Введение

Тип электрического привода

Плазменный двигатель — это тип электрического привода, который генерирует тягу от квазинейтральной плазмы. Это отличается от ионных двигателей, которые генерируют тягу путем извлечения ионного тока из источника плазмы, который затем ускоряется до высоких скоростей с использованием сеток/анодов. Они существуют во многих формах (см. электрический привод). Однако в научной литературе термин «плазменный двигатель» иногда охватывает двигатели, обычно обозначаемые как «ионные двигатели». Плазменные двигатели обычно не используют высоковольтные сетки или аноды/катоды для ускорения заряженных частиц в плазме, а используют токи и потенциалы, генерируемые внутри, для ускорения ионов, что приводит к более низкой скорости выхлопа из-за отсутствия высоких ускоряющих напряжений. Этот тип двигателя имеет ряд преимуществ. Отсутствие высоковольтных сеток анодов устраняет потенциальный ограничивающий фактор, вызванный эрозией ионов сетки. Плазменный выхлоп является «квазинейтральным», что означает, что положительные ионы и электроны существуют в равном количестве, что позволяет простой ионно-электронной рекомбинации в выхлопе для нейтрализации выхлопной струи, устраняя необходимость в электронной пушке (полом катоде). Такой двигатель часто генерирует исходную плазму, используя радиочастотную или микроволновую энергию через внешнюю антенну. Этот факт, в сочетании с отсутствием полых катодов (которые чувствительны ко всем газам, кроме благородных), позволяет использовать этот двигатель с различными рабочими телами, от аргона до смесей воздуха с углекислым газом и даже мочи астронавтов. Плазменные двигатели хорошо подходят для межпланетных миссий благодаря их высокому удельному импульсу. Многие космические агентства разработали плазменные двигательные системы, включая Европейское космическое агентство, Иранское космическое агентство и Австралийский национальный университет, которые совместно разработали двигатель с двойным слоем.

История

Некоторые плазменные двигатели прошли лётные испытания и используются в космических миссиях. Первым применением плазменных двигателей стал импульсный плазменный двигатель на советском космическом зонде «Зонд-2», который нес шесть ППД, использовавшихся в качестве исполнительных механизмов системы управления ориентацией. Двигательная система ППД была испытана в течение 70 минут 14 декабря 1964 года, когда космический аппарат находился на расстоянии 4,2 миллиона километров от Земли. В 2011 году NASA сотрудничало с Busek для запуска первого двигателя с эффектом Холла на борту спутника Tacsat 2. Этот двигатель являлся основной двигательной установкой спутника. В том же году компания запустила ещё один двигатель с эффектом Холла. В 2020 году Уханьский университет опубликовал исследование плазменного струя. Однако последующие исследования показали, что оценки тяги, представленные в этой работе, почти в девять раз превышают теоретически достижимые значения, даже если 100% входной мощности микроволнового излучения преобразуется в тягу. Компания Ad Astra Rocket Company разрабатывает VASIMR. Канадская компания Nautel производит 200 кВт радиочастотных генераторов, необходимых для ионизации рабочего тела. Отдельные компонентные испытания и эксперименты «Плазменным выстрелом» проводятся в лаборатории в Либерии, Коста-Рика. Этот проект возглавляет бывший астронавт NASA доктор Франклин Чанг Диас (CRC USA). Коста-риканский аэрокосмический альянс объявил о разработке внешней поддержки для VASIMR, предназначенной для установки снаружи Международной космической станции. Ожидалось, что этот этап плана испытаний VASIMR в космосе будет проведён в 2016 году.

Преимущества

Плазменные двигатели обладают значительно более высоким значением удельного импульса (Isp), чем большинство других типов ракетных технологий. Двигатель VASIMR может регулироваться для достижения импульса более 12000 с, а плазменные двигатели Холла достигли значения около 2000 с. Это существенное улучшение по сравнению с бикомпонентным топливом традиционных химических ракет, у которых удельный импульс составляет около 450 с. Благодаря высокому удельному импульсу, плазменные двигатели способны развивать относительно высокие скорости при длительном разгоне. Бывший астронавт Франклин Чанг-Диас утверждает, что двигатель VASIMR может доставить полезную нагрузку на Марс всего за 39 дней, достигнув при этом максимальной скорости. Некоторые плазменные двигатели, такие как мини-геликон, отличаются простотой и эффективностью. Их принцип работы относительно прост и позволяет использовать различные газы или их комбинации. Эти качества указывают на ценность плазменных двигателей для широкого спектра миссий.

Недостатки

Возможно, наиболее значительной проблемой для работоспособности плазменных двигателей является потребность в энергии. Другая проблема – эрозия плазмы. Во время работы плазма может термически разрушать стенки камеры сгорания двигателя и опорную конструкцию, что в конечном итоге может привести к выходу системы из строя. Из-за их чрезвычайно низкой тяги плазменные двигатели не подходят для вывода на околоземную орбиту. В среднем, эти ракеты обеспечивают максимальную тягу около 900 граммов (2 фунта). Плазменные двигатели высокоэффективны в открытом космосе, но не позволяют снизить стоимость вывода на орбиту по сравнению с химическими ракетами.

Плазменные двигатели Helicon

Плазменные двигатели Helicon используют низкочастотные электромагнитные волны (волны Геликона), возникающие внутри плазмы под воздействием статического магнитного поля. Радиочастотная антенна, охватывающая газовую камеру, генерирует эти волны и ионизирует газ, создавая плазму. Плазма выбрасывается с высокой скоростью для создания тяги посредством методов ускорения, требующих различных комбинаций электрических и магнитных полей оптимальной конфигурации. Они относятся к классу бесконтактных плазменных двигателей. Эти двигатели могут использовать различные рабочие тела, что делает их пригодными для длительных космических миссий. Их можно изготавливать из простых материалов, включая стеклянные бутылки из-под газированной воды.

Магнитноплазменные динамические двигатели

Магнитоплазмодинамические двигатели (МПД) используют силу Лоренца (силу, возникающую в результате взаимодействия магнитного поля и электрического тока) для создания тяги. Протекающий через плазму в магнитном поле электрический заряд вызывает ускорение плазмы. Сила Лоренца также играет ключевую роль в работе большинства импульсных плазменных двигателей.

Импульсные индукционные двигатели

Импульсные индуктивные двигатели (PIT) также используют силу Лоренца для создания тяги, но в них отсутствуют электроды, что решает проблему эрозии. Ионизация и электрические токи в плазме вызываются быстроизменяющимся магнитным полем.

Плазменные двигатели без электродов

Электробеспроводные плазменные двигатели используют силу Пондеремота, действующую на любую плазму или заряженную частицу под воздействием сильного градиента плотности электромагнитной энергии, для ускорения плазменных электронов и ионов в одном направлении, что позволяет им работать без нейтрализатора.

VASIMR

VASIMR, сокращение от Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket, использует радиоволны для ионизации рабочего тела в плазму. Магнитное поле затем ускоряет плазму, выталкивая её из двигателя и создавая тягу. 200-мегаваттный двигатель VASIMR позволит сократить время полёта с Земли до Юпитера или Сатурна с шести лет до четырнадцати месяцев, а с Земли до Марса – с шести месяцев до тридцати девяти дней.