамонтов Потомки повелителя ветров: Вместо сердца – плазменный мотор! (рус.) . Популярная механика (Декабрь 2005). Архивировано из первоисточника 21 марта 2012. Проверено 22 июля 2010.
Lisa Grossman Плазменный мотор: 40 дней до Марса (рус.) . Популярная механика (27.07.09). Архивировано из первоисточника 21 марта 2012. Проверено 22 июля 2010.

Литература

Эта страница в последний раз была отредактирована 19 августа 2020 в 09:38.

внешние ссылки

Плазменный двигатель в космосе – AIP, октябрь 2000 г.
Плазменный двигатель Mini-Helicon

Достоинства и недостатки

Высокий импульс;
Малая масса расходуемого рабочего тела;
Малые габариты самого двигателя.

В то же время свойственные таким двигателем недостатки сводятся к главному: слишком малой тяге. Они существенно уступают по данным показателям обычным ракетным двигателям, что делает их использование крайне неэффективным. Кроме того, весьма высоки затраты энергии на ионизацию. К тому же в условиях земной атмосферы высвобождаемые ионы крайне химически активны, образуя весьма агрессивные соединения.

Если у вас возникли вопросы – оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них

Российским учёным удалось первыми в мире создать миниатюрный плазменный двигатель для наноспутников. Отличительной особенностью двигателя является его небольшие габариты и вес — всего 306 граммов.

Кроме учёных из МИФИ таких показателей ещё не удавалось достичь никому. Это делает возможным наиболее эффективно использовать спутники и устанавливать на них более совершенное оборудование.

Новый двигатель планируется использовать для орбитальных манёвров и коррекции орбиты наноспутников.

Особенности конструкции

Отличительной особенностью плазменных двигателей является высокий удельный импульс. Если говорить другими словами, то это скорость реактивной струи. В нашем случае из двигателя вылетает поток плазмы, который направляется магнитным полем управляющей катушки.

Для обычных жидкостных реактивных двигателей скорость струи составляет от 2 до 3 км/с, а у самых мощных моделей этот показатель не превышает 4,5 км/с. Для плазменных двигателей этот показатель обычно составляет от 10 км/с и выше. Теоретически предела скорости для плазменных двигателей нет, а на практике, скорость ограничивается затратами электроэнергии.

Конструкция плазменного двигателя очень проста. По сути для создания плазмы требуется два электрода, разделённые между собой изолятором из фторопласта. К этим электродам подключены два конденсатора, причём первый подключён постоянно, а второй, может быть замкнут или разомкнут.

При подключении второго конденсатора, по поверхности изолятора протекает разряд. Затем к работе подключается первый конденсатор, который усиливает разряд. При прохождении разряда по поверхности изолятора, он моментально испаряется и становится плазмой. Плазма, фокусируемая посредством магнитной катушки, с большой скоростью выбрасывается из двигателя.

Самую большую сложность представляло создание конденсаторной батареи небольших размеров. Задача решалась несколько лет. Для этого пришлось заменить фторопласт на полиацеталь.

В процессе исследований удалось снизить разрядный ток, требуемый для работы двигателя до уровня в 1000 А. Это позволило использовать обычные конденсаторные батареи и снизить габариты и массу самого двигателя.

Дальнейшие перспективы развития плазменных двигателей

Если получиться овладеть в полной мере технологиями магнитного удержания плазмы, тогда станет возможным создание двигателей с максимально возможным импульсом. А это в будущем позволит создать двигатели для межзвёздных перелётов.

Прототипом такого двигателя является ТОКАМАК — установка для создания условий, необходимых для протекания термоядерной реакции. Плазма в такой установке удерживается также при помощи магнитного поля, но в отличие от плазменного двигателя не выбрасывается наружу, а остаётся внутри установки.

Изучая процессы, происходящие внутри ТОКАМАКА учёные становятся ближе к созданию плазменных двигателей большой мощности.

Применение плазменных двигателей для спутников

Применение космических аппаратов небольших размеров и веса до 10 кг — наноспутников, является очень перспективным направлением. По сути, с помощью таких аппаратов можно выполнять такие же работы, что и при помощи спутников обычных размеров, но затраты на выведение их на орбиту и эксплуатацию будут намного меньше.

Основной проблемой, ограничивающей применение наноспутников являлось сложность управления ими в космическом пространстве. Наиболее часта причина выхода их из строя — это сход с орбиты и сгорание в атмосфере.

Применение нового двигателя позволит корректировать орбиту наноспутника или выводить его на другую орбиту. Двигателем уже серьёзно заинтересовалась фирма, производящая наноспутники и уже изготовила образец спутника, в котором будут применяться новые плазменные двигатели. Это даёт возможность увеличения места для установки научной аппаратуры.

Кроме этого, применение двигателей на наноспутниках является обязательным требованием международных программ по предотвращению загрязнения космического пространства. Согласно этих требования каждый наноспутник должен быть оборудован системой свода с орбиты.

Заключение

Конечно для доработки нового двигателя потребуется некоторое время. В конце 2021 года запланированы ресурсные испытания на Земле, которые будут завершены к лету следующего года. Запуск двигателя в серийное производство запланирован на 2022 год.

Предлагаю следующую схему:

Жидкое рабочее тело (1) истекает из тонкой иглы (2) в камеру. На иглу подается сильное положительное напряжение, ориентировочно +1000 вольт. С поверхности жидкости срываются ионы. Любая жидкость в вакууме испаряется, и первыми с поверхности будут срываться положительные ионы. Дальше предлагаемая схема повторяет конструкцию классического ионного двигателя: магниты стабилизируют ионный пучок, который разгоняется электрическим полем между сеточками-электродами (3) и истекает через сопло.

Проще говоря, я предлагаю сверхпростой, сверхдешевый, но малоэффективный способ производства ионов на борту космического аппарата, без всяких магнетронов и электронных пушек. Будет ли он работать?

КПД и удельный импульс у такого движка, несомненно, будут значительно ниже, чем у современных ионных двигателей - во сколько именно раз, я посчитаю позже, так как это непринципиально. А принципиально следующее:

1) Двигатель легко собрать в домашних условиях. Для испытаний нужна лишь вакуумная камера.

Что будет - если капля замкнет электроды? Пипец будет. Это и так ясно.

Какая жидкость имелась в виду?

Цитата:

Не вижу особой простоты. Как и дешевизны.
Как впрочем и неэффективность - нуждается в проверке.

Цитата:

Ну уж нет. это принципиально. Высосанные из ниоткуда выводы обо всем. кпд импульс, тяга.

Хорошо. Я считал ионный двигатель идеальным решением, так как аппарат все равно несет на себе немаленькие солнечные батареи. Кроме того, очень высоки требования к точности – считанные метры в открытом космосе и сантиметры при посадке. Потребуется многократная, если не сказать непрерывная, коррекция траектории. Химический двгатель для этого не очень приспособлен.

Считаете ли вы, что ионный двигатель в домашних условиях собрать невозможно, а химический возможно? Я понимаю, что точно это сказать не сможет никто – меня интересует экспертная оценка.

ruata matsu писал(а):

ДЛя космического аппарата нельзя. А простой ионник - запросто. Кстати - зачем?

ruata matsu писал(а):

Какая жидкость имелась в виду?

Вопрос: Какая жидкость будет использоваться в качестве рабочего тела?

Ответ: Выбор рабочего тела ограничйивается следующими условиями. Жидкость должна быть:

Химически инетрной
Незамерзающей при низкой температуре
Легко доступной
Иметь низкий потенциал ионизации

Преглагаю керосин. Точнее, один из его компонентов - гексан. Будут встречные предложения?

ruata matsu писал(а):

Почему срываться будут именно ионы - а не большие капли заряженные положительно? Что будет - если капля замкнет электроды? Пипец будет. Это и так ясно.

Вопрос: не может ли с иглы сорваться капля? Ведь рабочее тело заряженно положительно и оно притягиется к отрицательно заряженной сетке. Если такое произойдет, капля замкнет электроды.

Ответ: Поверхностное натяжение не даст капле сорваться. Электростатическое притяжение будет на много порядков меньше силы поверхностного натяжения. Это можно доказать математически строго, но я лучше приведу такой простой пример. В вашей домашней розетке, в зависимости от места жительства, 110 либо 220 вольт. Воткните в розетку два тонких проводка, а их обратные концы положите на стол. Капните на стол каплю воды. Один из электродов воткните в каплю, а второй поднесите к капле на расстояние несколько миллиметров. Напряженность электрического поля и, следовательно, сила, действующая на каплю, равна силе, которая будет развиваться в рабочей камере ионного двигателя. Поползет ли капля ко второму электроду? Очевидно, что нет. Пробовать не рекомендую - устроите короткое замыкание.

ruata matsu писал(а):

Какие магниты - какая напряженность поля? сколько магниты весят? Какая потеря магнитного потока закладывается? Как управляется структура поля.

Маленькая, мало, никакая, никак.
Это все непринципиально - посчитаю позже.

Вопрос: Зачем нужны магниты?

Если вы будете просто выпускать в вакуум положительные ионы (даже если получится), то ваш аппарат со временем будет накапливать отрицательный заряд, который притянет все ваши ионы обратно. Короче, никуда не полетите.

Цитата:

Преглагаю керосин. Точнее, один из его компонентов - гексан. Будут встречные предложения?

представь, что будет происходить с каплей в вакууме.

Цитата:

Ответ: Поверхностное натяжение не даст капле сорваться.

ерунда.

Цитата:

Электростатическое притяжение будет на много порядков меньше силы поверхностного натяжения. Это можно доказать математически строго, но я лучше приведу такой простой пример. В вашей домашней розетке, в зависимости от места жительства, 110 либо 220 вольт. Воткните в розетку два тонких проводка, а их обратные концы положите на стол. Капните на стол каплю воды. Один из электродов воткните в каплю, а второй поднесите к капле на расстояние несколько миллиметров. Напряженность электрического поля и, следовательно, сила, действующая на каплю, равна силе, которая будет развиваться в рабочей камере ионного двигателя. Поползет ли капля ко второму электроду? Очевидно, что нет. Пробовать не рекомендую - устроите короткое замыкание.

1. короткого не будет. Капля просто закипит и испариться. Факт.
2. Все время - кудато забываешь про ВАКУУМ.

х. Углеводороды - будут еще и разлагаться с выделением углерода.

Цитата:

Это все непринципиально - посчитаю позже.

Это - ваш, я так понимаю, основной ответ на все вопросы.

ВЧЕРА, СЕГОДНЯ, ЗАВТРА

В.П.Легостаев, Л.А.Пец, А.И.Симонов,

Н.Н.Антропов, Г.А.Попов (НИИПМЭ МАИ),

Р.С.Салихов, Ю.И.Пугачев, Н.П.Щелков (НИИЭМ),

Доклад посвящен знаменательной дате – 40-летию со дня начала эры ЭРД в космосе: 14 декабря 1964 года на советском КА “Зонд-2” была успешно испытана в условиях “дальнего космоса” (5,4 млн. км от Земли) плазменная система ориентации (ПСО). ПСО содержала 6 ЭРД. ЭРД являлись абляционными ИПД. Разработанные и созданные ИПД (с приоритетом от декабря 1962г.) отличались простотой и надежностью и удовлетворяли совокупности требований, сформулированных С.П.Ко-ролевым, Б.Е.Чертоком, Б.В.Раушенбахом в ОКБ-1.

Приводятся тяговые характеристики абляционных ИПД электротермического и электромагнитного типа в диапазоне энергий емкостного накопителя ~ 20-2000 Дж. Кратко описан ИПД для ПСО КА массой в несколько раз большей, чем масса КА “Зонд-2” (~950 кг).

Даны результаты лабораторных испытаний моделей так называемых “маршевых” ИПД.

Описано использование ИПД в качестве инжекторов мощных импульсных потоков плазмы для активного зондирования ионосферы Земли. Сообщается о серии моделей летных образцов ИПД, разработанных в НИИПМЭ, имеющих улучшенные тяговые характеристики.

Приведены данные о готовящейся совместной работе НИИПМЭ МАИ и НИИЭМ. Универсальная космическая платформа “Вулкан” выводится на орбиту вокруг Земли. Два ИПД, разработанные в НИИПМЭ МАИ, используются в составе двигательной установки (ДУ) для стабилизации и/или коррекции орбиты платформы.

Тяговые характеристики ИПД: энергия разряда W0 = 50 кДж, единичный импульс p1 = 1,5·10-3 Н·с, тяговый КПД ηт = 25 %, частота разрядов f = 2 Гц, полное количество разрядов NΣ = 6·10-6, полная масса
ДУ ≤ 15 кг.

Рассматриваются другие возможные применения ИПД: стабилизация и ориентация КА, “маршевые” ИПД будущего.

Дан обзор результатов зарубежных разработок, испытаний и применений ИПД.

В XXI веке область применения ИПД будет увеличиваться по мере миниатюризации КА.

Вы, как всгда, правы. Придется перерисовывать чертежи.

Kuasar писал(а):

Сложность задачи в том, что надо точно рассчитать и точно соблюдать баланс истекающих зарядов.

А что, если я поставлю электростатический вольтметр для детектирования излишнего отрицательного заряда на борту и регулирования мощности электронной пушки?

ruata matsu писал(а):

примитивный ТРД или ЖРД вполне можно собрать.

ЖРД: Где взять жидкий кислород? На основании опыта ракетомоделистов, я вам сразу сажу, что нигде: они покупают за бешенные деньги 3% перекись водорода, перегоняют ее до 70% (регулярно подрываясь на своих установках), в к конце имеют нормальный УИ для перекиси водорода, то есть в несколько раз меньше УИ настоящей ракеты.

ТРД: На основании опыта ракетомоделистов, УИ 10 сек.

ruata matsu писал(а):

1. короткого не будет. Капля просто закипит и испариться. Факт.

Не закипит (слишком маленькая), просто испарится.

Безусловно. Если капля и образуется на игле в результате какой-либо ошибки ПО, она просто испариться и дальше двигатель будет работать штатно: через эмиссию ионов с конца иглы.

ruata matsu писал(а):

Углеводороды - будут еще и разлагаться с выделением углерода.

После прохода участка разгона внутри камеры (от иглы до сетки) пусть разлагаются на что хотят.

Насколько я понимаю, заряд обычно меряется относительно чего-то. Это что-то по идее должно нести на себе нулевой заряд. А в наших условиях сохранить нулевой заряд где-то внутри вольтметра будет сложно.

Но с чего вы взяли, что электронная пушка жрет очень много энергии? Количество электронов, которое должна будет выдавать эта пушка, такое же, как заряд ионов, вылетающих из ионника, т.е. не очень большое. А электроны, как известно, разгонять даже проще, чем ионы.

Ваша уверенность в том, что я самолично изобрел ионный двигатель, конечно, льстит моему самолюбию, но заставляет сомневаться в вашей способности бегло читать, как по русски вообще, так и седьмую фразу моего поста, в частности.

По этому - вообщето разгоняют ионы. И направляют пучек ионов через облако электронов. Облако электронов - формируют просто разогревая вольфрамовую сетку с нанесенным цезием.

В случае решения задачи компенсации плазмы с помощью электронной пушки, нам необходимо, чтобы скорость вылетающих электронов была такая же, как и у ионов, вылетающих из двигателя.

Количество солнечных панелей 2
Длина каждой панели 20 см
Ширина каждой панели 20 см
Общая площадь 800 см3
Или м3 0.08
Солнечная постоянная 1367 ватт/м2
КПД солнечных батарей 15%
Выходная мощность солнечных панелей 16.404 ватт
Напряжение на катоде (внешней сетке) -200 вольт
Напряжение на аноде (игле) 200 вольт
Перепад напряжений 400 вольт
Потенциал ионизации гексана 10.17 Эв
1 электронвольт равен 1.602177*10^-19 Дж
Кинетическая энергия иона 6.24576*10^-17 Дж
Молекулярная масса рабочего тела 131.29 г/моль
Число Авогадро 6.022045*10^23
Масса молекулы гексана 2.180156*10^-25 кг
Максимальная скорость иона 23936.68385 м/с
Расход ионов в секунду 2.62642*10^17 штук
Расход рабочего тела в секунду 5.72601*10^-08 кг
Расход рабочего тела за сутки 4.947269069 грамм
Тяга двигателя 0.001370616 Н
Тяга двигателя 0.1397162 грамм

СКОРОСТь ИСПАРЕНИЯ
Внутренний диаметр иглы 1 мм
Радиус 0.0005 м
Площадь сечения внутреннего канала иглы 7.85398*10^-07 м2
Плотность гексана 700 кг/м3
Рас ход рабочего тела в секунду 5.72601*10^-08 кг
Рас ход рабочего тела в секунду 8.18001*10^-11 м3
Испарение рабочего тела 0.000104151 м/сек
Испарение рабочего тела 0.104151101 мм/сек
Испарение рабочего тела 8.998655167 м/сутки
Вывод: для рабочего тела следует выбирать вещество, скорость испарения которого в вакууме ниже 0.1 мм/сец.

ЗАПАС ТОПЛИВА И ВРЕМЯ В ПУТИ
Сухая масса корабля 1 кг
Удельный импульс (скорость выхлопа) 23936.68385 м/с
Требуемый импульс 4 км/сек
Требуемый импульс 4000 м/сек
Топливная составляющая веса корабля 15.31%
Масса топлива 0.153078304 кг
Расход рабочего тела в секунду 5.72601*10^-08 кг
Время разгона 2673387.125 сек
Время разгона 30.94198062 суток

Количество солнечных панелей N1 = 2
Длина каждой панели N2 = 20 см
Ширина каждой панели N3 = 20 см
Общая площадь N4 = N1*N2*N3 см3
Или м3 N5 = N4/(100*100)
Солнечная постоянная N6 = 1367 ватт/м2
КПД солнечных батарей N7 = 0.15
Выходная мощность солнечных панелей N8 = N5*N6*N7 ватт
Напряжение на катоде (внешней сетке) N9 = -200 вольт
Напряжение на аноде (игле) N10 = 0-N9 вольт
Перепад напряжений N11 = N10-N9 вольт
Потенциал ионизации гексана N12 = 10.17 Эв
1 электронвольт равен N13 = 1.60217653141414E-19 Дж
Кинетическая энергия иона N14 = N13*(N11-N12) Дж
Молекулярная масса рабочего тела N15 = 131.29 г/моль
Число Авогадро N16 = 6.022045E+23
Масса молекулы гексана N17 = (N15/1000)/N16 кг
Максимальная скорость иона N18 = SQRT(N14*2/N17) м/с
Расход ионов в секунду N19 = N8/N14 штук
Расход рабочего тела в секунду N20 = N19*N17 кг
Расход рабочего тела за сутки N21 = N20*1000*(24*3600) грамм
Тяга двигателя N22 = N20*N18 Н
Тяга двигателя N23 = N22*1000/9.81 грамм

СКОРОСТь ИСПАРЕНИЯ
Внутренний диаметр иглы N26 = 1 мм
Радиус N27 = N26/(1000*2) м
Площадь сечения внутреннего канала иглы N28 = PI()*N27*N27 м2
Плотность гексана N29 = 700 кг/м3
Рас ход рабочего тела в секунду N30 = N20 кг
Рас ход рабочего тела в секунду N31 = N30/N29 м3
Испарение рабочего тела N32 = N31/N28 м/сек
Испарение рабочего тела N33 = N32*1000 мм/сек
Испарение рабочего тела N34 = N32*24*3600 м/сутки
Вывод: для рабочего тела следует выбирать вещество, скорость испарения которого в вакууме ниже 0.1 мм/сец.

В ролике Ростислав Пушкин рассказывает Максиму Калашникову (и нам :)) о своём изобретении, принципе работы, перспективах, а во второй половине показывает два двигателя в работе.

Двигатели Пушкина - это нечто среднее между реактивным двигателем и двигателем внутреннего сгорания, по крайней мере насколько это я понял. С одной стороны, он в большей степени устроен как реактивный. Но если в реактивном двигателе топливо подаётся постоянно, то в импульсном двигателе Пушкина камера наполняется горючей смесью, потом происходит взрыв, потом снова наполняется. Как камера сгорания в ДВС. Но в ДВС при взрыве горючей смеси полезно используется только та сила взрывной волны, что давит на днище поршня, остальная же, которая давит на стенки и верх цилиндра - не используется. Пушкин же, за счёт особой геометрии камеры сгорания, использует и эти силы, за счёт этого КПД у него получается выше. За счёт не постоянной, а импульсной подачи топлива в камеру сгорания двигатель экономичнее реактивного.

Пушкин Ростислав Михайлович
Кандидат технических наук,
старший научный сотрудник,
академик РАК им. Циолковского
действительный член Международной академии МАИСУ (С.-Пб)
доктор науки и техники

В 2005г. Высшей аттестационной комиссией Международного университета фундаментального образования, Оксфордского университета (Великобритания) и Национальной Академии Высшего образования (США) присвоена звание профессора.

В 2006г. комиссией Австралийско-Азиатского Института Гражданского Лидерства (Австралия) избран почетным членом и почетным профессором.

Как видите, признан и у нас, и за рубежом, в фильме рассказывает как США его переманивали и обещали и лабораторию, и финансирование, но он остался. К сожелению, ублюдки у власти не финсируют его разработки (это ж не Петрик и Чубайс), он всё делает на свои сбережения.

Но в ДВС при взрыве горючей смеси полезно используется только та сила взрывной волны, что давит на днище поршня, остальная же, которая давит на стенки и верх цилиндра - не используется. Пушкин же, за счёт особой геометрии камеры сгорания, использует и эти силы

Основной закон гидростатики(закон Паскаля):

Давление, оказываемое на жидкость(или газ) в каком-либо одном месте на ее границе, передается без изменения во все точки жидкости(или газа).

вообще уже успешно роют технологии просто плазменного двигателя с магнитной камерой сгорания. Покрайней мере я читал обзорную статью о таком. Ведет проект тоже наш земеля, токо ессо в штатах.

Посмотри ролик, там лучше этот момент объяснён. Возможно, я не так выразился просто или не правильно сформулировал.

вообще уже успешно роют технологии просто плазменного двигателя с магнитной камерой сгорания. Покрайней мере я читал обзорную статью о таком. Ведет проект тоже наш земеля, токо ессо в штатах.

разработки мгд-генератороров были в ссср с 60гг. до т.н. перестройки - затем всё это было свёрнуто(((

"По сути, это первая ракета, работающая на азоте - самом распространенном газе в земной атмосфере. За счет смены топлива стоимость запуска может быть снижена почти в 10 раз", - говорит изобретатель. Он руководит Отделением аэронавтики и астронавтики в Массачусетском Институте Технологий.

Нынешние двигатели ракет применяются уже не одно десятилетие, и в их основе лежит химическое топливо. Чтобы поднять на орбиту средних размеров спутник требуется очень большие объемы топлива, поэтому финансовые вопросы при космических стартах очень остры. Исследователи уже не один год работают над более экономичными видами ракет и их двигателей.
Новый двигатель имеет три основных компонента: кварцевую трубку, обмотанную магнитами со всех сторон, газ который туда нагнетается и система преобразования газа в горячую плазму. В итоге, в качестве выхлопа у данного двигателя может быть либо газовая плазма, либо электрически заряженный газ.

По словам Олега Батищева, реактивная сила у нового двигателя в несколько раз выше аналогичного показателя химических двигателей, так как газ покидает двигатель со значительно более высокой скоростью.
НАСА считает, что именно за плазменными двигателями будущее не только околоземных полетов, но и полетов межпланетных. Плазменные двигатели компактны, их главное преимущество кроется в экономичном расходе газа.

Ионный двигатель на азоте

Космические аппараты уже давно оснащают ионными силовыми установками. В России их выпускают в Калининграде. Эта разновидность электрореактивного двигателя вообще не потребляет химического горючего, поскольку обеспечивается энергией от солнечных батарей. Однако в своем нынешнем виде такие двигатели развивают очень слабую тягу: всего несколько граммов. Поэтому их применяют либо для корректировки спутниковых орбит, либо для медленного, но длительного ускорения аппаратов непосредственно в космическом пространстве:

Устройство обычного ионного двигателя

- Олег, чем Ваш двигатель отличается от предшественников?

- Начнем с того, что он будет гораздо дешевле в эксплуатации. Нынешние электрореактивные двигатели в качестве рабочего тела используют ксенон, а это очень дорогой газ. Наш мотор прекрасно действует на азоте или аргоне, которые практически ничего не стоят. Баллон со сжатым азотом обходится где-то в 7-9 долларов, а маленькая бутылочка ксенона тянет на тысячу. Кроме того, этот двигатель конструктивно прост и рассчитан на куда более продолжительную работу в космическом пространстве. Наконец, его тяговый ресурс можно многократно наращивать без особого увеличения размеров. Расчеты показывают, что при мощности порядка тысячи киловатт диаметр двигателя составит около 30 сантиметров. Обычный плазменный мотор в таком случае был бы раз в десять больше.

- А как он устроен и действует?

- Газ поступает в кварцевую цилиндрическую камеру. На нее навита металлическая обмотка, создающая внутри камеры сильное магнитное поле. Рядом расположена антенна специальной конструкции, которая служит источником коротковолнового радиоизлучения. Оно создает в газе электрический пробой, который приводит к рождению ионно-электронной плазмы. Внешнее магнитное поле рассчитано таким образом, что оно сильно разгоняет плазменные потоки и направляет их к выходу из камеры. Благодаря этому и возникает реактивная тяга. Этой тягой можно управлять, меняя темпы подачи газа и поступления электромагнитной энергии. Скорость вылетающих ионов очень высока, она раз в 10 больше скорости выхода рабочего тела из ракетных двигателей на химическом топливе. Поэтому наш двигатель, как и другие плазменные моторы, очень экономно расходует запасы газа.

- В каких космических полетах можно использовать такие энергетические установки?

- В принципе, в любых. Но мы ориентируемся на его применение для корректировки спутниковых орбит и разгона в космосе лунных кораблей следующих поколений. Однако пока это дело будущего. Сейчас нам предстоит исследовать работу двигателя на разных режимах и лучше понять физические процессы, которые имеют место внутри камеры с плазмой. Возможно, попробуем менять геометрию самой камеры, ее ведь не обязательно делать цилиндрической. Нужно также обеспечить быстрый отвод тепла от мотора, а то он, чего доброго, и расплавится. Есть и другие инженерные и физические проблемы, которые требуют решения. В общем, дел еще много:

Экстремально сложная проблема создания космического аппарата, способного за разумное время (сравнимое с человеческой жизнью) преодолеть межзвездные расстояния, обусловлена парадигмой традиционной ракеты. Которая несет на борту запас топлива и, как следствие, расходует на его разгон почти всю извлекаемую из топлива энергию! Математическим выражением этого проклятия является т.н. формула Циолковского, вытекающая из закона сохранения импульса:

Надежды на солнечные паруса безнадежны, т.к. по мере удаления от Солнца их тяга стремится к нулю. При площади паруса в 1000 кв. км и фантастической массе аппарата с парусом в 1 тонну, через год будет пройдено 107.7 млрд. км, а скорость парусника достигнет 1714 км/сек. И это практический предел, поскольку даже через 700 лет полета, когда аппарат достигнет системы Альфа-Центавра, скорость не превысит 1715 км/сек. Полубезумные проекты парусов размером с Европу, которые приводятся в движение миллионами лазеров с Луны, наглядно демонстрируют бессилие идеи космического парусника. Хотя для полетов в Солнечной системе, не слишком далеко от Солнца, она имеет определенную перспективу.

Отлично для полетов в Солнечной системе, но не годится для путешествия в систему Альфа Центавра, которое продлилось бы около 29 000 лет ! Двухступенчатая схема даст вдвое большую скорость, но стартовая масса вырастет на порядок. Для нашего корабля с ЯРД и нетто-массой 100 т, который разогнался до скорости 200 км/сек, стартовая масса приблизилась бы к 50 миллиардам тонн ! Скорости км/сек отвечает не столь кошмарный, но тоже впечатляющий запас рабочего тела, который превышает 2 миллиона тонн .

Таким образом 100 км/сек — это трудно достижимый, практический предел для ракет с ЯРД , по мере приближения к которому начинается гигантомания. Из формулы Циолковского вытекает, на первый взгляд, простое решение проблемы. Нужно на порядки увеличить удельный импульс , и тогда не придется экспоненциально наращивать расход рабочего тела. Для этого принципиально не годится ЯРД — в связи с тем, что рабочее тело нагревается в ядерном реакторе. Необходимую скорость истечения струи может обеспечить т.н. плазменный двигатель. Данный термин можно отнести к большому семейству устройств, различным образом оперирующих с плазмой, включая ионные двигатели.

Классические плазма-моторы

Любой ракетный двигатель выбрасывает из сопла слабо ионизированную плазму, но плазменным, ионным, электрореактивным обычно называется лишь тот, который ускоряет плазму за счет электромагнитных сил, действующих на заряженные частицы. О днако сделать это очень сложно, поскольку любое электрическое поле, ускоряющее заряды в плазме, придаст равные по модулю суммарные импульсы ионам и электронам. В самом деле, изменение импульса заряда за время равно , где – сила, действующая на заряд (в поле с напряженностью ). Поскольку плазма в целом электрически нейтральна, сумма всех положительных зарядов равна по модулю сумме отрицательных . За бесконечно малое время вся масса положительных ионов получит импульс . Такой же по величине импульс, направленный в обратную сторону, получит вся масса отрицательных зарядов. Поэтому суммарный импульс равен нулю и, следовательно, тяги не возникнет.

Таким образом, для электрического разгона плазмы необходимо как-то разделить разноименные заряды, чтобы разогнать заряды одного знака, в то время как заряды другого знака выведены из зоны действия ускоряющего поля. Однако эффективно разделить заряды крайне сложно! Этому препятствуют мощные кулоновские силы притяжения, возникающие между разноименно заряженными сгустками плазмы и немедленно восстанавливающие электрическое равновесие. Применяемые в существующих плазменных двигателях методы разделения положительных ионов с электронами используют электростатическое или магнитное поле. В первом случае двигатель традиционно называется ионным, а во втором — плазменным .

Схема электростатического ионного двигателя .

1 — подвод рабочего тела; 2 — ионизатор; 3 — пучок ионов; 4 — фокусирующий электрод; 5 — ускоряющий электрод; 6 — блокирующий электрод; 7 — нейтрализатор; 8 — основной источник энергии; 9 — вспомогательный источник энергии.

В сравнительно узком интервале между сетчатыми анодом 4 и катодом 5 происходит разгон положительных ионов газа (ксенон, аргон, водород и т.д.), являющегося рабочим телом двигателя. При этом свободные электроны, образующиеся в процессе ионизации, притягиваются к аноду, после чего выводятся в истекающую наружу струю положительно заряженного газа, для его нейтрализации. Катод 6 блокирует притягивание к аноду электронов, покидающих нейтрализатор 7. Анодом является не только электрод 4, но и вся внешняя оболочка камеры, в которой происходит ионизация газа. Анод имеет наибольший потенциал ~1 000 В, в то время как потенциал катода 5 составляет ~100 В, а у катода 6 он еще ниже.

Скорость струи газа, ускорившейся в промежутке между сетками 4 и 5, может доходить до 200 км/cек. Однако тяга ионного двигателя ничтожно мала, в лучшем случая достигая ~ 0.1 ньютона. Это прямо связано с проблемой разделения ионов и электронов. Которая в этом, как и во всех других плазменных двигателях решается крайне неэффективно. Оптимистически предположим, что тягу ионного двигателя с удельным импульсом 200 км/cек удалось довести до 1 ньютона (100 грамм). Тогда корабль со стартовой массой около 15 000 тонн, из которых 14 900 т приходится на рабочее тело (газ), сумеет разогнаться до 1 000 км/сек (по формуле Циолковского .

Время разгона выражается формулой , где — полученный кораблем импульс и — сила тяги. В данном случае имеем = 100 000 кг ⋅ 1 000 000 м/сек / 1 Н = 100 млрд. секунд, что составляет примерно 3 200 лет ! И это — только нижняя оценка, а фактическое время разгона будет значительно больше вследствие того, что в числитель дроби нужно добавить также импульс, который получило рабочее тело до того, как прошло через двигатель и вылетело из сопла.

Мощность такого двигателя равна = 200 000 Ватт. Реально работающие образцы имеют на порядок меньше. Чтобы сократить время разгона до крейсерской скорости , т.е., увеличить тягу, следует повысить потребляемую электрическую мощность и, соответственно, габариты двигателя. Предположим, что таким образом мы увеличили тягу в 1 000 раз и сократили время разгона до разумных 3.2 года. Неплохо для скорости км/cек, хотя до Альфы Центавра пришлось бы лететь еще 1 300 лет. Однако потребляемая мощность составит сотни мегаватт, что соответствует мощности энергоблока средней АЭС. Это означает, что не существует разумных источников энергии для космических ионных двигателей с тягой хотя бы в десятки килограмм.

При массе корабля в 100 т потребуется миллион таких импульсов, чтобы увеличить его скорость всего на 100 км/cек. И то лишь при условии, что ядерные заряды не пришлось везти на борту и они были заблаговременно размещены в космосе на участке разгона. Но миллион ядерных бомб — это несколько тысяч тонн плутония, которого за весь период существования ядерного оружия было произведено немногим более 300 тонн. Таким образом, имея лишь плазменным мотор с магнитным разделением зарядов, о полете к звездам лучше забыть.

Что делать с плазмой ?

По-видимому, проблема эффективного разделения зарядов в плазменных двигателях принципиально неразрешима. Существуют передовые проекты плазменных двигателей с мощностью 5 МВт и удельным импульсом 1 000 км/cек, но их тяга была бы равна 5 000 000 Вт / 1 000 000 м/сек = 5 Н, поэтому проблема сокращения времени разгона остается непреодолимой. Не говоря уже о том, что в космосе трудно добыть мегаватты потребляемой электрической мощности.

Понимая эти проблемы, разработчики плазменных моторов ищут другие подходы. Заметный энтузиазм вызывает новый концепт VASIMR, который в лаборатории показывает лучшие среди плазменных движков результаты: удельный импульс 50 км/cек, тяга 6 ньютонов и КПД 60 — 70 % (тест VX-200). Строго говоря VASIMR даже не является плазменным двигателем, потому что он генерирует высокотемпературную плазму, которая разгоняется в сопле Лаваля — за счет газодинамических эффектов и без электричества.

Через трубку 1 под давлением подается газ, который сначала разогревается и слегка ионизируется микроволновым излучением от 3. Затем поток плазмы, изолированный от стенок магнитным полем катушек 4, дополнительно разогревается антенной 5, которая излучает радиоволны на циклотронной частоте (это частота винтового вращения электрона вокруг силовой линии продольного магнитного поля) . Такой резонансный нагрев повышает температуру плазмы до миллионов градусов, после чего она истекает в магнитное сопло Лаваля 6. Последнее предохраняет стенки от контакта с горячей плазмой и преобразовывает энергию теплового движения ионов в энергию поступательного движения газовой струи. В сущности VASIMR позволяет получить очень горячую, высоко ионизированную плазму посредством микроволнового нагрева. Ускорение плазмы происходит вполне аналогично тому, как ускоряется газовая струя на выходе из обычного ракетного двигателя. Сжиганием химического топлива такую температуру плазмы получить нельзя, но за счет ядерного взрыва это сделать можно . Результаты VASIMR демонстрируют некоторый прогресс, но они по-прежнему бесконечно далеки от потребностей межзвездных экспедиций и явно не имеют перспектив развития в этом направлении. Что касается удельного импульса, то VASIMR является шагом назад.

MPD — thruster не нуждается в разделении разноименных зарядов, потому что в разрядном токе они движутся во встречных направлениях и, соответственно, силы Лоренца имеют одинаковые направления. Теоретически этот концепт имеет выдающиеся показатели на фоне других плазменных моторов, потому что может развивать килограммы тяги. Однако магнитное поле в принципе не способно разгонять электрические заряды, потому что сила Лоренца действует перпендикулярно скорости заряда и, стало быть, не меняет его кинетическую энергию. MPD — thruster лишь отклоняет направление движения зарядов так, что плазма вылетает наружу в продольном направлении. Но для того, чтобы ток между анодом и катодом был достаточно плотным для создания тяги, придется затратить много электрической энергии. Во всяком случае, потребляемая электрическая мощность не уступает мощности плазменной струи. При удельном импульсе ~1 000 км/сек и тяге в 100 кг потребляемая мощность составит сотни мегаватт, что практически невозможно генерировать в космосе. Но даже при таких, возможных пока лишь теоретически показателях MPD — thruster-а, оснащенный им корабль с нетто-массой 100 т разгонится до 10 000 км/сек за 317 лет (!) при нереальной стартовой массе 2 200 000 тонн. Кроме того, невозможно вообразить себе расход миллионов тонн газа в двигателе, пропускающем через него мощные электрические разряды. Очевидно, что никакие электроды не выдержат таких тепловых и химических нагрузо к.

Принципиальная Схема MPD — thruster,

Таким образом ясно, что ни один из экспериментально проверенных или теоретически просчитанных плазменных двигателей не способен доставить космический корабль к ближайшим звездам хотя бы за время человеческой жизни. И этот разрыв, по-видимому, является фатально непреодолимым, так что плазменные двигатели звездолетов навсегда останутся в сфере научной фантастики. Однако плазменные моторы имеют важные применения в качестве маневровых, корректирующих орбиты и т.п. вспомогательных двигателей космических аппаратов, поэтому усилия по их разработке вполне оправданы. Что касается ядерных ракетных двигателей, то они также не годятся для межзвездных полетов, но прекрасно подходят для межпланетных путешествий в Солнечной системе. При этом ядерный импульсный двигатель, утилизирующий энергию ядерных взрывов, возможно имеет потенциал развития в контексте отправки автоматического зонда в одну из ближайших звездных систем.

Дополнение к статье, сделанное 5 января 2018

Если согласиться со временем ожидания прибытия зонда к Альфе-Центавра в 1 000 — 1 500 лет, то ионный двигатель может оказаться подходящим. Хотя такой проект технически крайне сложен, он выглядит осуществимым при сегодняшнем уровне науки и технологий.

Предположим, что удалось добиться тяги ионного двигателя в Н при удельном импульсе км/сек. Такой мотор был бы очень хорош! Их может быть и несколько, объединенных в двигательную установку с общей тягой 10 Н (1 кгс приблизительно).

Время разгона примем лет. Это — реалистичное время, в течение которого должна проработать энергосистема корабля в режиме полной тяги. Для сравнения, радиоизотопные термо-электрогенераторы Вояджеров работают на уже почти 40 лет и их мощность выше 70% от начальной. При этом период полураспада плутония-238 равен 87.7 года.

Однако, радиоизотопные источники не способны обеспечить нужную электрическую мощность (ниже мы увидим, что она имеет порядок 350 МВт). Для сравнения, на Вояджерах мощность энергоустановки около 500 Вт. Для выработки 350 МВт потребуются тысячи тонн плутония! И это — без общей массы огромного числа термопар. По-видимому, такой способ получения энергии нельзя считать реалистичным.

Тогда импульс струи, выбрасываемой из сопла за 1 сек, грубо оценим, как

где — конечный импульс зонда и — импульс 1 750 тонн рабочего тела при скорости 1 100 км/сек (так мы учитываем импульс рабочего тела, приобретаемый им до вылета из двигателя в виде плазмы).

Отсюда массовый расход рабочего тела (ионизированный неон) грамма/сек. Умножая это число на сек (= 1 век, считая все годы по 365 дней), получим 2 060 тонн, что несколько больше предполагаемых 1 750 тонн, поскольку оценка времени разгона была довольно грубой. Одновременно мы видим, что эта погрешность незначительна, поэтому реальное время разгона будет несущественно отличаться от 100 лет (может быть 110 или 90 лет, к примеру).

где — масса и — заряд протона. Поскольку для разгона ионов до 1 000 км/сек потребуется поле с напряжением килоВольт, мощность системы разгона плазменной струи MBт.

Здесь не учитываются тепловые потери в цепи ионного двигателя, по которой будет протекать ток в 3 килоАмпер, а также затраты энергии на ионизацию рабочего тела (хотя последние, наверное, будут сравнительно малы).

Таким образом, можно оценить снизу электрическую мощность энергоустановки в 350 МВт. Потребуется весьма мощный турбоагрегат, сравнимый с энергоблоком АЭС! Удастся ли поддерживать его непрерывную работу около века при массе зонда в 1 000 тонн? — это большой вопрос. Но выглядит все это, тем не менее, не фантастически.

Никакой возможности затормозить у такого зонда не будет. А без этого нет смысла ждать его прибытия 1 250 лет! Чтобы иметь возможность торможения для выхода на орбиту в системе Альфа-Центавра, нужно увеличить стартовую массу до порядка 10 000 тонн как минимум. Такой корабль с тягой ионных двигателей в несколько кгс должен быть собран на околоземной орбите и разогнан до скорости покидания Солнечной системы в направлении Альфа-Центавра ( км/сек) с помощью, например, ядерного импульсного двигателя типа Ориона.

Читайте также: