Межзвёздный шлюп типа «панворкка-116»

История

Электрореактивный двигатель в Политехническом музее, Москва. Создан в 1971 году в институте атомной энергии им. И. В. Курчатова

В 1964 году в системе ориентации советских КА «Зонд-2» в течение 70 минут функционировали 6 эрозионных импульсных РД, работавших на фторопласте; получаемые плазменные сгустки имели температуру ~ 30 000 К и истекали со скоростью до 16 км/с (конденсаторная батарея имела ёмкость 100 мкФ, рабочее напряжение составляло ~ 1 кВ). В США подобные испытания проводились в 1968 году на КА «ЛЭС-6». В 1961 году пинчевый импульсный РД американской фирмы «Рипаблик авиэйшен» (англ. Republic Aviation) развил на стенде тягу 45 мН при скорости истечения 10—70 км/с.

1 октября 1966 года трёхступенчатой геофизической ракетой 1Я2ТА была запущена на высоту 400 км автоматическая ионосферная лаборатория «Янтарь-1» для исследования взаимодействия реактивной струи электрического ракетного двигателя (ЭРД), работавшего на аргоне, с ионосферной плазмой. Экспериментальный плазменно-ионный ЭРД был впервые включён на высоте 160 км, и в течение дальнейшего полёта было проведено 11 циклов его работы. Была достигнута скорость истечения реактивной струи около 40 км/с. Лаборатория «Янтарь» достигла заданной высоты полёта 400 км, полёт продолжался 10 минут, ЭРД работал устойчиво и развил проектную тягу в пять граммов силы. О достижении советской науки научная общественность узнала из сообщения ТАСС.

Во второй серии экспериментов использовали азот. Скорость истечения была доведена до 120 км/с. В —1971 годах запущено четыре подобных аппарата (по другим данным, до 1970 года и шесть аппаратов).

Осенью 1970 года успешно выдержал испытания в реальном полёте прямоточный воздушный ЭРД. В октябре 1970 года на XXI конгрессе Международной астрономической федерации советские учёные — профессор Г. Гродзовский, кандидаты технических наук Ю. Данилов и Н. Кравцов, кандидаты физико-математических наук М. Маров и В. Никитин, доктор технических наук В. Уткин — доложили об испытаниях воздушной двигательной установки. Зарегистрированная скорость реактивной струи достигла 140 км/с.

В 1971 году в системе коррекции советского метеорологического спутника «Метеор» работали два стационарных плазменных двигателя разработки Института атомной энергии им. И. В. Курчатова и ОКБ Факел, каждый из которых при мощности электропитания ~ 0,4 кВт развивал тягу 18—23 мН и скорость истечения свыше 8 км/с. РД имели размер 108×114×190 мм, массу 32,5 кг и запас РТ (сжатый ксенон) 2,4 кг. Во время одного из включений один из двигателей проработал непрерывно 140 ч. Эта электрореактивная двигательная установка изображена на рисунке.

Также электроракетные двигатели используются в миссии Dawn. Планируется использование в проекте BepiColombo.

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.

Принцип действия

Испытания ионного двигателя на ксеноне

Принцип работы двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. При этом, благодаря высокому отношению заряда к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей (вплоть до 210 км/с, по сравнению с 3—4,5 км/с у химических ракетных двигателей). Таким образом, в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса. Это позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа по сравнению с расходом реактивной массы в химических ракетах, но требует больших затрат энергии.
Технические характеристики ионного двигателя: потребляемая мощность 1—7 кВт, скорость истечения ионов 20—50 км/с, тяга 20—250 мН, КПД 60—80 %, время непрерывной работы более трёх лет.
В существующих реализациях ионного двигателя в качестве источника энергии, необходимой для ионизации топлива, используются солнечные батареи.

Рабочим телом, как правило, является ионизированный инертный газ (аргон, ксенон и т. п.), но иногда и ртуть.
В ионизатор подаётся топливо, которое само по себе нейтрально, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом, в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны. Положительные ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из двух или трёх сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 Вольт на внутренней против -225 Вольт на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона. Электроны, пойманные в катодную трубку, выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается, во-первых, для того, чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным, а во-вторых, чтобы ионы, «нейтрализованные» таким образом, не притягивались обратно к кораблю.

Недостаток двигателя в его нынешних реализациях — очень слабая тяга (порядка 50—100 миллиньютонов). Таким образом, нет возможности использовать ионный двигатель для старта с планеты, но, с другой стороны, в условиях невесомости, при достаточно долгой работе двигателя, есть возможность разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих видов двигателей.

Миссии

Действующие миссии

• Starlink — проект компании Илона Маска SpaceX по выведению спутников на околоземную орбиту для создания глобальной сети интернет. Технология используется для маневрирования спутников и избежания их столкновения с космическим мусором[источник не указан 414 дней].
• Artemis
• Хаябуса-2
• BepiColombo. Запущен 20 октября 2018 года. ЕКА использует ионный двигатель в этой меркурианской миссии, наряду с гравитационными манёврами и химическим двигателем для перехода на орбиту вокруг Меркурия в качестве искусственного спутника. На аппарате работают самые мощные на сегодняшний день 4 ионных двигателя суммарной тягой 290 мН.

Завершённые миссии

• SERT (англ. Space Electric Rocket Test, рус. Тест Космического Электрического Двигателя — программа NASA, в которой на спутниках впервые был использован ионный двигатель)
• Deep Space 1
• Hayabusa (вернулся на Землю 13 июня 2010 года)
• Smart 1 (завершил миссию 3 сентября 2006 года, после чего был сведён с орбиты)
• GOCE (после исчерпания запасов рабочего тела сошёл с орбиты)
• LISA Pathfinder (ЕКА) использовал ионные двигатели в качестве вспомогательных для точного контроля высоты; деактивирован 30 июня 2017.
• Dawn. 1 ноября 2018 года аппарат исчерпал все запасы топлива для маневрирования и ориентации, его миссия, длившаяся 11 лет, была официально завершена.

Планируемые миссии

• Международная космическая станция. По состоянию на март 2011 года планировалась доставка на МКС электромагнитного двигателя (VASIMR) Ad Astra VF-200 с мощностью в 200 кВт VASIMR. VF-200 представляет собой версию VX-200. Поскольку доступная электрическая мощность на МКС меньше 200 кВт, проект ISS VASIMR включал в себя систему батарей, которая накапливала энергию для 15 минут работы двигателя.
• Solar Orbiter.

Нереализованные миссии

Компьютерная модель Прометея-1

NASA ввело проект «Прометей», для которого разрабатывался мощный ионный двигатель, питающийся электричеством от бортового ядерного реактора. Предполагалось, что такие двигатели в количестве восьми штук могли бы разогнать аппарат до 90 км/с. Первый аппарат этого проекта Jupiter Icy Moons Explorer планировалось отправить к Юпитеру в 2017 году, однако разработка этого аппарата была приостановлена в 2005 году из-за технических сложностей. В 2005 году программа была закрыта. В настоящее время идёт поиск более простого проекта АМС для первого испытания по программе «Прометей».

Проект Джефри Лэндиса

Geoffrey A. Landisru_en предложил проект межзвёздного зонда с ионным двигателем, получающим энергию через лазер от базовой станции, что даёт некоторое преимущество по сравнению с чисто космическим парусом. В настоящее время данный проект неосуществим из-за технических ограничений — например, он потребует силы тяги от ионных двигателей в 1570 Н при нынешних 20—250 мН(по другим данным рекорд тяги у современных ионных двигателей 5,4 Н).

Свойства

В простейшем рассмотрении эффект Холла выглядит следующим образом. Пусть через проводящий брусок в слабом магнитном поле с индукцией B{\displaystyle B} течёт электрический ток с плотностью j{\displaystyle j} под действием напряжённости E{\displaystyle E}. Магнитное поле будет отклонять носители заряда к одной из граней бруса от их движения вдоль или против электрического поля. При этом критерием малости будет служить условие, что при этом носители заряда не начнут двигаться по циклоиде.

Таким образом, сила Лоренца приведёт к накоплению отрицательного заряда возле одной грани бруска, и положительного — возле противоположной. Накопление заряда будет продолжаться до тех пор, пока возникшее электрическое поле зарядов E1{\displaystyle E_{1}} не скомпенсирует силу Лоренца:

eE1=evB⇒E1=vB.{\displaystyle eE_{1}=evB\Rightarrow E_{1}=vB.}

где e{\displaystyle e} — электрический заряд электрона.

Скорость электронов v{\displaystyle v} можно выразить через плотность тока j{\displaystyle j}:

j=nev⇒v=jne,{\displaystyle j=nev\Rightarrow v={\frac {j}{ne}},}

где n{\displaystyle n} — концентрация носителей заряда. Тогда

E1=1nejB.{\displaystyle E_{1}={\frac {1}{ne}}jB.}

Коэффициент RH=1ne{\displaystyle R_{H}={\frac {1}{ne}}} пропорциональности между E1{\displaystyle E_{1}} и jB{\displaystyle jB} называется коэффициентом (или константой) Холла. В таком приближении знак постоянной Холла зависит от знака носителей заряда, что позволяет определить знак их заряда для большого числа металлов и полупроводников.

Несмотря на то, что носителями заряда в металлах являются электроны, имеющие отрицательный заряд, для некоторых металлов — например, таких, как свинец, цинк, железо, кобальт, вольфрам в достаточно сильном магнитном поле наблюдается положительный знак константы Холла RH{\displaystyle R_{H}}, что объясняется в полуклассической и квантовой теориях твёрдого тела.

Комментарий разработчика

Применение технологии долгого вывода при помощи СПД имеет массу своих тонкостей. К тому же, изначально схема вывода российских аппаратов отличается от схемы вывода иностранных. Российские спутники не оборудованы апогейным двигателем, и выводятся на ГСО непосредственно разгонным блоком. С «Экспресс-АМ5» и «Экспресс-АМ6» пришлось импровизировать, хотя, разумеется, импровизация была тщательно просчитана.

Николай Алексеевич Тестоедов пояснил «Теле-Спутнику», ОАО ИСС давно использует стационарно-плазменные двигатели СПД разработки ОКБ «Факел» для коррекции положения спутника по наклонению. СПД-100 изначально не предназначены для довыведения, но такая необходимость возникла, и двигатели успешно вывели «Экспресс-АМ5» и «Экспресс-АМ6» на ГСО.

Сначала ракета выводит спутник на опорную орбиту (около 200 км), здесь нет никаких отличий в схемах вывода российских и иностранных аппаратов. С опорной орбиты иностранный спутник выводится разгонным блоком (то есть самой последней — третьей или четвертой — ступенью) на геопереходную, а затем апогейный двигатель переводит его на геостационарную, что занимает примерно сутки

В российской схеме вывода на ГСО использование апогейного двигателя не предусмотрено: разгонный блок, установленный на ракете (неважно — «Союз» или «Протон») сразу выводит спутник на ГСО. Это называется прямое выведение

Так выводились все «Экспрессы» до АМ5 и АМ6 — мощности «Протона» для прямого выведения этих аппаратов не хватало. И тогда, как рассказывает Николай Тестоедов, и пришлось пойти на некую импровизацию (хотя теоретически эта схема прорабатывалась ранее): «дотащить» спутник на ГСО теми СПД, которые изначально предназначены для ежесуточной коррекции положения аппарата. Схема была успешно реализована, оба спутника безо всяких замечаний работают в составе группировки оператора.

Иностранные разработчики в свою очередь реализовали идею перехода с ГПО на ГСО при помощи ЭРД. Занимает это уже не сутки, а несколько месяцев. И вся разница, утверждает Николай Тестоедов в том, что «Экспрессы» довыводились из того положения, куда смог их вывести «Протон», а Eutelsat 172B — с геопереходной орбиты.

Любой спутник, и особенно любая новая технология так или иначе отражается на бизнесе, и в первую очередь на страховке. Николай Тестоедов рассказал, что довывведение на электрореактивных двигателях сейчас квалифицировано во всем мире, и поэтому на страховке не отражается. Доказательством оценки качества технологий, применяемых ОАО ИСС, в том числе и технологии довыведения, является то, что сегодня все КА производства этого предприятия застрахованы без ограничений. Тестоедов упомянул даже, что последнее собрание андеррайтеров в Лондоне прошло скучно: все работает, замечаний нет, говорить, в общем-то, не о чем. Ситуация по сравнению с прошлым годом, когда страхование «Экспрессов» было под угрозой, изменилась кардинально.

При этом, замечает эксперт, ничего не дается даром. И оба варианта — что российский полного довыведения, что иностранный довыведения с ГПО — это размен лучшей конфигурации полезной нагрузки (и, соответственно, ее больший вес) на большее время довыведения. Оператор имеет более эффективную полезную нагрузку, но не может осуществлять бизнес в те несколько месяцев, пока СПД выводят спутник на ГСО. Сейчас в ОАО ИСС проектируется специальная система довыведения на базе более мощных СПД-140, что позволит сократить время вывода на ГСО.

Игровая база данных

База данных КПК

Двигатель из бутылки

Мини-геликонный двигатель столь прост по своей конструкции, что это навело Олега на мысль о популярной демонстрации: «Мы работали с мощными постоянными магнитами, и один из студентов не удержал их при изменении конструкции стенда — магниты устремились навстречу друг другу, столкнулись и раскололись на куски. А пока мы ждали новые, мне пришла в голову идея сделать двигатель из подручных средств, чтобы показать, насколько он прост. Я решил использовать в качестве камеры стеклянную бутылку из-под кока-колы, а геликонную антенну вырезать из жестяной банки».

Демонстрация плазменного двигателя из бутылки и банки принесла группе Батищева широкую известность и буквально мировую славу: телеканалы охотно транслировали эффектную запись эксперимента, где за кадром голос одного из студентов зачитывает показания амперметра, в бутылке загорается свечение, и струя плазмы вырывается из отпиленного донышка (разумеется, эксперимент проходит в вакуумной камере).

Чтобы убедиться, что мини-геликон представляет собой не просто источник плазмы, а именно двигатель, исследователи измерили характеристики полученной плазмы. Энергию ионов измеряли двумя методами — спектрометрическим, за счет измерения доплеровского сдвига спектральной линии, и с помощью энергетического анализатора с замедляющим потенциалом. Скорость ионов составила от 10 до 40 км/с. Причем ее можно варьировать за счет изменения расхода газа и подаваемой мощности, изменяя тем самым удельный импульс. Но самым простым и эффектным способом демонстрации наличия тяги оказалось, по словам Олега, очень простое решение: «Мы просто подвесили наш прототип на двух лесках к потолку вакуумной камеры на магнитах и измерили отклонение трубочки при холодной продувке (подаче газа) и при истечении струи плазмы. Разницу было видно невооруженным глазом!»

История

Впервые ионный двигатель появился в фантастике в 1910 году — в романе Дональда В. Хорнера «Аэроплан к солнцу: приключения авиатора и его друзей». Ионный двигатель широко представлен в фантастической литературе, компьютерных играх и кинематографе (так в «Звёздных войнах» экономичный ионный двигатель развивает скорость до трети световой и используется для перемещения в обычном пространстве на небольшие по космическим меркам расстояния — например в пределах планетарной системы), но для практической космонавтики стал доступен только во второй половине XX века. Реальный ионный двигатель по своим техническим характеристикам (и в первую очередь по силе тяги) значительно уступает своим литературным прообразам (так Эдгард Чуэйри образно сравнивает ионный двигатель с автомобилем, которому нужно двое суток для разгона с 0 до 100 км/ч).

Ионный двигатель является первым хорошо отработанным на практике типом электрического ракетного двигателя. Концепция ионного двигателя была выдвинута в 1917 году Робертом Годдардом, а в 1954 году Эрнст Штулингерru_en детально описал эту технологию, сопроводив её необходимыми вычислениями.

В 1955 году Алексей Иванович Морозов написал, а в 1957 году опубликовал в ЖЭТФ статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». Это дало толчок к исследованиям, и уже в 1964 году на советском аппарате «Зонд-2» первым таким устройством, выведенным в космос, стал плазменно-эрозионный двигатель конструкции А. М. Андрианова. Он работал в качестве двигателя ориентации с питанием от солнечных батарей.

Первый американский функционирующий ионный электростатический двигатель (создан в США в НАСА John H. Glenn Research Center at Lewis Field) был построен под руководством Гарольда Кауфманаru_en в 1959 году.
В 1964 году прошла первая успешная демонстрация ионного двигателя в суборбитальном полёте (SERT I). Двигатель успешно работал в течение запланированной 31 минуты.
В 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II). Малая тяга и низкий КПД надолго отвадили американских конструкторов от применения электрических и ионных двигателей.

Тем временем в Советском Союзе продолжалась разработка и улучшались характеристики. Были разработаны и применялись различные типы ионных двигателей на различных типах космических аппаратов. Двигатели СПД-25 тягой 25 миллиньютон, СПД-100, и другие серийно устанавливались на советские спутники с 1982 года.

В качестве основного (маршевого) двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1 (первый запуск двигателя — 10 ноября г.). Следующими аппаратами стали европейский лунный зонд Смарт-1, запущенный 28 сентября 2003 года, и японский аппарат Хаябуса, запущенный к астероиду Итокава в мае 2003 года.

Следующим аппаратом НАСА, обладающим маршевыми ионными двигателями, стала (после ряда замораживаний и возобновления работ) АМС Dawn, которая стартовала 27 сентября 2007 года. Dawn предназначен для изучения Весты и Цереры и несёт три двигателя NSTAR, успешно испытанных на Deep Space 1.

Европейское Космическое Агентство установило ионный двигатель на борту спутника GOCE, запущенного 17 марта 2009 года на сверхнизкую околоземную орбиту высотой около 260 км. Ионный двигатель создаёт в постоянном режиме импульс, компенсирующий атмосферное трение и другие негравитационные воздействия на спутник.