Кіріспе

Электрлік қозғалтқышының түрі

Плазмалық қозғалтқыш – квази бейтарап плазмадан итермелі күш жасайтын электрлік қозғалтқыштың бір түрі. Бұл иондық қозғалтқыштардан өзгеше, олар плазма көзінен иондық ток алу арқылы итермелі күш жасайды, содан кейін осы иондар желілер/анодтар арқылы жоғары жылдамдыққа дейін үдетіледі. Олар көптеген түрлерде кездеседі (электрлік қозғалтқышқа қараңыз). Дегенмен, ғылыми әдебиеттерде "плазмалық қозғалтқыш" термині кейде әдетте "иондық қозғалтқыштар" деп аталатын қозғалтқыштарды да қамтиды. Плазмалық қозғалтқыштар плазмадағы зарядталған бөлшектерді үдету үшін жоғары кернеулі желілерді немесе анодтарды/катодтарды қолданбайды, керісінше, иондарды үдету үшін іштен туындайтын токтар мен потенциалдарды пайдаланады. Бұл жоғары үдету кернеулерінің болмауына байланысты шығарылатын газдардың жылдамдығы төмендейді. Осы типтегі қозғалтқыштың бірнеше артықшылықтары бар. Анодтардың жоғары кернеулі желілерінің болмауы желілік иондардың тозуынан туындайтын шектеу мүмкіндігін жояды. Плазмалық шығарылатын газдар "жарым бейтарап" болып табылады, яғни оң иондар мен электрондар тең санында болады, бұл шығарылатын газдардың ағынын бейтараптандыру үшін иондар мен электрондардың қарапайым рекомбинациясына мүмкіндік береді, соның салдарынан электрондық тапаншаның (қуыс катодтың) қажеттілігі жойылады. Мұндай қозғалтқыш көбінесе бастапқы плазманы жасау үшін сыртқы антеннаны пайдалана отырып, радиожиілік немесе микротолқынды энергияны қолданады. Бұл факт, қуыс катодтардың болмауымен (асыл газдардан басқа барлық газдарға сезімтал), бұл қозғалтқышты аргоннан бастап, көмірқышқыл газы мен ауа қоспаларына, тіпті астронавттардың зәрiне дейін әртүрлі отын түрлерімен пайдалануға мүмкіндік береді. Плазмалық қозғалтқыштар жоғары специфиялық импульсқа ие болғандықтан, планетааралық миссиялар үшін өте қолайлы. Еуропалық ғарыш агенттігі, Иран ғарыш агенттігі және Австралия Ұлттық университеті сияқты көптеген ғарыш агенттіктері плазмалық қозғалтқыш жүйелерін жасады, олар бірлесіп қос қабатты қозғалтқышты құрастырды.

Тарих

Кейбір плазмалық қозғалтқыштар ұшу сынақтарынан өтіп, миссияларда қолданылған. Плазмалық қозғалтқыштардың алғашқы қолданылуы – советтік «Зонд-2» ғарыш зондындағы импульстік плазмалық итеркіш (ППТ) болды, ол 6 ППТ-ны қозғалыс бағытын басқару жүйесінің атқарушы механизмі ретінде пайдаланды. 1964 жылғы 14 желтоқсанда ғарыш аппараты Жерден 4,2 миллион километр қашықтықта болғанда ППТ итеркіш жүйесі 70 минут бойы сынақтан өтті. 2011 жылы NASA «Busek» компаниясымен бірлесіп «Tacsat 2» спутнигінде алғашқы Холл эффектісі итеркішін ұсынды. Бұл итеркіш спутниктің негізгі итеркіш жүйесі болды. Сол жылы компания тағы бір Холл эффектісі итеркішін ұсынды. 2020 жылы Ухань университеті плазмалық шоқ туралы зерттеу нәтижелерін жариялады. Алайда, сол жұмыста жарияланған итермелеу күшінің мөлшері, тіпті кіріс микротолқынды қуаттың 100% итермелеуге айналған жағдайда да, теориялық мүмкіндіктерден шамамен тоғыз есе артық екені кейіннен дәлелденді. «Ad Astra Rocket Company» компаниясы VASIMR-ді әзірлеп жатыр. Канадтық «Nautel» компаниясы итергішті иондау үшін қажетті 200 кВт радиожиілікті генераторларды өндіреді. Кейбір компоненттерді сынау және «Плазмалық ату» эксперименттері Либерия, Коста-Рикадағы зертханада жүргізіледі. Бұл жобаға бұрынғы NASA ғарышкері доктор Франклин Чанг Диас (CRC USA) жетекшілік етеді. Коста-Рика ғарыш альянсы Халықаралық ғарыш станциясының сыртына орнатылатын VASIMR-ді қолдау үшін сыртқы құрылымды әзірлеу туралы хабарлады. VASIMR-ді ғарышта сынау жоспарының осы кезеңі 2016 жылы жүзеге асырылуы күтілген.

Артықшылықтар

Плазмалық қозғалтқыштардың ерекше импульс (Isp) көрсеткіші, көптеген басқа ракеталық технологияларға қарағанда әлдеқайда жоғары. VASIMR қозғалтқышы 12000 секундтан асатын импульсқа дейін реттелуі мүмкін, ал залдық қозғалтқыштар шамамен 2000 секундқа жетеді. Бұл, дәстүрлі химиялық ракеталардың екі компонентті отынымен салыстырғанда айқын жетістік, олардың ерекше импульсі шамамен 450 секундты құрайды. Жоғары импульсқа ие болғандықтан, плазмалық қозғалтқыштар ұзақ үдеу кезеңінде салыстырмалы түрде жоғары жылдамдыққа қол жеткізе алады. Бұрынғы ғарышкер Франклин Чанг Диаз VASIMR қозғалтқышының ең жоғары жылдамдыққа жеткенде 39 күн ішінде Марсқа жүк жібере алатынын айтады. Кейбір плазмалық қозғалтқыштар, мысалы, мини-геликон, қарапайымдылығымен және тиімділігімен мақталады. Олардың жұмыс істеу принципі салыстырмалы түрде қарапайым және әртүрлі газдарды немесе олардың қоспаларын пайдалануға болады. Бұл қасиеттер плазмалық қозғалтқыштардың көптеген миссиялар үшін пайдалы екенін көрсетеді.

Кемшіліктері

Плазмалық қозғалтқыштардың жұмысқа қабілеттілігіне ең үлкен қиындық – энергия талабы болып табылады. Тағы бір мәселе – плазманың тозуы. Жұмыс істеп тұрғанда плазма қозғалтқыш қуысының қабырғаларын және тірек құрылымдарын жылумен ыдыратып, бұл соңында жүйенің бұзылуына алып келуі мүмкін. Өте төмен итеру күшіне ие болғандықтан, плазмалық қозғалтқыштарды Жер орбитасына ұшыруға болмайды. Көбінесе, бұл қозғалтқыштар шамамен 2 фунт максималды итеру күші береді. Плазмалық қозғалтқыштар ашық кеңістікте өте тиімді, бірақ химиялық ракеталардың орбитаға шығару шығындарын азайтуға көмектеспейді.

Helicon плазмалық қозғалтқыштары

Helicon плазмалық қозғалтқыштары статикалық магнит өрісіне түскен кезде плазма ішінде пайда болатын төмен жиілікті электромагниттік толқындарды (Helicon толқындары) қолданады. Газ камерасының айналасына оралған радиожиілік антенна толқындар тудырып, газды қоздырады, нәтижесінде плазма пайда болады. Плазма жоғары жылдамдықпен шығарылып, электр және магнит өрістерінің оптималды топологиясы бар әртүрлі комбинацияларын қажет ететін үдету стратегиялары арқылы итергіш күш тудырады. Олар электродсыз қозғалтқыштар класына жатады. Бұл қозғалтқыштар түрлі итергіш заттарды қолдайды, сондықтан ұзақ мерзімді миссиялар үшін тиімді. Оларды қарапайым материалдардан, тіпті шыны бөтелкелерден де жасауға болады.

Магнитплазмалы динамикалық қозғалтқыштар

Магнитоплазмалық динамикалық қозғалтқыштар (МДД) итергіш күшті жасау үшін Лоренц күшін (магниттік өріс пен электр тогының өзара әрекеттесуінен туындайтын күш) пайдаланады. Магниттік өріс болғанда плазма арқылы өтетін электр заряды плазманың үдеуіне себеп болады. Лоренц күші көптеген импульстік плазмалық қозғалтқыштардың жұмыс істеуі үшін де өте маңызды.

Импульстік индукциялық қозғалтқыштар

Импульстік индукциялық қозғалтқыштар (ПИТ) да итермелеуді жасау үшін Лоренц күшін пайдаланады, бірақ олар электродтарды қолданбайды, осылай эрозия мәселесі шешіледі. Плазмадағы иондану мен электр тогының пайда болуына жылдам өзгеретін магнит өрісі себеп болады.

Электродсыз плазмалық қозғалтқыштар

Электродсыз плазмалық қозғалтқыштар плазмаға немесе зарядталған бөлшектерге күшті электромагниттік энергия тығыздығы градиентінің әсерінен туындайтын ponderomotive күшін пайдаланып, плазма электрондарын және иондарын бір бағытта жылдамдатады, соның арқасында нейтрализатор қажет болмайды.

VASIMR

VASIMR, айнымалы нақты импульстік магниттік плазмалық қозғалтқыш дегеннің қысқартылған атауы, радио толқындарын пайдаланып, жанармайды плазмаға иондау үшін қолданады. Магниттік өріс содан кейін плазманы қозғалтқыштан жылдамдатып, итеру күшін жасайды. 200 мегаватттық VASIMR қозғалтқышы Жерден Юпитерге немесе Сатурнға саяхаттау уақытын алты жылдан он төрт айға, ал Жерден Марсқа 6 айдан 39 күнге дейін азайтуға мүмкіндік береді.