Содержание

Изготовление плазменных двигателей в России / Хабр

Гигантские звездолеты с призрачно светящимися двигателями стали одним из постоянных атрибутов космической фантастики. В то же время плазменные двигатели уже полвека успешно используются в настоящей космонавтике, и российские разработчики являются одними из мировых лидеров. Мне удалось посетить калининградское предприятие «ОКБ Факел» и увидеть, как создаются стационарные плазменные двигатели.

Стационарный плазменный двигатель (СПД) — это одна из разновидностей электроракетного двигателя, где электрическая энергия используется для ионизации газа и придания полученной плазме высокой скорости истечения из «сопла».

У такого двигателя нет топлива в привычном понимании, т.е. горючего и окислителя, необходимого для химической реакции с выделением тепла. СПД подходит практически любой газ, но лучше использовать химически неактивные и с высокой атомной массой, вроде аргона или ксенона. Плазменные двигатели обеспечивают очень высокую скорость выбрасываемой струи газа, например, для ксенона это около 30 км/с.

Для сравнения, скорость выброса газа у одного из самых эффективных химических ракетных двигателей — кислород-водородного — около 4,5 км/с. Преимуществом химических двигателей является способность выбрасывать сразу много газа, что дает большую тягу. СПД же требует мощного источника электрической энергии, и даже с ним способен выбрасывать лишь незначительную массу газа за момент времени, то есть имеет очень малую тягу и требует много времени на разгон и торможение. Плазменные двигатели применяются только в космосе: оснащенные ими космические аппараты имеют относительно малый запас рабочего тела и большой размах солнечных батарей.

О возможностях использования электроракетных двигателей задумывались еще в начале XX века, но к первым испытаниям в космосе перешли только в 60-е годы. В 1972 году в системе ориентации советского спутника «Метеор» использовались два электроракетных двигателя: ионный и стационарный плазменный. СПД показал себя лучше, и советские специалисты сконцентрировались на этой разновидности.

В создании экспериментальных образцов принимали участие специалисты «ОКБ Факел», и с того времени предприятие стало специализироваться на производстве двигателей такого типа, развивать и совершенствовать технологию.

В начале XXI века калининградский СПД-100 прошел успешные испытания на лунном спутнике Европейского космического агентства Smart-1.

После успешного полета к Луне европейские производители коммерческих геостационарных спутников стали закупать российские двигатели и создавать новые поколения спутников. Ранее на спутниках-ретрансляторах использовались химические двигатели на токсичном гидразине. Применение российских СПД открыло возможность создания т.н. «полностью электрических спутников», на которых уже не было химической тяги.

Калининградские СПД имеют довольно небольшой размер, но цикл их производства всё же требует немалых производственных площадей.

Разработчики «ОКБ Факел» активно сотрудничают с европейскими производителями и даже помогали французам сделать свой двигатель. Однако на предприятии строжайшие нормы безопасности. Фотосъемка на экскурсии была запрещена сотрудниками службы безопасности, а кадры использованные в репортаже, сняли позже сотрудники пресс-службы по моей просьбе.

На «ОКБ Факел» наглядно видна преемственность поколений.
Молодые работают рядом с опытными специалистами.

Кульманы давно заменены на САПР «Компас-3D» для разработки трехмерных моделей и выпуска конструкторской документации.

Цех механической обработки открывается современными станками ЧПУ.

— В некоторых случаях у нас токари пишут программы сами, — говорит генеральный конструктор предприятия Евгений Космодемьянский. И я понимаю, что пришло время выбросить свое удостоверение токаря второго разряда.

Однако в глубине зала работа идет на универсальных станках, где роль ручного труда сохраняет значение, и мои надежды на космическую карьеру возрождаются.

Необходимый этап создания космического двигателя — испытание. Для проверки СПД требуется смоделировать условия космоса, прежде всего вакуум.

Вакуумные камеры кажутся огромными для таких небольших двигателей. Они пригодны для испытания всей линейки двигателей, которые производят на «ОКБ Факел».

В советские времена здесь разрабатывали самый мощный двигатель в своем классе — СПД-290. Сейчас создается сравнимый по мощности СПД-230.

Своими глазами работу плазменного двигателя увидеть, к сожалению, не удалось, но фото нам предоставили.

Недавно «Роскосмос» показал классное видео с бортовых камер спутника Egyptsat-A, созданного в «РКК Энергия».

На этих кадрах, пожалуй, впервые миру показана работа плазменных двигателей СПД-70 в космосе.

Возможно, моя фраза про мировое лидерство «ОКБ Факел» может показаться излишне пафосной, но практика показывает правоту этих слов. Space System/Loral, Airbus — это одни из самых крупных производителей коммерческих спутников связи в мире, и они берут калининградские СПД. А совсем недавно заключен вероятно самый большой контракт в истории мирового спутникостроения — на несколько сотен модернизированных двигателей СПД-50М.

Когда проходила моя экскурсия сотрудники предприятия не признавались кто заказчик ссылаясь на соглашение о неразглашении. Позже информация попала в СМИ и теперь мы знаем, что это OneWeb. Проект низкоорбитального спутникового интернета предполагает запуск почти тысячи космических аппаратов в течение трех-четырех лет. И на каждом спутнике будет российский плазменный двигатель.

Новый заказ требует перестройки всего производства, ведь надо создавать практически по двигателю в день. Специалистов на работу набирают даже из других городов. Такой нагрузки не было никогда, поэтому под проект OneWeb провели модернизацию с новыми станками ЧПУ и оборудовали новое современное чистое помещение для сборки.

За каждым столом собирается по двигателю.

Готовые изделия запираются в специальном шкафу, где поддерживается определенный режим температуры и влажности.

Работа почти ювелирная и неподготовленным взглядом воспринимается непривычно. Обычно под сборкой космических двигателей понимается что-то более масштабное.

Зато в результате получаются вот такие красавцы.

Финальный этап экскурсии — музей предприятия. Здесь первым делом показывают историческую гордость, «лунный камин» — макет радиоизотопного теплогенератора, который был установлен на советских «Луноход-1» и «Луноход-2» и согревал электронику в холодные лунные ночи.

Разумеется, музейный образец не начинен полонием и не радиоактивен.

Еще одно направление производимых «ОКБ Факел» двигателей для космических аппаратов — термокаталитические. Они требуют химического топлива, но его разложение до газообразных компонентов происходит при помощи металлического катализатора, размещенного внутри двигателя. Для повышения интенсивности реакции катализатор нагревается подобно спирали электроплитки.

Термокаталитические двигатели имеют меньшую эффективность чем плазменные или даже химические двухкомпонентные, зато они позволяют создать более простую топливную систему. Обычно такие двигатели используются для ориентирования космических аппаратов и располагаются в блоках по несколько штук.

Особый интерес вызывает один музейный образец — стационарный плазменный двигатель, прошедший длительные испытания в вакуумной камере. Тысячи часов работы приводят к деградации поверхности двигателя под воздействием плазмы.

Такие испытания позволяют повышать ресурс двигателей. Сейчас СПД обеспечивают гарантированную работу в течение нескольких тысяч часов. И, по словам представителей «ОКБ Факел», этот ресурс многократно подтвержден заказчиками, и новые заказы лучше всего говорят о качестве.

Хотелось бы приурочить эту публикацию к Дню космонавтики, чтобы не на словах, а на примере «ОКБ Факел» показать, что у нас есть космос, надо просто уметь его готовить.

Выражаю признательность пресс-службе и сотрудникам «ОКБ Факел» и компании «Аскон» за большую помощь в подготовке материала.

Российский сверхмалый плазменный двигатель от МИФИ пройдет испытания в космосе до конца года | Энергофиксик

Инженеры МИФИ (Московский инженерно-физический институт) активно занимаются разработкой сверхмалого плазменного двигателя специально предназначенного для наноспутников. Главной проблемой было не создать двигатель, а заставить его полноценно работать от малой конденсаторной батарейки.

И походу задачу, которые решали ученые по всему миру на протяжении многих десятков лет, удалось решить именно российским специалистам, и ими успешно создан сверхмалый плазменный двигатель, который хотят испытать в космосе уже до конца текущего года.

МИФИ

МИФИ

Проблема наноспутников и их решение

На текущий момент мы можем наблюдать настоящий бум так называемых наноспутников – космических аппаратов, вес которых не превышает 10 кг. Так только с начала 2021 года было запущено на орбиту порядка 150 спутников формата CubeSat – наиболее популярный тип сверхмалых спутников.

Так большинство из этих наноаппаратов используется для зондирования Земли, и главная проблема аппаратов заключена в том, что запускают их на орбиту банально выбрасывая десятками из ракеты в одном месте.

Для качественной же работы их нужно равномерно распределить по орбите, а значит нужно изменять их скорость на орбите. На текущий момент для изменения скорости применяют раскрывающиеся панели и поворачивают их перпендикулярно движению спутника для максимального замедления или же параллельно для небольшого замедления.

Метод имеет один, но очень существенный недостаток. По причине замедления спутники часто теряют высоту и неизбежно сходят с орбиты и сгорают в плотных слоях атмосферы.

И поэтому требуется постоянно запускать все новые спутники на замену сгоревшим.

Единственным выходом из такой ситуации является установка миниатюрного двигателя на спутник. Вот только все существующие двигатели предназначены для работы на больших космических аппаратах, да и энергии они потребляют слишком много и панели на микроспутниках не способны их обеспечить электричеством в принципе. А жидкостные двигатели запрещены в целях безопасности.

Вот поэтому ученые и бились над созданием миниатюрных двигателей так долго и порой безрезультатно.

Российские инженеры нашли решение

Сделано в МИФИ. Размер двигателя — 83×83×50 мм

Сделано в МИФИ. Размер двигателя — 83×83×50 мм

Российскими специалистами было предложено использовать в плазменном двигателе в качестве топлива не взрывоопасные соединения, а пластик полиацеталь, оный постепенно выгорая, преобразуется в плазму, а затем выбрасывается из двигателя таким образом создавая необходимую тягу, которая и перемещает мини-спутник.

Справедливости ради следует сказать, что идея использовать пластик не нова и была предложена еще советскими специалистами и опробована в 1964 году на межпланетной станции «Зонд-2», которая была направлена на Марс Советским Союзом.

В советской версии для двигателей использовался не полиацеталь, а обычный фторопласт. Главной особенностью этого материала была его высокая плотность, но и был серьезный недостаток.

Так для использования фторопласта в виде топлива нужен большой разрядный ток. Если тока будет недостаточно, то на поверхности пластика образуется углеродная пленка, которая обладает отличной проводимостью тока, а значит, может спровоцировать короткое замыкание, и двигатель просто выйдет из строя.

Советские инженеры решили проблему установкой больших и мощных импульсных конденсаторов, но их никак нельзя использовать на микро-спутниках.

Космический аппарат Zond 2 во время тестирования на Земле. Общественное достояние, https://ru.wikipedia.org/w/index.php?curid=4069293

Космический аппарат Zond 2 во время тестирования на Земле. Общественное достояние, https://ru.wikipedia.org/w/index.php?curid=4069293

Задумка инженеров МИФИ состояла в том, чтобы создать двигатель габаритами 83х83х50 мм, а для решения проблемы образования пленки стали искать другой вид пластика. И в ходе поиска был найден полиацеталь, обладающий цепочкой (-С-О-С-О-С-), которая не позволяет в процессе горения образовываться углеродной пленке (образуется некоторое количество нефти или масла, которое не проводит электрический ток, а значит неопасно для двигателя).

Помимо этого, на двигатель была установлена внешняя магнитная система из медной катушки, которая позволила ограничить разрядный ток и сохранить приемлемую эффективность двигателя. Так по предварительным расчетам, ресурс двигателя может составить порядка 1000 часов работы.

И на конечном этапе были установлены компактные и легкие конденсаторы.

Перспективы российского двигателя

На протяжении последующих месяцев инженеры будут проводить доработки двигателя с целью повышения его эффективности и увеличения запаса пластика, а в конце года двигатель должен пройти испытания сразу на двух спутниках на платформе «ОрбитКрафт-Про». Кроме этого, у разработчиков уже есть предварительные договоренности с частной космической компанией «Спутникс».

Все испытания должны завершиться уже к лету 2022 года и уже после этого можно будет говорить о серийном производстве двигателей.

Пожелаем удачи нашим специалистам и будем надеяться, что у них все получится, и большая часть нано спутников будет работать именно на наших двигателях.

Ну а если вам понравился материал, то оцените его и не забудьте подписаться на канал. Спасибо за внимание!

Сверхмалый плазменный двигатель для наноспутников разрабатывают в МИФИ / Интерфакс

«Ближайшие несколько месяцев мы будем дорабатывать двигатель, совершенствовать технологию: попробуем изменить конфигурацию электродов, размер и форму рабочего тела, чтобы увеличить запас пластика и тем самым повысить эффективность двигателя. В конце года наши устройства пройдут испытания на орбите — отправятся в космос на двух спутниках на платформе «ОрбиКрафт-Про»», — говорится в сообщении со ссылкой на одного из создателей устройства, руководителя лаборатории плазменных ракетных двигателей Института лазерных и плазменных технологий МИФИ Игоря Егорова.

По его словам, у ученых уже есть договоренность с частной космической компанией «Спутникс». Также во время испытаний на орбите пройдут ресурсные испытания на Земле.

«Предполагается, что ресурс работы нашего устройства будет около 1 тыс. часов. По всей видимости, к лету 2022 года завершатся все испытания, и мы сможем уверенно говорить про ресурс работы, силу тяги двигателя, совместимость с оборудованием спутника и т. д. Если все пройдет гладко, то наладим серийный выпуск двигателей», — уточнил Егоров.

Как рассказал ученый, рабочим телом на плазменном двигателе служит пластик полиацеталь. Также внешняя магнитная система создана из медной катушки, что помогло ограничить разрядный ток и при этом сохранить эффективность двигателя. Кроме того, разработчикам удалось установить на двигатель компактные и легкие конденсаторы.

«К нам уже обратились представители образовательного проекта по разработке и производству космических аппаратов. Они планируют покупать 10–15 двигателей в год. Проявила интерес и компания Orbital Express, которая в следующем году запускает на орбиту собственный спутник и хочет видеть на нем наш двигатель, а также другие, помимо «Спутникса», разработчики наноспутниковых платформ. Интерес к нашей разработке довольно большой, это приятно», — рассказал Егоров.

В МИФИ отмечают, что в последние годы в мире проявляют большой интерес к наноспутникам, чей вес составляет менее 10 кг. Такие аппараты запускают на орбиту, выбрасывая десятками из ракеты в одном месте. Затем спутники предстоит распределить по орбите равномерно. Однако из-за замедления спутники часто теряют высоту и постепенно сгорают в атмосфере. Проблему бы могла решить установка миниатюрного двигателя, который бы позволил перемещать спутник без потери высоты.

Читайте «Интерфакс-Образование» в «Facebook», «ВКонтакте», «Яндекс.Дзен» и «Twitter»

ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ — это… Что такое ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ?

  • ПЛАЗМЕННЫЙ ГЕНЕРАТОР
  • ПЛАЗМОБУР

Смотреть что такое «ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ» в других словарях:

  • Стационарный плазменный двигатель — Стационарные плазменные двигатели СПД  стационарный плазменный двигатель. Разработан в опытном конструкт …   Википедия

  • ПЛАЗМЕННЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ — 1) электрический ракетный двигатель, в котором рабочее тело плазма;2) то же, что электромагнитный ракетный двигатель …   Большой Энциклопедический словарь

  • ДВИГАТЕЛЬ — устройство, преобразующее один вид энергии в др. вид или механическую работу; (1) Д. внутреннего сгорания тепловой двигатель, внутри которого происходит сжигание топлива и часть выделившейся при этом теплоты преобразуется в механическую работу.… …   Большая политехническая энциклопедия

  • Плазменный ракетный двигатель — Схематическое устройство плазменного ускорителя Плазменный двигатель (также плазменный инжектор)  ракетный двигатель, рабочее тело кото …   Википедия

  • плазменный ракетный двигатель — 1) электрический ракетный двигатель, в котором рабочее тело  плазма; 2) то же, что электромагнитный ракетный двигатель. * * * ПЛАЗМЕННЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЛАЗМЕННЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, 1) электрический ракетный двигатель (см. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ… …   Энциклопедический словарь

  • ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ — плазменный двигатель, электрический ракетный двигатель, в к ром превращённое в плазму рабочее тело разгоняется с помощью электромагн. поля. Уд. импульс Э. р. д. может достигать неск. сотен км/с. Впервые испытан в полёте на сов. КА Зонд 2 . См.… …   Большой энциклопедический политехнический словарь

  • Ракетный двигатель — реактивный двигатель, источник энергии и рабочее тело которого находится в самом средстве передвижения. Ракетный двигатель единственный практически освоенный для вывода полезной нагрузки на орбиту искусственного спутника Земли и применения в… …   Википедия

  • Варп-двигатель — Эта статья об объекте вымышленного мира описывает его только на основе самого художественного произведения. Статья, состоящая только из информации на базе самого произведения, может быть удалена. Вы можете помочь проекту …   Википедия

  • Warp-двигатель — Звёздный путь (Star Trek) Телесериалы Оригинальный сериал 80 эпизодов Анимационный сериал 22 эпизода Следующее поколение …   Википедия

  • Термоядерный ракетный двигатель — варианты конструкции ТЯРД Термоядерный ракетный двигатель (ТЯРД)  перспективный ракетный двигатель для космических полётов, в котором для создания тяги предполагаетс …   Википедия

В Германии испытали высокочастотный плазменный двигатель

18 мая 2017 г. , AEX.RU –  Исследователи из Берлинского технического университета разработали и испытали новую версию плазменного двигателя, способного, в отличие от других прототипов, работать при нормальном, а не низком, атмосферном давлении. Работа ученых опубликована в Journal of Physics: Conference Series, а краткое ее изложение приводит New Scientist. Новая силовая установка относится к типу магнитоплазмодинамических двигателей, которые потенциально могут быть использованы на самых разных классах летательных аппаратов.  Об этом сообщает N+1.

Плазменный двигатель представляет собой разновидность электрического ракетного двигателя. В нем рабочее тело приобретает ускорение, находясь в состоянии плазмы. Разработка таких двигательных установок с переменным успехом ведется разными исследовательскими организациями с 1950-х годов. В частности, первый рабочий прототип плазменного двигателя был создан и испытан Исследовательским центром имени Льюиса (ныне Исследовательский центр Гленна) в 1961 году.

В плазменном двигателе газ подается в рабочую кольцевую зону, внешняя часть которой представляет анод, а внутренняя, расположенная ближе к выходу, — катод. При подаче на анод и катод постоянного напряжения в сотни вольт, в рабочей зоне возникает ионизирующий разряд и образуется плазма. Затем эта плазма под действием силы Лоренца начинает двигаться в сторону выхода из рабочей зоны, создавая тягу. Для работы плазменного двигателя требуется большое количество энергии.

Как утверждают разработчики, их магнитоплазмодинамический двигатель по своей тяге значительно превосходит существовавшие до сих пор прототипы. Испытанный их прототип, будучи масштабированным до размеров обычного авиационного двигателя, как утверждается, сможет развивать тягу от 50 до 150 килоньютонов в зависимости от подаваемого напряжения. Испытанный прототип представляет собой установку длиной 80 миллиметров и диаметром 14 миллиметров.

Прототип плазменного двигателя состоит из шести медных анодов, расположенных вокруг медного же катода на расстоянии двух миллиметров. Конец катода выполнен в виде конуса. Во время испытаний исследователи через высокочастотный высоковольтный импульсный генератор подавали на анод и катод напряжение до 16 киловольт. Подаваемое напряжение зависело от заряда конденсаторов перед генератором. Конденсаторы заряжались 300, 400 и 500 вольтами.

При подаче напряжения на анод и катод импульсами между ними возникали разряды с частотой 3,5 килогерца. Благодаря им в двигателе и образовывалась плазма. То, что силовая установка способна выдавать заметную тягу, исследователи проверили с помощью маятника длиной 55 миллиметров и массой 15 граммов. В зависимости от подаваемого на аноды и катод двигателя напряжения отклонение маятника от сопла составляло от пяти до 25 градусов.

Исследователи полагают, что в будущем такие магнитоплазмодинамические двигатели можно будет устанавливать на самолеты, причем силовые установки будут эффективно работать на всех этапах: от взлета до полета на высоте 50 тысяч метров. При этом исследователи отмечают, что плазменные двигатели нуждаются в большом количестве энергии, запасти которую при помощи аккумуляторов невозможно. Разработчики полагают, что новые плазменные двигатели будут востребованы тогда, когда будут созданы компактные термоядерные реакторы.

Следует отметить, что сами по себе электрические ракетные двигатели уже существуют и даже используются на спутниках. Они создают относительно небольшую тягу, а потому пригодны для использования только в космосе. К электрическим ракетным двигателям (ионный тип) относится, в частности, двигатель Холла, устанавливаемые на некоторые модели спутников. Испытания модернизированной версии двигателя Холла проводились американцами на орбитальном беспилотнике X-37B.

Двигатель Холла является разновидностью ионного двигателя, однако отличается от последнего большей тягой и меньшим расходом рабочего тела. В качестве рабочего тела в силовой установке используется ксенон. Силовая установка представляет собой кольцевую камеру, расположенную между анодом и катодом. В нее подается рабочее тело, которое ионизируется катодом и анодом и разгоняется электростатическим полем в осевом направлении.

Плазменные двигатели нового поколения успешно начали штатную работу в космосе

Работа холловского двигателя

Созданием плазменных двигателей руководил профессор Олег Анатольевич Горшков во время его работы в ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша», являясь руководителем подразделения-разработчика и главным конструктором изделия (в течение 9,5 лет с момента начала проекта и до изготовления летных комплектов двигателей, что совпало с его переходом на постоянную работу в МФТИ).

Поздравляем коллектив разработчиков с успешным завершением многолетней ОКР — началом работы новых плазменных двигателей в космосе. Желаем дальнейших успехов в создании перспективных образцов космической техники.

Плазменные двигатели холловского типа относятся к классу электромагнитных двигателей с внешним магнитным полем, в которых замкнутый дрейф электронов играет ключевую роль. 

В основе действия холловского двигателя лежит создание сильного электрического поля в плазме.  Впервые идея о формировании заметного перепада потенциала в плазме была высказана советским физиком А.В. Жариновым в ходе исследований распределения  потенциала по радиусу в цилиндрической магнитной ловушке с магнитными «пробками» при магнетронном способе создания плазмы, содержащей быстрые ионы. Позднее на базе этой идеи были разработаны две схемы холловских двигателей — двигатель с анодным слоем (предложен А.В. Жариновым) и стационарный плазменный двигатель (предложен А.И. Морозовым). Принято считать, что размер зоны  ускорения в осевом направлении в стационарном плазменном двигателе больше, чем в двигателе с анодным слоем. Тем не менее, эти двигатели близки по принципу действия и достигаемым параметрам. С более подробным описанием результатов современных исследований проблем создания холловских двигателей можно ознакомиться в монографии «Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов» (О.А. Горшков, В.А, Муравлёв, А.А. Шагайда, под ред. академика РАН А.С. Коротеева. М.: Машиностроение, 2008).

Россия занимала и занимает  лидирующие позиции в области разработки холловских двигателей. В нашей стране накоплен уникальный опыт их практического применения (1971 год — первые летные испытания; 1982 год — начало штатного использования в космосе). Основная область использования таких двигателей — поддержание орбиты геостационарных спутников связи в направлениях «север-юг» и «запад-восток». С 2004 года российские холловские двигатели начали применяться на борту зарубежных космических аппаратов ведущих фирм США и Европы. В настоящее время 3 из 5 мировых лидеров по производству спутников (EADS Astrium (EU), Thales Alenia Space (EU) и Space Systems/Loral (USA)) используют холловские двигатели, сделанные в России.

Таким образом, плазменные двигатели холловского типа — пример советской/российской технологии мирового уровня, активно использующейся не только в России, но и за рубежом.

ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» — Государственный научный центр Российской Федерации — федеральное государственное унитарное предприятие «Исследовательский центр имени М. В. Келдыша» (ранее РНИИ, НИИ-1, НИИТП) является ведущей в России организацией в области ракетного двигателестроения и космической энергетики. Он входит в структуру Федерального космического агентства и активно участвует в формировании и реализации Федеральной космической программы. Разрабатывает, производит и испытывает перспективные образцы различных типов ракетных и космических двигателей, космических энергоустановок.

Образованный в 1933 году на базе Ленинградской газодинамической лаборатории (ГДЛ) и Московской группы по изучению реактивного движения (ГИРД) Центр Келдыша стал первой в мире научно-исследовательской организацией по разработке ракетной техники и оригинальных методов ее отработки и испытаний.

Легендарная «Катюша» — грозное оружие военных лет — по-прежнему служит визитной карточкой Центра Келдыша и является родоначальницей мобильной ракетной техники.

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва» — одно из ведущих предприятий российской космической отрасли.

ОАО «ИСС» владеет технологиями полного цикла создания космических комплексов от проектирования до управления КА на всех орбитах — от низких круговых до геостационарных.

За время своей деятельности предприятие принимало участие в реализации более чем 30 космических программ в областях связи, ретрансляции телевидения, навигации, геодезии и научных исследований. Было спроектировано, изготовлено и запущено порядка 50 различных типов космических аппаратов, отличающихся высокой надежностью и предназначенных для использования на низкой круговой, круговой, высокоэллиптической и геостационарных орбитах.

Создание стационарного плазменного двигателя повышенной мощности

Пятых И. Н. Румянцев А. В.

Создание стационарного плазменного двигателя повышенной мощности

Страницы / Pages
63-66
Аннотация

Новые концепции мощных электрических двигателей для космических аппаратов направлены на создание силовых установок для транспортировки спутников большой массы, поддержки пилотируемых космических программ, межорбитальной транспортировки и миссии по изучению далекого космоса. В качестве маршевого двигателя для таких систем подходит стационарный плазменный двигатель (СПД) большой мощности. Представлен обзор СПД большой мощности и проблемные вопросы при их создании.

Abstract

The new concept of powerful electric thrusters for spacecraft are aimed at creation of power plants for transportation of satellites with a large mass support manned space programs, space transportation and missions to study outer space. As the main engine for such systems, the choice of stationary plasma thruster (SPT) high power. This article presents an overview of SPT big power and issues when they are created.

Список литературы

1. Морозов А. И. Исследование стационарного электромагнитного ускорения плазмы : дис. … д-ра физ.-мат. наук. М., 1965.
2. Морозов А. И. Физические основы космических электрореактивных двигателей. М., 1978.
3. Приданников С. Ю. Исследование характеристик стационарных плазменных двигателей при длительной работе : дис. … канд. техн. наук. Калининград, 2003.
4. Ким В. Стационарные плазменные двигатели в России: проблемы и перспективы // Эл. журнал «Труды МАИ». № 60. URL: www.mai.ru/science/trudy/ (дата обращения: 20.10.2017).
5. Козубский К. Н., Корякин А. И., Мурашко В. М. История космических стационарных плазменных двигателей и их применение в России, США и Европе. Новые вызовы для стационарных плазменных двигателей. К 40-летию первых космических испытаний стационарных плазменных двигателей // Там же.
6. Гусев Ю. Г., Пильников А. В. Роль и место электроракетных двигателей в Российской космической программе // Там же.
7. Arhipov B., Krochak L., Maslennikov N., Scortecci F. Investigation of SPT-200 Operating Characteristics at Power Levels up to 12 kW // IEPC 97-132.
8. Robert S. Jankovsky, C. M., McVey J. Preliminary Evaluation of a 10kW Hall Thruster // AIAA 99-0456.
9. Manzella D., Jankovsky R., & Hofer R. Laboratory Model 50 kW Hall Thruster // AIAA 2002-3676.
10. Kamhawi H., Haag T., Jacobson D., Manzella D. Performance Evaluation of the NASA-300M 20 kW Hall Effect Thruster // AIAA 2011-5521.
11. Hall S. J., Cusson S. E., Gallimorez A. D. 30-kW Performance of a 100-kW Class Nested-channel Hall Thruster // IEPC 2015-125/ISTS 2015-b-125.
12. Szabo J., Pote B., Hruby V. et al. A Commercial One Newton Hall Effect Thruster for High Power In-Space Missions // AIAA 2011-6152.
13. Welander B., Monheiser J., Meckel N. et al. Demonstration of the XR-12 Hall Current Thruster // IEPC 2013-451.
14. Zurbach S., Cornu N., Lasgorceix P. Performance Evaluation of a 20 kW Hall Effect Thruster // IEPC-2011-020
15. Leporini A., Giannetti V., Andreussi T. et al. Development of a 20 kW-class hall effect thruster // Space Pripulsion. Rome, 2016.

Новый электрический реактивный двигатель действительно работает в атмосфере

Новая конструкция плазменного реактивного двигателя была представлена ​​в прошлом году группой исследователей из Китая. Хотя сама по себе это не новая технология, этот новый дизайн может стать секретом, позволяющим использовать эти двигатели в атмосфере, а не только в космосе.

Несмотря на то, что выходная тяга все еще довольно мала по сравнению с обычными атмосферными двигателями, после масштабирования этот новый тип двигателя может оказаться революционным для аэрокосмической промышленности.

Но прежде чем мы рассмотрим этот новый дизайн, давайте вкратце узнаем, как работают плазменные реактивные двигатели.

Что такое плазменный двигатель?

Плазменные двигатели обычно рассматриваются как потенциальная форма движения космического корабля. Такие двигатели отличаются от двигателей с ионными двигателями, которые генерируют тягу за счет извлечения ионного тока из источника плазмы. Эти ионы затем ускоряются до высоких скоростей с помощью сеток или анодов.

Плазменные двигатели обычно не требуют высоковольтных сеток или анодов/катодов для ускорения заряженных частиц в источнике плазмы, но используют токи и потенциалы, которые генерируются внутри, в виде сильноточной электрической дуги между двумя электродами, для ускорения ионов. Это, как правило, приводит к более низкой скорости выхлопа, поскольку для ускорения используется ограниченное напряжение.

Пример работающего плазменного двигателя. Источник: Московский Физический Институт/Flickr

Однако, поскольку трение воздуха в космосе практически отсутствует, тяга этих двигателей не должна быть такой высокой. Если бы постоянное ускорение можно было выкачивать месяцами или годами, можно было бы в конечном итоге достичь очень высокой скорости.

Такие двигатели имеют различные преимущества по сравнению с другими видами электрических двигателей.Например, отсутствие высоковольтных сеток анодов снижает риск ионной эрозии сетки.

Еще одним преимуществом является то, что плазменный выброс является так называемым «квазинейтральным». Это означает, что положительные ионы и электроны существуют в равном количестве, а это означает, что простая ионно-электронная рекомбинация в выхлопных газах может использоваться для тушения выхлопного шлейфа, что устраняет необходимость в электронной пушке.

Типичные примеры этих двигателей, как правило, генерируют источник плазмы с использованием различных методов, включая радиочастотную или микроволновую энергию с использованием внешней антенны.Из-за особенностей конструкции этих двигателей в них может использоваться ряд видов топлива, включая аргон, двуокись углерода или даже человеческую мочу.

Как и следовало ожидать, у этой технологии есть и некоторые недостатки. Главным из них является высокая потребность в энергии, необходимая для их питания.

Например, двигателю VX-200 с переменным удельным импульсом Magnetoplasma Rocke (VASIMR) требуется электрическая мощность 200 кВт для создания тяги 1,12 фунта (5 Н) или 40 кВт/Н. Теоретически такой спрос на энергию можно было бы удовлетворить с помощью ядерных реакторов на космических кораблях, но дополнительный вес может оказаться непомерно большим для запуска корабля.

Еще одной проблемой является плазменная эрозия. Во время работы плазма может вызвать термическую абляцию стенок полости двигателя и опорной конструкции, что в конечном итоге может привести к отказу системы.

На сегодняшний день такие двигатели действительно полезны только тогда, когда космический корабль находится в космосе. Это связано с относительно низкой тягой, которая не позволяет реально использовать их для запуска корабля на орбиту. В среднем эти ракеты обеспечивают тягу около 2 фунтов (4,45 Н). Плазменные двигатели очень эффективны в космосе, но ничего не делают, чтобы компенсировать орбитальные расходы химических ракет.

Источник: Nathanael Coyne/Flickr

Большинство космических агентств разработали те или иные формы плазменных двигательных установок, включая, помимо прочего, Европейское космическое агентство, Иранское космическое агентство и, конечно же, НАСА.

Различные примеры из реальной жизни были разработаны и использованы в некоторых космических миссиях. Например, в 2011 году НАСА в партнерстве с Busek запустила первый двигатель на эффекте Холла на борту спутника Tacsat-2. Они также используются на космическом зонде NASA Dawn.

Другим примером является вышеупомянутая магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом, которая в настоящее время разрабатывается компанией Ad Astra Rocket.

VASIMR использует источник электроэнергии для ионизации топлива в плазму. Электрические поля нагревают и ускоряют плазму, в то время как магнитные поля направляют плазму в правильном направлении, когда она выбрасывается из двигателя, создавая тягу для космического корабля. Теоретически двигатель VASIMR мощностью 200 мегаватт мог бы сократить время в пути от Земли до Юпитера или Сатурна с шести лет до четырнадцати месяцев, а от Земли до Марса — с 6 месяцев до 39 дней.

Не слишком потрепанный.

Что такого особенного в этом новом китайском плазменном двигателе?

Группа китайских инженеров представила в прошлом году рабочий прототип микроволнового двигателя. Исследователи говорят, что двигатель должен работать в атмосфере Земли с эффективностью и тягой, сравнимой с обычными реактивными двигателями.

Плазменные двигатели, обычно использующие инертные газы, такие как ксенон, оказались непригодными для использования в земной атмосфере, поскольку образующиеся ионы имеют тенденцию терять силу тяги из-за трения с воздухом. Еще одна сложная проблема заключается в том, что существующие образцы производят довольно низкую тягу, которая хороша в космосе, но будет жалко мала на Земле.

Новый дизайн, созданный исследователями из Института технических наук Уханьского университета, использует воздух и электричество вместо таких газов, как ксенон. Испытания показали, что двигатель способен развивать впечатляющую тягу, которая однажды может найти применение в современных самолетах.

Этот новый плазменный двигатель работает немного похоже на двигатель внутреннего сгорания, в котором плазма генерируется из исходного газа, который затем, в свою очередь, быстро нагревается и расширяется для создания тяги.В новом двигателе ионизированный воздух используется для производства низкотемпературной плазмы, которая затем подается в трубу с помощью воздушного компрессора. Когда воздух поднимается по трубке, он бомбардируется микроволнами, которые сильно сотрясают ионы, заставляя их сталкиваться с другими неионизированными атомами.

Художественное представление космического корабля мощностью в несколько мегаватт VASIMR. Источник: Ad Astra Rocket Company/Wikimedia Commons

Этот процесс резко увеличил температуру и давление плазмы, создав тем самым значительную тягу дальше по трубе.

Это удивительное достижение частично достигается за счет использования плоского волновода (прямоугольной металлической трубки), через который фокусируются микроволны. Генерируемые специально разработанным магнетроном мощностью 1 кВт и 2,45 ГГц, микроволны направляются вниз по направляющей, которая сужается до половины своего первоначального размера по мере приближения к плазме, а затем снова расширяется. Этот процесс увеличивает напряженность электрического поля и воздействует на плазму как можно большим количеством тепла и давления.

Кварцевая трубка также помещается в отверстие волновода в его самом узком месте.Воздух нагнетается через эту трубку, затем проходит через небольшой участок волновода, а затем выходит с другого конца кварцевой трубки.

Когда воздух входит в трубку, он проходит над электродами, на которые воздействует очень сильное поле. Эта обработка отрывает электроны от некоторых атомов воздуха/газа (в основном азота и кислорода), что создает низкотемпературную плазму низкого давления. Давление воздуха от вентилятора устройства на входе в трубку затем толкает плазму дальше вверх по трубе, пока она не попадет в волновод.

Как только плазма оказывается в волноводе, заряженные частицы начинают колебаться в микроволновом поле, вызывая быстрый нагрев. При этом суп атомов, ионов и электронов часто сталкивается друг с другом, распространяя энергию от ионов и электронов к нейтральным атомам, быстро нагревая плазму.

В результате исследователи утверждают, что плазма быстро нагревается до температуры, значительно превышающей 1000°C. Выхлопная горячая плазма создает пламя, похожее на факел, когда горячий газ выходит из волновода, создавая таким образом тягу.

Насколько мощен новый плазменный двигатель?

Исследователи заметили, что если поток воздуха в компрессоре остается точно настроенным, струя пламени, образующаяся в трубке, удлиняется в ответ на увеличение мощности микроволн. Основываясь на этом наблюдении, исследователи попытались количественно определить, какая тяга создавалась.

Хотя на первый взгляд это звучит относительно просто, в этом есть одна серьезная проблема. Струя плазмы в тысячу градусов, создаваемая двигателем, уничтожила бы обычный барометр.

Чтобы преодолеть это, команда решила мыслить немного нестандартно. Они придумали способ сбалансировать полый стальной шар наверху трубы. Этот шар был наполнен меньшими стальными шариками, чтобы изменять его вес по мере необходимости. При определенном весе тяга будет такой, что она будет противодействовать гравитационным силам, действующим на шар вниз на выпускном конце трубы, что позволит ему подняться на определенную высоту над трубой.

Схема новой конструкции плазменного реактивного двигателя.Источник: Dan Ye et al 2 020. 

Вы можете посмотреть настоящие кадры двигателя в действии здесь.

Используя это измеренное расстояние и вычитая тягу, добавляемую компрессором, команда смогла косвенно получить оценку тяги плазменной струи.

Используя эту инновационную, хотя и нетрадиционную технику, команда смогла протестировать устройство при различных уровнях мощности и скорости воздушного потока. Как оказалось, им удалось найти линейную зависимость между движущей силой, мощностью микроволн и потоком воздуха.

Более того, эта технология кажется довольно эффективной. Он способен выкачивать тяговую силу при входной мощности 400 Вт и 1,45 кубических метра воздуха в час, что составляет 2,45 фунта тяги (11 Н), что представляет собой преобразование мощности в тягу со скоростью 6,29 фунта тяги ( 28 Н)/кВт.

Предполагая линейную зависимость между мощностью микроволн (и потоком воздуха) и мощностью тяги, можно использовать батарею Tesla Model S, способную выдавать 310 кВт, и превратить ее в что-то вроде 1911 фунтов (8,5 кг).5 кН) движущей силы тяги.

Для сравнения: в снятом с производства двухместном электрическом самолете Airbus E-Fan использовалась пара канальных электрических вентиляторов мощностью 30 кВт, которые вместе создавали общую статическую тягу двигателя около 1,5 кН. Использование некоторых расчетов обратной стороны сигаретной пачки будет означать эффективность около 5,62 фунта (25 Н) / кВт. Неплохо, но не так хорошо, как прототип, созданный исследователями.

Двигаясь вперед, команда уже ищет способы использования более сложного и надежного метода для проверки тяги технологии.Они также ищут способы дальнейшей доработки и повышения эффективности двигателя.

Тем не менее, эта инновационная концепция плазменного двигателя определенно идет в гору. Но, если бы все было так просто. Есть, конечно, некоторые важные предостережения с таким нововведением.

Какой бы захватывающей ни была эта технология, она, вероятно, не сможет найти много покупателей на многообещающем рынке eVTOL. Хотя он тише, чем опоры канальных вентиляторов, его выхлоп при температуре в тысячу градусов может вызвать серьезные проблемы.Другая проблема заключается в том, что, как указывает Ars Technica, «потоки воздуха примерно в 15 000 раз ниже, чем у полноразмерного двигателя. Тяга также должна масштабироваться примерно на четыре порядка (что означает, что мощность не ) Экстраполяция линейных трендов на четыре порядка — хороший способ разочароваться в жизни».

Некоторые люди, просматривающие данные, также указали на некоторые странные упущения в доступных в настоящее время данных, опубликованных командой. По какой-либо причине, которая не указана, точки данных не показывают самые высокие уровни мощности микроволн при самых высоких скоростях полета прототипа.

Хотя этот туман просто связан с тем, что буровая установка не тестировалась на таких уровнях мощности, он также может указывать на серьезные проблемы с двигателем на этих уровнях мощности.

Изображение, показывающее линейную зависимость между тяговым шлейфом в кварцевой трубке и потребляемой мощностью. Источник: Dan Ye et al. 2 020. 

Еще одна проблема для будущего такого двигателя — его источник питания. Хотя он, по крайней мере, если не более, эффективен, чем обычные двигатели Airbus, при одинаковом энергоснабжении, факт остается фактом: авиационное топливо является очень энергонасыщенным источником топлива. Особенно это касается аккумуляторов (на самом деле где-то в районе 43 раз больше).

Сравните новые двигатели мощностью 28 Н/кВт с двигателями коммерческого самолета Airbus A320, которые вместе производят около 220 000 Н тяги. Это означает, что для нового двигателя для реактивного самолета сопоставимого размера потребуется более 7800 киловатт мощности — примерно столько же, сколько производят 570 блоков Tesla Powerwall 2.

Тем не менее, это очень интересное технологическое новшество.Если этот новый двигатель на основе плазмы действительно окажется настоящим Маккоем и будет масштабируемым, не говоря уже об эффективности, он может стать чем-то вроде квантового скачка в авиационных двигателях, работающих на неископаемом топливе.

Следи за этим пространством, небом.

Наш двигатель — Ракетная компания Ad Astra

В настоящее время вокруг Земли на очень высоких скоростях вращается более полумиллиона объектов.

Столкновение с космическим мусором — одна из самых больших угроз для членов экипажа и космического корабля на орбите. Если один из этих кусков космического мусора столкнется с крупным спутником, это может привести к финансовой катастрофе, а в некоторых случаях поставить под угрозу благополучие целых сообществ. Механизм VASIMR® может помочь решить эту и многие другие проблемы, связанные с космической логистикой.

В нашей современной космической экономике преобладают химические двигатели с небольшой нишей на рынке маломощных электрических двигателей (также известных как ионные двигатели). Химическая тяга — единственный способ, которым мы можем подняться с Земли в космос, но в космосе этот тип тяги теряет большую часть своей эффективности.

Химические двигатели по-прежнему будут абсолютно необходимы для поддержки растущей космической экономики, однако, если мы хотим создать устойчивое и эффективное присутствие в космосе, нам необходимо разработать и внедрить мощные электрические двигатели.

Двигатель VASIMR® предлагает эффективное, экономичное, устойчивое и надежное решение для наших потребностей в космических перевозках и логистике. Это помогает открыть пространство, предоставляя больше возможностей и потенциала для будущего присутствия и исследования.

В качестве мощного электрического двигателя масштабируемость VASIMR® позволяет ему хорошо работать как с солнечными, так и с ядерными источниками электроэнергии, обеспечивая широкую универсальность миссии от роботизированных солнечных-электрических грузовых полетов до быстрой атомно-электрической транспортировки людей в дальний космос. направления, такие как Марс и за его пределами. .

После нашего дебютного космического полета двигатель VASIMR® будет готов поддерживать роботизированные солнечно-электрические логистические миссии между низкой околоземной орбитой и Луной.По мере развития ядерно-электрических технологий мы сможем масштабироваться, чтобы соответствовать им с двигателями мощностью в несколько мегаватт, что будет иметь решающее значение для открытия человеком освоения дальнего космоса.

Для нашего выживания важно научиться жить в новых условиях. У всех видов, дошедших до этого момента, есть одна общая черта: они приспосабливаются. С растущим населением в 8 миллиардов человек мы перерастаем нашу планету и вызываем большую нагрузку на окружающую среду.

Мы зашли так далеко, потому что, как и другие виды, мы адаптировались, мы эволюционировали.Мы должны продолжать делать это, чтобы обеспечить наше выживание.

Plasma Jets May One Day Propel Aircraft

Реактивные самолеты могут когда-нибудь летать без ископаемого топлива, используя плазменные струи, предполагает новое исследование ученых из Китая.

Различные космические аппараты, такие как космический зонд НАСА Dawn, генерируют плазму из газов, таких как ксенон, для движения. Однако такие двигатели создают очень маленькую движущую силу и поэтому могут найти применение только в открытом космосе, при отсутствии трения о воздух.

Теперь исследователи создали прототип двигателя, способного генерировать плазменные струи с движущей силой, сравнимой с силами обычных реактивных двигателей, используя только воздух и электричество.

Воздушный компрессор нагнетает воздух под высоким давлением со скоростью 30 литров в минуту в ионизационную камеру устройства, которое использует микроволны для преобразования этого воздушного потока в струю плазмы, выдуваемую из кварцевой трубки. Температура плазмы может превышать 1000 °C.

«Мы могли бы поднять стальной шар весом около 1 кг, используя всего около 400 Вт микроволновой мощности», — говорит Джау Танг, физик из Уханьского университета в Китае и старший автор нового исследования, описывающего работу.

По оценкам ученых, давление струи их устройства достигало 2400 ньютонов на квадратный метр, что сравнимо с давлением реактивного двигателя коммерческого самолета. «Этот результат меня удивил, — говорит Тан. «Это означает, что если бы мы могли увеличить мощность микроволн и поток сжатого воздуха на входе до стандарта реального реактивного двигателя, мы могли бы иметь такую ​​​​же силу реактивного движения, используя только электричество и воздух, но не ископаемое топливо».

Если воздушные плазменные струи когда-нибудь станут практичными, они могут сократить использование ископаемого топлива и выбросы парниковых газов, говорят исследователи.По данным Агентства по охране окружающей среды США, на долю самолетов приходится 12 процентов транспортных выбросов в США и 3 процента от общего объема производства парниковых газов в стране. В 2018 году авиация во всем мире произвела 2,4 % от общего объема выбросов углекислого газа.

«Мы очень рады, что нам нужны только электричество и воздух, — говорит Тан. «Нам не нужно ископаемое топливо для питания реактивного двигателя».

Принципиальная схема прототипа микроволнового воздушно-плазменного двигателя и изображения яркой плазменной струи при различных мощностях микроволн.Это устройство состоит из источника питания микроволн, воздушного компрессора, сжатого микроволнового волновода и воспламенителя пламени. Плазменные реактивные двигатели, которые могут доставить вас с земли в космос

Сандрин Керстемон

Полет на плазменном самолете

Future Workshop Electrofluidsystems ТУ Берлин

ЗАБУДЬТЕ о топливных реактивных двигателях. Мы находимся на пороге появления самолетов, которые могут летать от земли до края космоса, используя только воздух и электричество.

Традиционные реактивные двигатели создают тягу, смешивая сжатый воздух с топливом и воспламеняя его. Горящая смесь быстро расширяется и выбрасывается из задней части двигателя, толкая его вперед.

Вместо топлива плазменные реактивные двигатели используют электричество для создания электромагнитных полей. Они сжимают и возбуждают газ, такой как воздух или аргон, в плазму — горячее, плотное ионизированное состояние, подобное тому, что находится внутри термоядерного реактора или звезды.

Плазменные двигатели

застряли в лаборатории в течение последнего десятилетия или около того. И исследования их в основном ограничивались идеей запуска спутников в космос.

Беркант Гёксель из Берлинского технического университета и его команда теперь хотят установить плазменные двигатели на самолеты. «Мы хотим разработать систему, которая сможет работать на высоте более 30 километров, куда не доберутся стандартные реактивные двигатели», — говорит он. Они могли бы даже доставить пассажиров на край атмосферы и за ее пределы.

Задача состояла в том, чтобы разработать воздушно-реактивный плазменный двигатель, который можно было бы использовать как для взлета, так и для полетов на большой высоте.

Плазменные реактивные двигатели, как правило, предназначены для работы в вакууме или при низком давлении, характерном для высоких атмосфер, где им потребуется подача газа. Но теперь команда Гёкселя протестировала устройство, способное работать на воздухе при давлении в одну атмосферу ( Journal of Physics Conference Series , doi.org/b66g). «Мы первыми стали производить быстрые и мощные плазменные струи на уровне земли», — говорит Гёксель.«Эти струи плазмы могут развивать скорость до 20 километров в секунду».

Команда использовала быстрый поток электрических разрядов длительностью в наносекунды, чтобы воспламенить двигательную смесь. Аналогичный метод используется в двигателях внутреннего сгорания с импульсной детонацией, что делает их более эффективными, чем стандартные двигатели, работающие на топливе.

Впервые применили импульсную детонацию к плазменным двигателям. Джейсон Кассибри из Университета Алабамы в Хантсвилле впечатлен. «Это может значительно увеличить дальность полета любого самолета и снизить эксплуатационные расходы», — говорит он.

Но есть несколько препятствий, которые необходимо преодолеть, прежде чем технология сможет привести в движение настоящий самолет. Для начала команда протестировала мини-двигатели длиной 80 миллиметров, а коммерческому авиалайнеру для полета потребуется около 10 000 таких двигателей, что делает нынешнюю конструкцию слишком сложной для самолетов такого размера. На данный момент команда Гёкселя планирует нацеливаться на небольшие самолеты и дирижабли. Для небольшого самолета было бы достаточно от 100 до 1000 двигателей, что, по мнению команды, возможно.

Однако самым большим ограничением является отсутствие легких аккумуляторов.Для производства и поддержания плазмы требуется огромное количество электроэнергии. «Для множества двигателей потребуется небольшая электрическая силовая установка, которую невозможно установить на самолет с современными технологиями», — говорит Дэн Лев из Израильского технологического института Технион. Источник питания также является препятствием для увеличения размеров отдельных двигателей. Это уменьшит количество, необходимое для приведения в движение самолета, но для каждого из них потребуется больше энергии.

Гёксель надеется на прорыв в компактных термоядерных реакторах для питания своей системы.По его словам, другими возможными вариантами могут быть солнечные батареи или беспроводная передача энергии двигателям.

Тем временем он изучает гибридные самолеты, в которых его плазменный двигатель будет сочетаться с импульсно-детонационными двигателями внутреннего сгорания или ракетами для экономии топлива.

Эта статья появилась в печати под заголовком «Реактивные плазменные двигатели могут доставить вас в космос»

Еще на эту тему:

Новый пространственный плазменный двигатель для более эффективных и продолжительных космических полетов

Кредит: UC3M

Исследователи из Мадридского университета Карла III (Universidad Carlos III de Madrid / UC3M) запатентовали новый пространственный плазменный двигатель, способный приводить в движение спутники и космические корабли, с геометрией и конфигурацией магнитного поля, которые минимизируют потери на стенках и их эрозию, тем самым решение вопросов экономичности, долговечности и эксплуатационных ограничений двигателей, находящихся в настоящее время на орбите.

Современные плазменные двигатели потребляют меньше топлива, чем ракеты с химическим сжиганием, что позволяет им выполнять более легкие космические миссии и, следовательно, менее дорогостоящие. Однако есть проблемы со сложностью и долговечностью: для работы им нужны металлические электроды, контактирующие с плазмой, которые со временем разрушаются до такой степени, что устройство перестает работать. «Это ограничивает его эффективность и гибкость, поскольку изменить точку срабатывания без воздействия на электроды очень сложно», — пояснил Марио Мерино, исследователь из отдела биоинженерии и аэрокосмической инженерии UC3M.

Недавно для решения части этих проблем было разработано новое семейство безэлектродных плазменных двигателей. Тем не менее, как зарождающаяся технология, она приносит с собой некоторые другие проблемы. «Эти двигатели имеют цилиндрическую ионизационную камеру, открытую с одной стороны, где плазма разгоняется за счет приложенного магнитного поля. Недостатком является то, что магнитное поле также отбрасывает часть плазмы к задней стенке ионизационной камеры, что приводит к снижению эффективности», — отметил Мерино.

В новом запатентованном UC3M двигателе эта проблема решается изменением его конструкции: вместо цилиндрической камеры он имеет U-образную ионизационную камеру и разработанное в соответствии с ней магнитное поле, что минимизирует потери плазмы на стенках. «Две стороны буквы «U» выбрасывают потоки плазмы в форме, которую мы окрестили «двойным магнитным соплом», — продолжил Мерино.

Этот двигатель решит проблемы эффективности и долговечности существующих в настоящее время космических двигателей и обеспечит большую гибкость миссии за счет магнитного отклонения потока плазмы без необходимости использования подвижных частей.Кроме того, он удовлетворит потребности в двигательной установке при выполнении космических миссий на различных околоземных орбитах, таких как орбита Луны или Марса, менее дорогостоящим, более эффективным и долговечным способом.

Ссылка: «Motor espacial de Plasma sin electrodos con geometría en U» М. Мерино, патент PCT ES2733773 (2019), Патентное ведомство Испании .
Патент ES2733773A1

Электрический микроволновый плазменный двигатель может конкурировать с традиционными реактивными двигателями

Китайская команда продемонстрировала прототип микроволнового плазменного двигателя, способного работать в атмосфере Земли и производить тягу с эффективностью, сравнимой с реактивными двигателями, которые вы найдете на современных авиалайнерах – в лабораторных условиях.

Плазменные двигатели уже работают на космических кораблях в качестве средства солнечно-электрического передвижения с использованием ксеноновой плазмы, но такие вещи бесполезны в атмосфере Земли, так как ускоренные ионы ксенона теряют большую часть своей силы тяги из-за трения о воздух. Не говоря уже о том, что они создают лишь небольшую тягу.

Эта конструкция, задуманная и построенная группой из Института технических наук Уханьского университета, использует только воздух и электричество и, по-видимому, дает впечатляющий толчок, благодаря которому она может найти применение в электрических самолетах.

Устройство работает за счет ионизации воздуха для создания низкотемпературной плазмы, которая нагнетается в трубку воздушным компрессором. На полпути вверх по трубе в плазму попадает мощная микроволновая печь, которая сильно сотрясает ионы в плазме, разбивая их о другие неионизированные атомы и значительно повышая температуру и давление плазмы. Эта температура и давление создают значительную тягу вверх по трубе.

В конструкции двигателя используется воздушный компрессор для создания начальной скорости воздуха, затем воздух ионизируется в плазму и нагревается до высоких температур и давлений с помощью мощной микроволновой печи

Dan Ye, Jun Li and Jau Tang

Часть секретного соуса здесь заключается в плоском волноводе, через который запускаются микроволны.Микроволны, генерируемые магнетроном мощностью 1 кВт и 2,45 ГГц, направляются по волноводу, который сжимается до половины своей высоты по мере приближения к плазменной трубке. Это делается для того, чтобы повысить напряженность электрического поля и передать плазме как можно больше тепла и давления.

Исследователи заметили, что при постоянном потоке воздуха от компрессора факел пламени в трубке удлинялся при увеличении мощности микроволн. Они попытались измерить создаваемую тягу, что оказалось трудным, поскольку струя плазмы с температурой в тысячу градусов разрушила бы обычный барометр.

Вместо этого они остановились на уравновешивании полого стального шарика на верхней части трубы, который можно было заполнить меньшими стальными шариками, чтобы изменить его вес. При определенном весе тяга будет противодействовать гравитационным силам, тянущим мяч вниз, и начнет отрывать его от трубы, заставляя его двигаться и прыгать, и исследователи использовали эти измерения, за вычетом тяги, создаваемой воздушным компрессором, для работы. насколько сильно их новый плазменный двигатель толкал.

Температура в тысячи градусов поджарила бы обычную барометрическую систему измерения, поэтому исследователи использовали плазменные двигатели, чтобы поднять груз стального шарика на конце плазменной трубки, измерив вес, который мог поднять каждый уровень мощности и потока воздуха.

Dan Ye, Jun Li и Джау Тан

Они проверили это в диапазоне уровней мощности и скорости воздушного потока, и, несмотря на несколько импровизированный метод измерения, они обнаружили линейную зависимость между тягой двигателя и мощностью микроволн и воздушным потоком.

С точки зрения эффективности, тяговая сила при 400 Вт и 1,45 кубических метрах воздуха в час составляла 11 ньютонов, что представляет собой преобразование мощности в тягу со скоростью 28 Н/кВт. Предполагая линейную экстраполяцию, команда предположила, что она может взять батарею Tesla Model S, способную выдавать 310 кВт, и превратить ее в что-то вроде движущей силы 8500 Н.

Для сравнения, в электрическом самолете Airbus E-Fan используется пара канальных электрических вентиляторов мощностью 30 кВт, которые вместе создают тягу 1500 Н.Это означает эффективность 25 Н/кВт, что не так хорошо, как у первого прототипа, собранного в этой лаборатории. Исследователи говорят, что эффективность тяги уже «сопоставима с реактивными двигателями коммерческих самолетов».

Исследователи говорят, что работают над тем, чтобы отказаться от своего метода тестирования стальных шариков в пользу чего-то более надежного и точного, а также пытаются повысить эффективность конструкции. Но все выглядит многообещающе для этой новой идеи плазменного двигателя в электрических двигателях самолета, с несколькими важными оговорками.

Во-первых, это не будет большой отбивной в качестве замены реквизита или канальных вентиляторов на eVTOL, независимо от того, насколько тише он может быть, если эта плазма выходит при тысячеградусных температурах. А во-вторых, как указано в этом превосходном анализе Ars Technica, «потоки воздуха примерно в 15 000 раз ниже, чем у полноразмерного двигателя. Тяга также должна масштабироваться примерно на четыре порядка (имеется в виду мощность Экстраполяция линейных трендов на четыре порядка — хороший способ разочароваться в жизни.»

Лабораторные результаты показывают линейное увеличение тяги как с воздушным потоком, так и с микроволновой мощностью, хотя точки данных не включают максимальную мощность при самом высоком воздушном потоке

Dan Ye, Jun Li и Jau Tang

Кроме того, по какой-то причине точки данных не показывают самые высокие уровни мощности микроволн при самых высоких скоростях полета, которые, по-видимому, позволяет испытательная установка, сигнализируя о том, что в лаборатории уже начинают происходить странности.

И, наконец, даже если он столь же эффективен или более эффективен, чем обычный старый двигатель Airbus при заданном количестве подводимой энергии, факт остается фактом: авиационное топливо несет гораздо больше энергии при заданном весе, чем аккумуляторы (в 43 раза больше, Согласно The Verge), повышение эффективности двигателя едва ли дает каплю в море.

Тем не менее, это интересная и новая конструкция плазменного двигателя, и нам интересно посмотреть, что из этого выйдет. Если он действительно окажется масштабируемым и эффективным вплоть до уровней, удобных для самолетов, он может внести реальный вклад в развивающуюся область электрической авиации с нулевым уровнем местных выбросов.

Посмотрите на короткое видео ниже, как работает прототип, на котором явно двигается этот стальной шар.