Plazemski motorji: miti in realnost

Zagotovo se bodo vsi strinjali, da prostor privlači. In že je raziskan! To je zelo počasi. Ker je zelo težko ustvariti vesoljsko plovilo, ki bi lahko hitro premagalo impresivne razdalje na stotisoče kilometrov.

Bistvo je v gorivu! Ni neskončno. Potrebujemo sodobne enote z drugačnim načelom delovanja in močnejše. Da, obstajajo jedrski raketni motorji (YARD). Toda njihova maksimalna meja je 100 km / s. Poleg tega se njihova delovna tekočina ogreva jedrski reaktor.

Toda plazemski motorji - možnost, ki si zasluži pozornost.

Kratek izlet v fiziko

Za začetek je treba omeniti, da je za vsak raketni motor značilno izmetavanje iz šobe šibko ionizirane plazme. Ne glede na vrsto. Toda "klasični", pravi plazemski motorji so tisti, ki pospešujejo plazmo zaradi elektromagnetnih sil, ki vplivajo na nabite delce.

Postopek je zapleten. Vsako električno polje, ki pospeši naboje v plazmi, daje elektroni in ioni enake skupne impulze. Vključitev v te podrobnosti je neobvezna. Dovolj je vedeti, da je impulz merilna vrednost. mehansko gibanje telo.

Ker je plazma električno nevtralna, je vsota vseh pozitivnih nabojev modulo vsota negativnih nabojev. Obstaja določeno obdobje - je neskončno majhno. V teh nekaj trenutkih dobijo vsi pozitivni ioni močan zagon. Enako velja v nasprotni smeri - proti negativu. Kakšen je rezultat? Skupni zagon je na koncu nič. Torej, ni vleke.

Tak sklep: za električno "pospeševanje" plazme je potrebno ločevanje nasprotnih nabojev. Pozitivni učinki se bodo pospešili, če bodo negativi izven območja. Težko je, ker Coulomb težnost obnovi električno ravnovesje, ki nastane med plazma nasprotno nabitimi strdki.

In kako vam je uspelo udejanjiti to načelo delovanja v plazemskem raketnem motorju? Zaradi magnetnih in elektrostatičnih polj. Le tu se v drugem primeru enota tradicionalno imenuje ionska, v prvem pa se imenuje plazma.

Koncept iz 60. let

Pred petdesetimi leti je sovjetski fizik Aleksej Ivanovič Morozov predlagal koncept plazemskega raketnega motorja. Uspešno je bil preizkušen v 70. letih.

Uporabila je radialno magnetno polje za ločevanje zloglasnih nabojev. Izkazalo se je, da elektroni, ki se podrejajo vplivu Lorentzeve sile, naj bi se spiralno spirali na linije magnetnega polja, ki jih "potegnejo" iz plazme.

Kaj se zgodi, ko se to zgodi? Vztrajnost masivnih ionov poteka skozi magnetno polje, ki pospešuje v vzdolžni smeri električnega polja.

Da, ta shema ima prednosti pred tistim, ki se izvaja v letu plazemski motorji, vendar obstaja minus. Ne omogoča večjega potiska, kar se odraža v hitrosti.

Je pot do zvezd resnična?

Veliko upanja je bilo nameščenih na raketnih motorjih s plazmo. Ne glede na to, kako se zdi, da so inovativni, ne morejo zagotoviti letov v oddaljena nebesna telesa v okviru enega samega človeškega življenja.

Da bi za to napravo dali dovolj vlečnega impulza (to je vsaj 10.000.000 m / s), je treba v tem trenutku ustvariti magnetno polje 10.000 Tesla nerealno. To je mogoče samo s pomočjo eksplozivnih magnetnih generatorjev A.D. Saharov in druge sodobne naprave, ki delujejo po istem načelu.

Toda spet taka močna polja obstajajo za katastrofalno majhen časovni interval, merjen v mikrosekundah. Da bi dosegli boljši rezultat, bi morali zavreči energijo jedrske eksplozije s silo 10 kt. Skratka, posledice takšnega "fenomena" so izražene v oblaku s premerom 4 km in višino 2 km. "Goba" doseže do 7 km.

Torej, z maso ladje 100 ton, bi bilo potrebno milijon takšnih impulzov. In to je samo za povečanje hitrosti pri 100 kilometrih na sekundo! Poleg tega le pod pogojem, da obtožbe ne bi bilo treba sprejeti na krov. Verjetno bi jih lahko postavili v vesolje na mestu pospeševanja.

Toda cel milijon jedrskih bomb? Nestvarno To je na tisoče ton plutonija! In ves čas obstoja jedrskega orožja je bilo proizvedenih nekaj več kot 300 ton. Tako raketni motor plazme z načelom delovanja, ki temelji na ločevanju magnetnega naboja, ne bo zagotovil poti do oddaljenih zvezd.

Hallov motor

To je varianta plazemske enote, za katero ne obstajajo omejitve, ki jih povzroča prostorski naboj. Njihova odsotnost zagotavlja večjo gostoto vleke. To pomeni, da lahko Hallov plazemski motor večkrat poveča hitrost vesoljskega plovila, če primerjamo na primer enoto enake velikosti.

V središču aparata je učinek, ki ga je leta 1879 odkril ameriški fizik Edwin Hall. Pokazal je, kako se električni tok generira v prevodniku z medsebojno pravokotnim magnetnim in električnim poljem. In v smeri, da sta oba pravokotna.

Preprosto povedano, v enoti Hall je plazma nastala z nabojem med anodo (+) in katodo (-). Dejanje je preprosto - odvajanje loči elektrone od nevtralnih atomov.

Treba je opozoriti, da je okoli 200 satelitov s Hallovimi plazemskimi motorji koncentrirano v orbiti blizu Zemlje. Za vesoljska plovila je dovolj moči. Mimogrede, prav takšno enoto je uporabila Evropska vesoljska agencija, da bi ekonomsko razpršila SMART-1 - svojo prvo avtomatsko postajo za raziskovanje Lune.

AIPD

Zdaj lahko govorimo o ablativnem impulznem pulziranju (AIPD). Primerni so za uporabo v majhnih vesoljskih plovilih, ki imajo dobro paleto funkcionalnosti. Za njegovo širitev je preprosto potrebno imeti zelo učinkovito majhno enoto, ki je sposobna popraviti in vzdrževati orbito. AIPD je obetavna naprava s številnimi prednostmi, ki vključujejo:

• Stalna pripravljenost za delo.
• Impresiven vir.
• Najmanjša vztrajnost.
• Sposobnost natančnega odmerjanja impulza.
• Brez impulznega učinka.
• Odvisnost potiska od porabe energije.

Ta vrsta pulzirajočih plazemskih potisnikov je bila podrobno proučena. Raziskovalci so se seveda soočali s težavami. Še posebej - z vzdrževanjem dolgotrajnega delovanja enote, ki je ovira za karburacijo površine.

Tudi v okviru ene od študij, ki so bile posvečene študiji AIPD-IT, je bilo ugotovljeno, da ima ta enota glavni odvod na izhodu iz kanala. In to je značilnost za motorje z veliko bolj impresivno energijo.

Primer namestitve AIPD je satelitski opazovalec Zemlje 1. Ampak ne more trditi, da ima motor popravka ICA, ker porabi preveč energije (60 W). Poleg tega ima nizek skupni zagon.

Stacionarni motor

Tudi o tem izumu bi morali povedati nekaj besed. Stacionarni plazemski motor ima posebno funkcijo v obliki nizke moči in kompaktnosti.

Lahko se uporablja v vesoljski tehnologiji kot izvršilni organ elektroinstalacije. Ali v okviru znanstvenih raziskav. S pomočjo tega izuma je povsem realno modelirati usmerjene plazemske tokove.

Pravzaprav je tak plazemski motor magnetron, ki se pogosto uporablja v industriji. To je tehnološka naprava, s pomočjo katere se na substrat nanesejo tanke plasti materiala s katodno razpršitvijo tarče v plazmi. Vendar te naprave ne smete zamenjati z vakuumskimi magnetroni. Opravljajo popolnoma drugačno funkcijo - generiranje mikrovalovnih nihanj.

Od leta 1995 so stacionarni plazemski motorji vključeni v korekcijske sisteme vrste povezane geostacionarne KA. Nato, od leta 2003, so se te naprave začele uporabljati v tujih geostacionarnih satelitih. Do začetka leta 2012 je bilo na vozila, ki so šla v vesolje, že nameščenih 352 motorjev.

MPD-propeler

To je še en koncept plazemskega agregata. Z njo so povezani številni upi za vesoljsko tehnologijo.

Kakšna je ideja? Med katodo in anodo nastane plazemski naboj, ki prispeva k indukciji magnetnega polja. Lorentzova sila prične delovati, s pomočjo katere polje deluje na gibajoče se naboje toka, zaradi česar se določen del njih odkloni v vzdolžni smeri. Posledično nastane plazemski strdek, ki poteče "v desno". On je tisti, ki oblikuje potisk.

Ta motor opravlja delo v impulznem načinu, saj so potrebne kratke premore med izpusti - tako se nabira naboj na elektrodah.

Kaj je obetavno MPD-Thruster? Deluje brez ločevanja nasprotnih stroškov. Ker se gibljejo v polnilni tok, je res obratno. To pomeni, da imajo Lorentzove sile enako smer.

Teoretično je ta koncept izjemno uspešen. Lahko razvije impresivno oprijem. Vendar pa obstajajo tudi nianse. »Pospeševanje« električnih nabojev ni podvrženo magnetnemu polju. Vse zaradi dejstva, da Lorentzova sila deluje, pravokotno na njihovo hitrost. To pomeni, da ne spreminja kinetičnih parametrov. MPD-Thruster le malo spremeni smer, v kateri sledijo naboji - da bi plazma odletela vzdolžno.

Idealno bi bilo, da je tok med katodo in anodo večkrat gostejši. To je potrebno za ustvarjanje oprijema. In zahteva veliko električne energije. Kar pa ni slabše od moči plazemskega curka.

Če je specifični impulz 1000 kilometrov na sekundo in je potisk 100 kg, se za porabo porabi na stotine megavatov. Ki ustvarjajo v prostoru je skoraj nemogoče. Tudi ob predpostavki takšne verjetnosti se bo ladja z MPD-propelerjem, ki ima neto maso 100 ton, pospešila do oznake 10.000 km / s. v samo 317 letih! In to je na pretirano astronomski začetni teži 2,2 milijona ton.

S takimi kazalniki je celo nemogoče zamisliti pretok plina v enoti, ki prenaša elektronske naboje. Za razumevanje ni treba izvesti nobenih izračunov - nobene elektrode ne morejo vzdržati tako pomembnih kemičnih in toplotnih obremenitev.

Quantum EmDrive Aparat

To je izum Rogerja Schoerja iz Britanije, nad katerim se je vsa mednarodna znanstvena skupnost skoraj odkrito smejala. Zakaj? Ker je bil njegov kvantni vakuumski plazemski motor nemogoč. Njegovo načelo je v nasprotju z zakoni, ki so temelj fizike!

Ampak, kot se je izkazalo, ta plazma vesoljski motor deluje in zelo uspešno! To dejstvo je bilo pojasnjeno med testi NASA.

Enota je preprosta. Vleka nastane z mikrovalovnimi nihanji okoli vakuumske posode. Električna energija, potrebna za njihovo proizvodnjo, se izloči iz sončne svetlobe. Preprosto povedano - motor ne zahteva uporabe goriva in je sposoben delati, če ne večno, potem pa vsaj do trenutka okvare.

Preizkuševalci so bili šokirani. Motor so testirali znanstvenik Guido Fett in ekipa iz NASA Eagleworks, ki jo je vodil Harold White - strokovnjaki iz vesoljskega centra. Lyndon Johnson. Po podrobni študiji izuma je bil objavljen članek, v katerem so preizkuševalci zagotovili bralcem, da naprava deluje in uspešno ustvarja apetit, čeprav je to nerazložljivo protislovje z zakonom o ohranjanju zagona.

In vendar so znanstveniki dejali, da ta enota vključuje interakcijo s tako imenovanim kvantnim vakuumom virtualne plazme.

Problem učinkovitega ločevanja dajatev

Mnogi fiziki pesimistično trdijo, da je nerešljiva. Obstajajo napredni projekti, v katerih se razvijajo inovativne plazemske enote z zmogljivostjo 5 MW in impulz 1000 km / s, vendar je njihov potisk še vedno premajhen, da bi premagal velike razdalje.

Razvijalci razumejo ta problem in iščejo druge pristope. Eden najbolj obetavnih projektov v našem času je VASIMR. Njen specifični impulz je 50 km / s. In potisk je 6 newtonov. To je samo VASIMR dejansko ni plazma enota. Ker proizvaja visoko temperaturno plazmo. V šobi Laval je potrebno pospeševanje - brez uporabe električne energije, le zaradi plinsko-dinamičnih učinkov. Plazma se pospeši na enak način, kot plinski curek pobere hitrost na izhodu iz običajnega raketnega sklopa.

Zaključek

Na koncu bi rad povedal, da noben plazemski motor za vesoljsko plovilo iz obstoječega v našem času ne more dostaviti rakete celo najbližjim zvezdam. To velja tako za eksperimentalno testirane naprave kot tudi za teoretično izračunane.

Mnogi znanstveniki so prišli do pesimističnega zaključka - vrzel med našim planetom in zvezdami je smrtno nepremagljiva. Že pred sistemom Alpha Centauri, katerega deli so vidni s prostim očesom od Zemlje, je razdalja 39,9 bilijona kilometrov. Tudi na vesoljskem plovilu, ki lahko potuje hitrost svetlobe premagovanje te razdalje bi bilo približno 4,2-4,3 leta.

Tako so plazemske enote zvezdnih ladij prej s področja znanstvene fantastike. Toda to ne zmanjšuje njihovega pomena! Uporabljajo se kot ranžirne, pomožne in korektivne orbite motorjev. Zato je izum popolnoma upravičen.

Vendar jedrska impulzna enota, ki izkorišča energijo eksplozij, ima potencialni razvojni potencial. V vsakem primeru, vsaj v teoriji, je možno poslati avtomatsko sondo v najbližji zvezdni sistem.