Parimi i funksionimit të motorit me jon plazma. Motori i raketave plazma është një zhvillim i ri rus. Vlerat eksperimentale duke përdorur një shembull

Meteor-10, i lëshuar më 29 dhjetor 1971 në një orbitë sinkrone me kusht (që bëri të mundur kalimin mbi të njëjtat pika në sipërfaqen e tokës në intervale të caktuara) ishte sateliti më i zakonshëm i motit. Por vetëm në shikim të parë: në bord, përveç sistemit të zakonshëm të orientimit, kishte edhe dy motorë të tjerë eksperimentalë.

Njëri prej tyre, i quajtur pas perëndisë greke të erës perëndimore - "Zephyr", punoi vetëm për rreth një orë dhe nuk mori zhvillim të mëtejshëm. Por i dyti, i quajtur pas zotit të erërave - "Eol-1", i zhvilluar nga një grup punonjësish të IAE (Instituti i Energjisë Atomike) nën udhëheqjen e Alexey Ivanovich Morozov dhe i prodhuar nga Byroja e Dizajnit të Kaliningradit "Fakel" , shënoi fillimin e një drejtimi të tërë hapësinor - motorët plazma.

Historia e motorëve të plazmës filloi në vitin 1950, kur një i diplomuar në departamentin e fizikës në Universitetin Shtetëror të Moskës, Alexei Morozov, u caktua nga komiteti i partisë për të dhënë mësime mekanike dhe inxhinieri elektrike në shkollën teknike të fshatit të fabrikës së Lyudinovo në juglindje të Rajoni Kaluga. Arsyeja është e thjeshtë: babai i Morozov ishte i shtypur dhe askush nuk mori parasysh as specializimin e tij (teoria kuantike e fushës) dhe as kërkesat e përsëritura të mbikëqyrësit të tij shkencor, dekanit të departamentit të fizikës Arseniy Aleksandrovich Sokolov, për ta lënë atë në departament.

Mësuesit e fizikës në ato vite shpesh u kërkuan të jepnin leksione mbi energjinë atomike, dhe Morozov nuk ishte përjashtim. Një ditë të vitit 1953, ai po kthehej në Ljudinovo nga një ligjëratë e ngjashme në fshatin Rroi i Zi. “Jo shumë kohë më parë, lexova librin e Goodman-it për bazat e energjisë bërthamore. Kishte një diagram të një rakete bërthamore - gazi kaloi nëpër zonën aktive dhe u nxeh. Unë u mahnita nga sa joefikas është ky dizajn - nga njëra anë, energjia bërthamore, dhe nga ana tjetër, është thjesht një motor nxehtësie! - kujton Alexey Ivanovich. "Dhe ndërsa po ecja 12 km përgjatë gjumit për në Lyudinovo, m'u kujtuan eksperimentet me forcën Ampere dhe spiralen Thomson, të cilat ua tregova nxënësve në shkollë dhe më lindi ideja - pse të mos përshpejtoni lëngun e punës me një fushë magnetike?”

Llogaritjet teorike treguan se kjo ishte mjaft e mundur, dhe Morozov vendosi të kryejë një eksperiment. Pasi bëri një "tullë" nga çimento azbesti, ai shpoi dy vrima në të në mënyrë tërthore. Ai futi dy shufra karboni nga bateritë në një nga anët e ndryshme dhe vendosi dy pole të një elektromagneti të fuqishëm në krye dhe në fund të shiritit. Në gjendje normale, plazma e formuar gjatë djegies së harkut fluturoi me një fërshëllimë të lehtë nga të dy anët e vrimës së dytë, por sapo u ndez elektromagneti, rrjedha filloi të rrihte në një drejtim me një zhurmë të tmerrshme. .

Një SPD është një elektromagnet unazor, në hendekun e të cilit vendoset një dhomë qeramike. Anoda ndodhet në fund të dhomës. Jashtë, afër prerjes së kanalit të motorit, ka dy katodë-neutralizues. Ksenoni i punës futet në dhomë dhe jonizohet pranë anodës. Jonet përshpejtohen në energji elektrike. fushë dhe fluturojnë jashtë motorit, duke krijuar shtytje jet. Ngarkesa e tyre hapësinore neutralizohet nga elektronet e furnizuara nga neutralizuesi i katodës.

Në 1955, Morozov shkroi një artikull "Për mundësinë e krijimit të motorëve elektrikë të plazmës", por mbikëqyrësi i tij shkencor, pasi e lexoi, dha këshilla të mira: "Një artikull i tillë do të klasifikohet menjëherë. Është më mirë ta ndryshojmë emrin në diçka më neutrale”. Si rezultat, një artikull u botua në JETP (Journal of Experimental and Theoretical Physics) me titull "Mbi nxitimin e plazmës nga një fushë magnetike". Ai u rishikua nga kreu i departamentit të kërkimit të plazmës në Institutin e Energjisë Atomike, Lev Artsimovich. Teoria e përshkruar në artikullin e Morozov u pasqyrua më vonë në artikullin e vetë Artsimovich mbi armën hekurudhore (vetëm Morozov kishte një fushë magnetike konstante, ndërsa Artsimovich kishte një fushë elektrodinamike).

Publikimi shkaktoi një jehonë të madhe në mesin e specialistëve, madje u diskutua dy herë në një takim të Shoqatës Amerikane të Fizikës.

Në 1955, Morozov mbrojti disertacionin e tij, dhe në 1957 u ftua të punonte në Institutin e Energjisë Atomike. Nga fundi i viteve 1950, sukseset e BRSS në hapësirë ​​frymëzuan projektuesit që t'i kushtonin vëmendje disa projekteve hapësinore në shkallë të gjerë. Madje ishte planifikuar të fluturonte në Mars, dhe për këtë arsye më 2 korrik 1959, Lev Artsimovich thirri punonjësit e tij për një takim. Tema e diskutimit ishte mundësia e ndërtimit të motorëve për një anije marsiane. Artsimovich propozoi karakteristikat e mëposhtme për një sistem të tillë: shtytje prej rreth 10 kgf, shpejtësi shkarkimi prej 100 km/s me një fuqi motori prej 10 MW.

Punonjësit e IAE propozuan disa projekte: një motor pulsi plazma (A.M. Andrianov), një analog magnetik-plazmatik i hundës Laval (A.I. Morozov) dhe një motor të bazuar në një burim jonesh me një çarje, pothuajse i njëjtë me atë që përdoret për ndarjen elektromagnetike të izotopet (Pavel Matveevich Morozov, adash i Alexei Ivanovich).

Nga rruga, të gjitha këto projekte u zbatuan më vonë në një formë ose në një tjetër. Motori i erozionit plazmatik (versioni i pulsit) Andrianov me fuqi dukshëm më të ulët u instalua në një nga satelitët dhe u lëshua në hapësirë ​​në 1964, dhe motori jonik P.M. Morozov, nën emrin "Zefir" (gjithashtu me fuqi të ulët), qëndroi në të njëjtin satelit "Meteor-10". Eksperimentet me një analog magnetik të një hundë Laval me një trup qendror (vetë zhvilluesit e quajtën atë "koaksial") janë kryer që nga viti 1960, por dizajni doli të ishte kompleks, dhe ai u ndërtua vetëm në 1980 me përpjekjet e përbashkëta të IAE, Instituti i Fizikës dhe Teknologjisë në Kharkov, TRINITI dhe Instituti i Fizikës Bjellorusi. Fuqia e këtij përbindëshi ishte 10 GW!

Sidoqoftë, këto projekte nuk ishin të përshtatshme për programin Mars për një arsye të thjeshtë: projektuesit atëherë nuk kishin burime energjie me fuqi të përshtatshme. Ky problem është ende i rëndësishëm sot: maksimumi në të cilin mund të mbështeteni është dhjetëra kilovat. Ishte e nevojshme të kalonte në një shkallë të vogël.

Georgy Grodzovsky (TsAGI) ishte një nga të parët që projektoi motorë raketash elektrike me fuqi të ulët në vendin tonë. Që nga viti 1959, motorët e tij jonikë janë testuar në hapësirë ​​(megjithëse jo në satelitë, por në raketa balistike). Në vitin 1957 M.S. Ioffe dhe E.E. Jushmanov filloi të hulumtonte një kurth plazmatik magnetik (të ashtuquajtur pasqyrë). Për ta mbushur atë me plazmë të nxehtë (10 milionë gradë), ata përdorën përshpejtimin e joneve në fushat elektrike dhe magnetike të kryqëzuara. Kjo punë shërbeu si themeli për krijimin e një numri motorësh plazma.

Në vitin 1962, Alexei Morozov propozoi dizajnin e tij të një motori plazma me fuqi të ulët, të quajtur SPD (motor i palëvizshëm i plazmës). Një tipar thelbësor i rëndësishëm i SPT ishte se madhësia e fushës magnetike u rrit drejt fundit të kanalit të motorit - kjo siguroi krijimin e një fushe elektrike vëllimore në plazmë. E gjithë ideja e motorit u ndërtua pikërisht mbi ekzistencën e një fushe të tillë.

Motorët më të thjeshtë elektrikë të raketave e ngrohin gazin përpara se të lëshojnë një hark elektrik (arcjet) ose një tela të nxehtë - rezistojet. Ato gjenden gjithashtu në kohën tonë - dizajni i tyre është i thjeshtë, i lirë dhe i besueshëm. Vërtetë, efikasiteti, shpejtësia e shkarkimit dhe shtytja janë të ulëta. Amerikani G. Kaufman konsiderohet si pionieri i motorëve jonikë. Dizajni i tij përdor jonizimin e shkarkimit të harkut, dhe jonet më pas përshpejtohen nga një fushë elektrostatike në një sistem jono-optik.

“Townsend fillimisht vuri në dukje mundësinë e ekzistencës së fushave elektrike vëllimore në plazmë në vitin 1910, por për 50 vjet përpjekjet për të krijuar një fushë të tillë ishin të pasuksesshme. Në atë kohë, besohej se meqenëse plazma është një përcjellës, nuk mund të krijohet një fushë në të. Në fakt, është vërtet e pamundur të krijohet një fushë elektrike vëllimore në një plazmë pa një fushë magnetike - ajo është e mbrojtur për shkak të elektroneve të lira. Por në prani të një fushe magnetike, e cila ndikon në lëvizjen e elektroneve, mund të ekzistojnë fusha elektrike vëllimore në plazmë.

Grupi A.I. Morozova filloi të studionte SPD në 1962. Për gati pesë vjet motori ekzistonte në një version laboratorik - në 1967 modeli ishte ende i pajisur me ftohje uji. Ishte koha për të filluar testet e fluturimit dhe hapësirës, ​​por në këtë fazë zhvilluesit hasën në një problem të papritur. Dizajnerët e anijeve hapësinore refuzuan kategorikisht të vendosnin ndonjë gjë elektrike në bord! Drejtori i IAE, Akademiku Alexandrov, u takua disa herë me projektues të anijeve të ndryshme kozmike dhe më në fund arriti të arrinte marrëveshje me Iosifyan, projektuesin kryesor të satelitëve të serisë Meteor.

Megjithatë, problemet nuk mbaruan me kaq. Në vitin 1969, Iosifyan lëshoi ​​një detyrë teknike për grupin e zhvillimit, sipas të cilit ata duhej të bënin jo vetë motorin, por të gjithë instalimin, përfshirë sistemin e furnizimit me energji elektrike, furnizimin me ksenon, etj. Në të njëjtën kohë, ishte e nevojshme të ruheshin brenda kufijve shumë të rreptë: shtytje 2 gf, efikasitet 30-40%, konsumi i energjisë 400 W, pesha 15 kg, jeta e shërbimit 100 orë. Dhe e gjithë kjo duhej të bëhej në 5 muaj! Grupi i Morozov punoi fjalë për fjalë ditë e natë, por ata ia dolën. Prodhimi i sistemit të shtytjes iu besua Byrosë së Dizajnit të Kaliningradit "Fakel", drejtori i së cilës në atë kohë ishte projektuesi i talentuar Roald Snarsky. Disa ditë pas lëshimit të Meteorit, filluan eksperimentet me motorët. "Eol-1" u instalua në satelit në atë mënyrë që boshti i shtytjes së tij të mos kalonte nëpër qendrën e masës së pajisjes. Kur motori u ndez, lindi një çift rrotullues i caktuar, i cili mund të kompensohej nga sistemi i orientimit, ndërsa shërbente edhe si matës i shtytjes për Aeolus.

Eksperimenti u ndoq nga afër jo vetëm nga krijuesit e motorit, por edhe nga skeptikët, nga të cilët kishte mjaft. "Eol-1" duhej të punonte vetëm për disa minuta, pastaj të fiket automatikisht (projektuesit kishin frikë se avioni i plazmës do të bllokonte sinjalin e radios). Motori bëri punën e tij dhe u fiku. Pas monitorimit me radio të orbitës, rezultoi se rezultatet korrespondonin saktësisht me të dhënat laboratorike. Vërtetë, skeptikët nuk u qetësuan dhe parashtruan hipotezën se ndryshimi në orbitë u shkaktua nga rrjedhja e zakonshme e gazit përmes një valvule të hapur. Por ky supozim nuk u konfirmua: pas aktivizimit të dytë me komandë nga Toka, motori punoi për 170 orë të tjera, duke e ngritur orbitën e Meteor-10 me 15 km. OKB Fakel e përballoi detyrën e saj në mënyrë të përsosur: jeta e shërbimit pothuajse u dyfishua.

Këtë vit, Electric Rocket Propulsion Society (ERPS) vendosi të festojë një shekull kërkimi në këtë fushë (1906-2006) dhe vendosi një çmim të veçantë - Medaljen për Përsosmëri në fushën e Propulsionit Elektrik. Alexey Ivanovich Morozov ishte ndër gjashtë të parët e shpërblyer. Pesë të tjerët janë E. Stuhlinger, G. Kaufman dhe R. Yang (SHBA), G. Loeb (Gjermani) dhe K. Kuriki (Japoni).

Në fillim të viteve 1980, Fakel filloi prodhimin masiv të motorëve SPD-70 - pasardhësit e Eols. Sateliti i parë me këtë motor, Geyser No. Sidoqoftë, megjithëse raporti mbi testimin e suksesshëm të motorit plazmatik Aeolus në 1974 u botua plotësisht hapur në revistën Space Research, projektuesit e huaj e konsideruan SPD-në vetëm një zhvillim teorik interesant. Prandaj, demonstrimi para përfaqësuesve të NASA dhe JPL në 1991 të motorëve Fakel në punë dhe mesazhi se satelitët e prodhimit ishin të pajisur me të tillë u shkaktuan atyre një tronditje të vërtetë (amerikanët kryesisht ndoqën rrugën e zhvillimit të motorëve jonikë).

Nuk është për t'u habitur që Fakel tani konsiderohet prodhuesi kryesor në botë i motorëve plazma të raketave elektrike. "Çdo satelit i tretë rus ka motorin tonë dhe tre nga pesë prodhuesit më të mëdhenj perëndimorë të anijeve kozmike blejnë SPD nga ne," tha Vyacheslav Mikhailovich Murashko, drejtor dhe dizajner i përgjithshëm i Byrosë së Dizajnit Fakel. "Për shembull, satelitët MBSat-1, Intelsat-X-02, Inmarsat-4F1 janë të pajisur me to." Kur dërgoi satelitin e saj SMART-1 në Hënë, Agjencia Evropiane e Hapësirës zgjodhi motorët plazma PPS-1350 për të, një zhvillim i përbashkët i kompanisë franceze Snecma Moteurs, Fakel Design Bureau dhe MIREA.

Çfarë na pret në të ardhmen e afërt? Në vitet 1980, një grup në MIREA zhvilloi motorin e gjeneratës së ardhshme, SPD Aton. Divergjenca e rrezes së plazmës në SPD-100 është +/- 45 gradë, efikasiteti është 50%, dhe karakteristikat përkatëse të SPD Aton janë +/- 15 gradë dhe 65%! Nuk është ende në kërkesë, si motori ynë tjetër, SPD Max me dy faza me një gjeometri të modifikuar të fushës - projektuesit aktualisht po mjaftohen me SPD-100 më të thjeshtë. Hapësira e thellë kërkon motorë në shkallën 10-100 kW ose edhe MW. Zhvillime të ngjashme tashmë ekzistojnë - në 1976, IAE bëri një motor me fuqi 30 kW, dhe Fakel në fund të viteve 1980 zhvilloi SPD-290 me një fuqi prej 25 kW për tërheqjen hapësinore Hercules. Në çdo rast, teoria e motorëve të tillë është ndërtuar, kështu që brenda kornizës së skemës klasike SPD është mjaft e mundur të rritet fuqia në 300 kW. Por atëherë mund t'ju duhet të kaloni në modele të tjera. Për shembull, për një përshpejtues hidrogjeni me dy lente i zhvilluar në Institutin e Energjisë Atomike në fund të viteve 1970. Kjo makinë kishte një fuqi prej 5 MW dhe një shpejtësi shkarkimi prej 1000 km/s. Në çdo rast, anijet ndërplanetare do të kenë motorë plazma.

Rishikimi i përgatitur në bazë të materialeve: Mekanika Popullore

Origjinali i marrë nga

Motorët modernë të raketave bëjnë një punë të mirë për lëshimin e pajisjeve në orbitë, por janë plotësisht të papërshtatshëm për udhëtime afatgjata në hapësirë. Prandaj, për dekada tani, shkencëtarët kanë punuar në krijimin e motorëve alternativë hapësinore që mund të përshpejtojnë anijet për të regjistruar shpejtësi. Le të shohim shtatë ide kryesore nga kjo fushë.

EmDrive

Për të lëvizur, duhet të largoheni nga diçka - ky rregull konsiderohet një nga shtyllat e palëkundshme të fizikës dhe astronautikës. Çfarë saktësisht duhet të largoni - toka, uji, ajri apo një rrymë gazi, si në rastin e motorëve të raketave - nuk është aq e rëndësishme.

Një eksperiment i njohur mendimi: imagjinoni që një astronaut ka shkuar në hapësirën e jashtme, por kablloja që e lidh atë me anijen kozmike prishet papritmas dhe personi fillon të fluturojë ngadalë. Gjithçka që ai ka është një kuti veglash. Cilat janë veprimet e tij? Përgjigja e saktë: ai duhet të hedhë mjetet larg nga anija. Sipas ligjit të ruajtjes së momentit, personi do të hidhet nga mjeti saktësisht me të njëjtën forcë me të cilën mjeti hidhet larg nga personi, kështu që ai gradualisht do të lëvizë drejt anijes. Ky është shtytja e avionëve - e vetmja mënyrë e mundshme për të lëvizur në hapësirën e jashtme të zbrazët. Vërtetë, EmDrive, siç tregojnë eksperimentet, ka disa shanse për të hedhur poshtë këtë deklaratë të palëkundur.

Krijuesi i këtij motori është inxhinieri britanik Roger Schaer, i cili themeloi kompaninë e tij Satellite Propulsion Research në 2001. Dizajni i EmDrive është shumë ekstravagant dhe ka formë si një kovë metalike, e mbyllur në të dy skajet. Brenda kësaj kovë ka një magnetron që lëshon valë elektromagnetike - njësoj si në një mikrovalë të zakonshme. Dhe rezulton të jetë e mjaftueshme për të krijuar një shtytje shumë të vogël, por mjaft të dukshme.

Vetë autori shpjegon funksionimin e motorit të tij përmes ndryshimit të presionit të rrezatimit elektromagnetik në skajet e ndryshme të "kovës" - në skajin e ngushtë është më pak se në atë të gjerë. Kjo krijon një shtytje të drejtuar drejt skajit të ngushtë. Mundësia e funksionimit të tillë të motorit është diskutuar më shumë se një herë, por në të gjitha eksperimentet, instalimi i Schaer tregon praninë e shtytjes në drejtimin e synuar.

Ndër eksperimentuesit që kanë testuar "kovën" e Schaer janë organizata të tilla si NASA, Universiteti Teknik i Dresdenit dhe Akademia Kineze e Shkencave. Shpikja u testua në kushte të ndryshme, duke përfshirë në vakum, ku tregoi praninë e një shtytjeje prej 20 mikronjutonësh.

Kjo është shumë pak në krahasim me motorët e avionëve kimikë. Por, duke pasur parasysh se motori i Shaer-it mund të funksionojë pafundësisht, pasi nuk kërkon furnizim me karburant (magnetroni mund të mundësohet nga panelet diellore), ai është potencialisht i aftë të përshpejtojë anijet kozmike në shpejtësi të mëdha, të matura si përqindje e shpejtësisë së dritës.

Për të vërtetuar plotësisht performancën e motorit, është e nevojshme të kryhen shumë më tepër matje dhe të shpëtojmë nga efektet anësore që mund të krijohen, për shembull, nga fushat magnetike të jashtme. Sidoqoftë, shpjegime të mundshme alternative për shtytjen anormale të motorit Shaer tashmë janë paraqitur, gjë që, në përgjithësi, shkel ligjet e zakonshme të fizikës.

Për shembull, janë paraqitur versione që motori mund të krijojë shtytje për shkak të ndërveprimit me vakumin fizik, i cili në nivelin kuantik ka energji jo zero dhe është i mbushur me grimca elementare virtuale që shfaqen dhe zhduken vazhdimisht. Në të ardhmen e afërt do të zbulojmë se kush do të ketë të drejtë përfundimisht - autorët e kësaj teorie, vetë Shaer apo skeptikë të tjerë.

Vela diellore

Siç u përmend më lart, rrezatimi elektromagnetik ushtron presion. Kjo do të thotë që, teorikisht, mund të shndërrohet në lëvizje - për shembull, duke përdorur një vela. Ashtu si anijet e shekujve të kaluar kapnin erën në velat e tyre, anija kozmike e së ardhmes do të kapte diellin ose çdo dritë tjetër yje në velat e saj.

Problemi, megjithatë, është se presioni i dritës është jashtëzakonisht i ulët dhe zvogëlohet me rritjen e distancës nga burimi. Prandaj, për të qenë efektive, një vela e tillë duhet të ketë një peshë shumë të vogël dhe një sipërfaqe shumë të madhe. Dhe kjo rrit rrezikun e shkatërrimit të të gjithë strukturës kur ndeshet me një asteroid ose objekt tjetër.

Përpjekjet për të ndërtuar dhe lëshuar varka me vela diellore në hapësirë ​​tashmë kanë ndodhur - në 1993, Rusia testoi një vela diellore në anijen kozmike Progress, dhe në vitin 2010, Japonia kreu teste të suksesshme në rrugën drejt Venusit. Por asnjë anije nuk ka përdorur kurrë një vela si burimin kryesor të përshpejtimit. Një projekt tjetër duket disi më premtues në këtë drejtim - një vela elektrike.

Vela elektrike

Dielli lëshon jo vetëm fotone, por edhe grimca të materies të ngarkuara elektrike: elektrone, protone dhe jone. Të gjitha ato formojnë të ashtuquajturën erë diellore, e cila çdo sekondë largon rreth një milion ton lëndë nga sipërfaqja e yllit.

Era diellore udhëton mbi miliarda kilometra dhe është përgjegjëse për disa fenomene natyrore në planetin tonë: stuhitë gjeomagnetike dhe dritat veriore. Toka është e mbrojtur nga era diellore nga fusha e saj magnetike.

Era diellore, si era e ajrit, është mjaft e përshtatshme për udhëtime, thjesht duhet ta bëni atë të fryjë në vela. Projekti i velave elektrike, i krijuar në vitin 2006 nga shkencëtari finlandez Pekka Janhunen, ka pak të përbashkëta me lundrimin diellor. Ky motor përbëhet nga disa kabllo të gjata të hollë, të ngjashme me foletë e një rrote pa buzë.

Falë një arme elektronike që lëshon kundër drejtimit të lëvizjes, këto kabllo fitojnë një potencial të ngarkuar pozitivisht. Meqenëse masa e një elektroni është afërsisht 1800 herë më e vogël se masa e një protoni, shtytja e krijuar nga elektronet nuk do të luajë një rol themelor. Elektronet e erës diellore gjithashtu nuk janë të rëndësishme për një vela të tillë. Por grimcat e ngarkuara pozitivisht - protonet dhe rrezatimi alfa - do të zmbrapsen nga kabllot, duke krijuar kështu një shtytje jet.

Edhe pse kjo shtytje do të jetë rreth 200 herë më e vogël se ajo e një vela diellore, Agjencia Evropiane e Hapësirës ishte e interesuar. Fakti është se një vela elektrike është shumë më e lehtë për t'u projektuar, prodhuar, vendosur dhe operuar në hapësirë. Përveç kësaj, me ndihmën e gravitetit, vela gjithashtu lejon udhëtimin drejt burimit të erës yjore, dhe jo vetëm prej saj. Dhe meqenëse sipërfaqja e një vela të tillë është shumë më e vogël se ajo e një vela diellore, ajo është shumë më pak e ndjeshme ndaj asteroidëve dhe mbeturinave hapësinore. Ndoshta do të shohim anijet e para eksperimentale me vela elektrike në vitet e ardhshme.

Motori jonik

Rrjedha e grimcave të ngarkuara të materies, domethënë joneve, emetohet jo vetëm nga yjet. Gazi i jonizuar gjithashtu mund të krijohet artificialisht. Normalisht, grimcat e gazit janë elektrikisht neutrale, por kur atomet ose molekulat e tij humbasin elektrone, ato bëhen jone. Në masën e tij totale, një gaz i tillë ende nuk ka një ngarkesë elektrike, por grimcat e tij individuale bëhen të ngarkuara, që do të thotë se ato mund të lëvizin në një fushë magnetike.

Në një motor jonik, një gaz fisnik (zakonisht ksenon) jonizohet nga një rrymë elektronesh me energji të lartë. Ata nxjerrin elektronet nga atomet dhe fitojnë një ngarkesë pozitive. Jonet që rezultojnë përshpejtohen më pas në një fushë elektrostatike në shpejtësi të rendit 200 km/s, që është 50 herë më e madhe se shpejtësia e rrjedhjes së gazit nga motorët kimikë të avionëve. Sidoqoftë, motorët modernë jonikë kanë shtytje shumë të ulët - rreth 50-100 milinewtons. Një motor i tillë as nuk do të mund të lëvizte nga tavolina. Por ka një avantazh serioz.

Impulsi i lartë specifik ju lejon të zvogëloni ndjeshëm konsumin e karburantit në motor. Për të jonizuar gazin, përdoret energjia e marrë nga panelet diellore, kështu që motori jonik mund të funksionojë për një kohë shumë të gjatë - deri në tre vjet pa ndërprerje. Në këtë periudhë kohore, ai do të ketë kohë për të përshpejtuar anijen në shpejtësi që motorët kimikë nuk i kanë ëndërruar kurrë.

Motorët jonikë kanë bredhur tashmë në hapësirat e sistemit diellor më shumë se një herë si pjesë e misioneve të ndryshme, por zakonisht si ndihmës, dhe jo si kryesorë. Sot, motorët plazma po flitet gjithnjë e më shumë si një alternativë e mundshme ndaj motorëve jonikë.

Motori plazma

Nëse shkalla e jonizimit të atomeve bëhet e lartë (rreth 99%), atëherë kjo gjendje e grumbullimit të substancës quhet plazma. Gjendja plazmatike mund të arrihet vetëm në temperatura të larta, kështu që në motorët e plazmës gazi i jonizuar nxehet në disa miliona gradë. Ngrohja kryhet duke përdorur një burim të jashtëm energjie - panele diellore ose, më realisht, një reaktor të vogël bërthamor.

Plazma e nxehtë më pas nxirret përmes grykës së raketës, duke krijuar dhjetëra herë më shumë shtytje se një motor jonik. Një shembull i një motori plazma është projekti VASIMR, i cili është zhvilluar që nga vitet 70 të shekullit të kaluar. Ndryshe nga motorët jonikë, motorët plazma nuk janë testuar ende në hapësirë, por shpresat e mëdha janë varur tek ata. Është motori i plazmës VASIMR që është një nga kandidatët kryesorë për fluturimet me pilot në Mars.

Motori me shkrirje

Njerëzit janë përpjekur të zbusin energjinë e shkrirjes termonukleare që nga mesi i shekullit të 20-të, por deri më tani nuk kanë qenë në gjendje ta bëjnë këtë. Sidoqoftë, shkrirja termonukleare e kontrolluar është ende shumë tërheqëse, sepse është një burim energjie gjigante e marrë nga karburanti shumë i lirë - izotopet e heliumit dhe hidrogjenit.

Për momentin, ka disa projekte për hartimin e një motori reaktiv të mundësuar nga energjia e shkrirjes termonukleare. Më premtuesi prej tyre konsiderohet të jetë një model i bazuar në një reaktor me izolim plazmatik magnetik. Reaktori termonuklear në një motor të tillë do të jetë një dhomë cilindrike pa presion, me përmasa 100-300 metra gjatësi dhe 1-3 metra në diametër. Dhoma duhet të furnizohet me karburant në formën e plazmës me temperaturë të lartë, e cila, nën presion të mjaftueshëm, hyn në një reaksion të shkrirjes bërthamore. Bobinat e sistemit magnetik të vendosura rreth dhomës duhet ta pengojnë këtë plazmë të kontaktojë pajisjen.

Zona e reaksionit termonuklear ndodhet përgjatë boshtit të një cilindri të tillë. Me ndihmën e fushave magnetike, plazma jashtëzakonisht e nxehtë rrjedh nëpër grykën e reaktorit, duke krijuar një shtytje të madhe, shumë herë më të madhe se ajo e motorëve kimikë.

Motori antimateries

E gjithë lënda rreth nesh përbëhet nga fermione - grimca elementare me rrotullim gjysmë të plotë. Këto janë, për shembull, kuarkët, të cilët përbëjnë protonet dhe neutronet në bërthamat atomike, si dhe elektronet. Për më tepër, çdo fermion ka antigrimcën e vet. Për një elektron ky është një pozitron, për një kuark është një antikuark.

Antigrimcat kanë të njëjtën masë dhe të njëjtën rrotullim si "shokët" e tyre të zakonshëm, që ndryshojnë në shenjën e të gjithë parametrave të tjerë kuantikë. Teorikisht, antigrimcat janë të afta të bëjnë antimaterie, por deri më tani antimateria nuk është zbuluar askund në Univers. Për shkencën themelore, është një pyetje e madhe pse nuk është atje.

Por në kushte laboratorike është e mundur të merret një sasi e caktuar e antimateries. Për shembull, kohët e fundit u krye një eksperiment për të krahasuar vetitë e protoneve dhe antiprotoneve që ishin ruajtur në një kurth magnetik.

Kur antimateria dhe lënda e zakonshme takohen, ndodh një proces i asgjësimit të ndërsjellë, i shoqëruar nga një rritje e energjisë kolosale. Pra, nëse merrni një kilogram lëndë dhe antimaterie, sasia e energjisë së lëshuar gjatë takimit të tyre do të jetë e krahasueshme me shpërthimin e "Tsar Bomba" - bomba me hidrogjen më e fuqishme në historinë e njerëzimit.

Për më tepër, një pjesë e konsiderueshme e energjisë do të çlirohet në formën e fotoneve të rrezatimit elektromagnetik. Prandaj, ekziston një dëshirë për të përdorur këtë energji për udhëtime në hapësirë ​​duke krijuar një motor fotonik, të ngjashëm me një vela diellore, vetëm në këtë rast drita do të gjenerohet nga një burim i brendshëm.

Por për të përdorur në mënyrë efektive rrezatimin në një motor reaktiv, është e nevojshme të zgjidhet problemi i krijimit të një "pasqyre" që do të jetë në gjendje të pasqyrojë këto fotone. Në fund të fundit, anija duhet disi të shtyhet në mënyrë që të krijojë shtytje.

Asnjë material modern thjesht nuk mund të përballojë rrezatimin e krijuar në rast të një shpërthimi të tillë dhe do të avullojë menjëherë. Në romanet e tyre fantastiko-shkencore, vëllezërit Strugatsky e zgjidhën këtë problem duke krijuar një "reflektues absolut". Në jetën reale, asgjë e tillë nuk është arritur ende. Kjo detyrë, si dhe çështjet e krijimit të sasive të mëdha të antimateries dhe ruajtjes së saj afatgjatë, janë një çështje e fizikës së së ardhmes.

Portali ushtarakarms.ru raporton se në vitin 2016, një aplikim iu dorëzua Fondacionit për Kërkime të Avancuara, të hartuar nga këshilli shkencor dhe teknik i NPO Energomash dhe Instituti Kombëtar i Kërkimeve Kurchatov. Aplikacioni i dedikohet zbatimit të një projekti mjaft ambicioz që do të lejojë krijimin e një motori rakete plazma pa elektrodë. Shkurtuar si BPRD. Është përcaktuar një fushë e qartë e punës për të lejuar prodhimin e një kampioni laboratorik të motorit.

Në thelbin e tij, një motor elektrik shtytës (motori elektrik i raketës) është një motor elektrik në të cilin lëngu i punës është i aftë të përftojë nxitim në një gjendje të veçantë të plazmës. Ideja origjinale e motorëve të plazmës i përket fizikanit sovjetik A. I. Morozov, ai e parashtroi atë në vitet '60. Aplikimi i sotëm i motorëve të tillë është të mbështesin pikat e pozicionimit për satelitët e komunikimit.

Gjenerata e re e motorëve plazma, të cilët do të prodhohen në Energomash, kanë një fuqi mbi 100 kW. Ato mund të përdoren jo vetëm për satelitët gjeostacionarë. Motorë të tillë janë të përshtatshëm për fluturime që karakterizohen si ndëryjore.

Vitet e fundit në botë janë shënuar nga disa zhvillime të motorëve plazma. Ata mund të klasifikohen si një gjeneratë e re. Ky është një motor plazma helikoni nga Agjencia Evropiane e Hapësirës, ​​që bashkëpunon me Agjencinë Hapësinore Iraniane dhe Universitetin Kombëtar Australian. Ky është gjithashtu zhvillimi i inxhinierëve kanadezë dhe amerikanëve nga Ad Astra Rocket Company. Motori amerikano-kanadez ka një fuqi prej 200 kW.

Mekanika popullore

Portali topwar.ru sqaroi se, sipas shërbimit për shtyp të Roscosmos. Byroja e Dizajnit të Automatikës Kimike do të marrë pjesë në zhvillimin e motorit. Faqja citon një komunikatë për shtyp nga Roscosmos: “Versioni i motorit të raketës plazma pa elektrodë që po shqyrtohet aktualisht është një gjeneratë e re e shtytjes elektrike. Ky është një motor me fuqi të lartë, substanca e punës në të cilën është në gjendje plazme. Ka efikasitet të lartë energjetik, aftësi për të përdorur pothuajse çdo substancë si lëng pune, është i aftë të ndryshojë vlerën specifike të impulsit, dhe fuqia maksimale e motorit kufizohet pothuajse ekskluzivisht nga furnizimi me energji elektrike i gjeneratorit me frekuencë të lartë. Gjithashtu, një motor i këtij lloji mund të ketë një jetë të gjatë shërbimi, pasi hiqen të gjitha kufizimet që lidhen me ndikimin e një lënde pune të ngopur me energji me elementë strukturorë, "tha shërbimi për shtyp.

Si përfundim, do të doja të them se asnjë motor i vetëm plazma për anije kozmike që ekziston në kohën tonë nuk është në gjendje të dërgojë një raketë edhe në yjet më të afërt. Kjo vlen si për pajisjet e testuara eksperimentalisht ashtu edhe për ato të llogaritura teorikisht.

Shumë shkencëtarë arrijnë në një përfundim pesimist - hendeku midis planetit tonë dhe yjeve është fatalisht i pakapërcyeshëm. Edhe për sistemin Alpha Centauri, disa përbërës të të cilit janë të dukshëm me sy të lirë nga Toka, por distanca është 39.9 trilion kilometra. Edhe në një anije kozmike të aftë për të udhëtuar me shpejtësinë e dritës, për të mbuluar këtë distancë do të duheshin rreth 4.2-4.3 vjet.

Pra, njësitë e plazmës së yjeve janë, më tepër, nga sfera e fantashkencës. Por kjo nuk e zvogëlon aspak rëndësinë e tyre! Ato përdoren si motorë manovrimi, ndihmës dhe korrigjues të orbitës. Prandaj, shpikja është plotësisht e justifikuar.

Por një njësi pulsi bërthamore, e cila përdor energjinë e shpërthimeve, ka potencial të mundshëm zhvillimi. Në çdo rast, të paktën në teori, dërgimi i një sondë automatike në sistemin më të afërt të yjeve është i mundur.

Shkarkimi midis anodës dhe katodës në një motor plazma

Berkant Goksel / Universiteti Teknik i Berlinit

Studiuesit nga Universiteti Teknik i Berlinit kanë zhvilluar dhe testuar një version të ri të motorit plazma, i cili, ndryshe nga prototipet e tjera, mund të funksionojë në presion normal dhe jo të ulët atmosferik. Puna e shkencëtarëve u botua në Revista e Fizikës: Seria e Konferencave, dhe një përmbledhje të shkurtër të saj Shkencëtar i ri. Termocentrali i ri është një lloj motori magnetoplazmodinamik që mund të përdoret potencialisht në një shumëllojshmëri të gjerë të klasave të avionëve.

Një motor plazma është një lloj motori me raketa elektrike. Në të, lëngu i punës fiton përshpejtim ndërsa është në gjendje plazmatike. Zhvillimi i sistemeve të tilla shtytëse është kryer nga organizata të ndryshme kërkimore me sukses të ndryshëm që nga vitet 1950. Në veçanti, prototipi i parë i punës i një motori plazma u krijua dhe u testua nga Qendra Kërkimore Lewis (tani Qendra Kërkimore Glenn) në 1961.

Në një motor plazma, gazi furnizohet në zonën unazore të punës, pjesa e jashtme e së cilës është anoda, dhe pjesa e brendshme, e vendosur më afër prizës, është katoda. Kur një tension konstant prej qindra voltësh aplikohet në anodë dhe katodë, në zonën e punës ndodh një shkarkesë jonizuese dhe formohet plazma. Pastaj kjo plazmë, nën ndikimin e forcës së Lorencit, fillon të lëvizë drejt daljes nga zona e punës, duke krijuar shtytje. Një motor plazma kërkon një sasi të madhe energjie për të funksionuar.

Sipas zhvilluesve, motori i tyre magnetoplazmodinamik është dukshëm më i lartë në shtytje ndaj prototipeve ekzistues më parë. Prototipi i tyre i testuar, kur shkallëzohet në madhësinë e një motori konvencional avioni, thuhet se është në gjendje të zhvillojë shtytje nga 50 në 150 kilonewton, në varësi të tensionit të aplikuar. Prototipi i testuar është një instalim me gjatësi 80 milimetra dhe diametër 14 milimetra.

Prototipi i motorit të plazmës përbëhet nga gjashtë anoda bakri të vendosura rreth katodës së bakrit në një distancë prej dy milimetrash. Fundi i katodës është bërë në formën e një koni. Gjatë testimit, studiuesit aplikuan tensione deri në 16 kilovolt në anodë dhe katodë përmes një gjeneratori pulsi me frekuencë të lartë, me tension të lartë. Tensioni i furnizuar varej nga ngarkesa e kondensatorëve përpara gjeneratorit. Kondensatorët u ngarkuan në 300, 400 dhe 500 volt.

Kur u aplikua tension në anodë dhe katodë në impulse, midis tyre u shfaqën shkarkime me një frekuencë prej 3.5 kilohertz. Falë tyre, plazma u formua në motor. Studiuesit verifikuan se termocentrali është në gjendje të prodhojë shtytje të dukshme duke përdorur një lavjerrës 55 milimetra të gjatë dhe me peshë 15 gram. Në varësi të tensionit të furnizuar në anodat dhe katodën e motorit, devijimi i lavjerrësit nga hunda varionte nga pesë në 25 gradë.

Studiuesit besojnë se në të ardhmen motorë të tillë magnetoplazmodinamikë mund të instalohen në avionë dhe termocentralet do të funksionojnë me efikasitet në të gjitha fazat: nga ngritja në fluturim në një lartësi prej 50 mijë metrash. Në të njëjtën kohë, studiuesit vërejnë se motorët plazma kërkojnë një sasi të madhe energjie, e cila nuk mund të ruhet duke përdorur bateri. Zhvilluesit besojnë se motorët e rinj të plazmës do të jenë në kërkesë kur të krijohen reaktorë kompakt termonuklear.

Duhet të theksohet se vetë motorët e raketave elektrike tashmë ekzistojnë dhe madje përdoren në satelitë. Ato krijojnë relativisht pak shtytje dhe për këtë arsye janë të përshtatshme për përdorim vetëm në hapësirë. Motorët elektrikë të raketave (lloji jonik) përfshijnë, në veçanti, shtytësin Hall të instaluar në disa modele satelitore. Testimi i një versioni të modernizuar të motorit Hall nga amerikanët në një dron orbital.

Motori Hall është një lloj motori jonik, por ndryshon nga ky i fundit në shtytje më të madhe dhe konsum më të ulët të lëngut të punës. Ksenoni përdoret si lëng pune në termocentral. Termocentrali është një dhomë unazore e vendosur midis anodës dhe katodës. Një lëng pune futet në të, i cili jonizohet nga katoda dhe anoda dhe përshpejtohet nga një fushë elektrostatike në drejtimin boshtor.

Vasily Sychev

Doktor i Shkencave Fizike dhe Matematikore A. MOROZOV.

Muzeu Politeknik i Moskës strehon një ekspozitë unike - një sistem shtytës me shtytje të ulët të mundësuar nga panele diellore, i krijuar në Institutin e Energjisë Atomike me emrin. I. V. Kurchatov nën drejtimin e profesor Alexey Ivanovich Morozov. Shtytja e avionit të këtij motori të palëvizshëm të plazmës (SPE) krijohet jo nga një rrjedhë e gazrave ose produkteve të reaksionit kimik të karburantit me një oksidues, por nga plazma e përshpejtuar nga një fushë elektromagnetike. Motorët e këtij lloji janë krijuar për transferimin e satelitëve artificialë të Tokës nga një orbitë në tjetrën, stabilizimin në orbitë dhe qëllime të tjera. Motorët e palëvizshëm të plazmës gjithashtu kanë marrë vlerësime të larta jashtë vendit. SPD është i vetmi zhvillim vendas i paraqitur në departamentin e astronautikës të Shtëpisë Parisiane të Shkencës dhe Teknologjisë.

Sistemi amerikan i raketave Saturn-Apollo, me një masë lëshimi prej 2900 tonësh, lëshon vetëm 129 tonë në hapësirë.

Një stendë në Shtëpinë e Shkencës dhe Teknologjisë (Paris), kushtuar motorëve të palëvizshëm të plazmës dhe krijuesit të tyre - A.I.

MOTORI PLAZME. Kështu funksionon një motor i palëvizshëm i plazmës (SPD).

Shkenca dhe jeta // Ilustrime

PAKOSTUESHMËRIA E OBJEKTIVËVE DHE MJETEVE

Gjatë lëshimit të satelitëve artificialë të Tokës, e njëjta situatë lind vazhdimisht. Sateliti lëshohet në orbitën e tij fillestare të referencës në një lartësi prej rreth 150 kilometrash. Tjetra, ajo duhet të transferohet në një orbitë pune, të themi, gjeostacionare, në një lartësi prej 36 mijë kilometrash. Për ta bërë këtë, ndizni motorin, i cili kryen manovrën e dëshiruar pasi punon për ca kohë. Puna e kryer prej tij mund të vlerësohet nëpërmjet konceptit të të ashtuquajturës shpejtësi karakteristike. Thelbi i saj është si më poshtë.

Le të supozojmë se ekzistojnë dy pajisje absolutisht identike: njëra, le të themi, në orbitë afër Tokës, tjetra në hapësirë ​​absolutisht boshe, pa fusha gravitacionale dhe ndikime të tjera. Ata njëkohësisht ndezin motorët që funksionojnë saktësisht në të njëjtën mënyrë. Automjeti i parë kryen manovra, zbret në Hënë, kthehet dhe në përgjithësi bën gjithçka që kërkohet. Dhe i dyti lëviz në vijë të drejtë, nuk manovron, por motori i tij funksionon gjithmonë në të njëjtën mënyrë si i pari. Në fund të fundit, kjo pajisje fiton një shpejtësi të caktuar, e cila quhet karakteristikë. Është kjo që përcakton efikasitetin e motorit në kushte të caktuara. Duke qenë se është i ndryshëm për çdo fluturim, ju mundeni, duke bërë llogaritje të thjeshta, të vlerësoni menjëherë dhe me saktësi të madhe se sa do të kushtojë çdo manovër.

Në 1897, K. E. Tsiolkovsky nxori një formulë të thjeshtë për vlerën e shpejtësisë karakteristike:

V = w ln M 0 /M 1 ,

Ku w- shpejtësia e rrjedhjes së gazit nga gryka e motorit reaktiv, M 0 - masa fillestare e pajisjes, M 1 është masa e tij përfundimtare.

Nga formula mund të shihet se përshpejtimi i pajisjes në shpejtësi V, një shpejtësi më e lartë e shkarkimit w, për shkak të rritjes së masës së nxjerrë, është jashtëzakonisht joprofitabile. Nëse karburanti përbën 0,9 të masës totale të raketës dhe, për rrjedhojë, masa përfundimtare është 0,1 e masës fillestare ( M 0 /M 1 = 10), shpejtësi karakteristike V = 2,3w. Kur ky raport i masës zvogëlohet në 0.01, shpejtësia dyfishohet vetëm dhe madje edhe më pas M 0 /M 1 = 0,001, do të jetë e mundur të merret vetëm V = 6,9w: Vlera e logaritmit rritet shumë ngadalë. Prandaj, gjatë fluturimit, është e nevojshme të zvogëlohet në mënyrë katastrofike masa e pajisjes: le të kujtojmë se si duket një mjet i rëndë lëshimi në fillim dhe moduli i zbritjes në fund të fluturimit. Kjo rrugë është e mundur në parim, por për shpejtësi të larta është praktikisht e pamundur.

Opsioni i dytë mbetet: të rritet shpejtësia e rrjedhjes së gazeve reaktive. Shpejtësia karakteristike varet nga ajo në mënyrë lineare, domethënë proporcionale. Do të rritet aq sa rritet shkalla e rrjedhjes së gazit.

Motorët modernë të avionëve zakonisht funksionojnë duke kombinuar përbërësit e karburantit me një oksidues përmes një reaksioni kimik. Sa më shumë energji të lëshohet gjatë këtij reaksioni, aq më e lartë është shpejtësia e daljes së produkteve të tij të gazta me të njëjtën masë nga hunda e motorit. Pothuajse maksimumi i energjisë sigurohet nga reagimi i oksigjenit me hidrogjenin (vetëm fluori, veçanërisht atomik, me hidrogjenin siguron më shumë; por si vetë agjenti oksidues ashtu edhe fluori i hidrogjenit janë tepër kimikisht aktivë dhe agresivë). Megjithatë, nuk është në gjendje të krijojë edhe prurje me shpejtësi më të mëdha se 4-5 km/s. Për teknologjinë moderne hapësinore kjo në shumë raste nuk është e mjaftueshme.

Për të nisur një satelit në një orbitë rrethore, transportuesi duhet të arrijë një shpejtësi prej rreth 8 km/s; për t'u larguar nga Toka në hapësirën e jashtme - më shumë se 11 km/s; shpejtësitë përkatëse karakteristike do të jenë tridhjetë për qind më të larta. Dhe nëse shpejtësia e daljes së gazit bëhet sipas rendit të shpejtësisë karakteristike për një manovër të caktuar, masa përfundimtare e aparatit do të jetë në përpjesëtim me masën fillestare. Mund të jetë më i vogël, edhe dy ose tre herë, dhe jo dhjetëra e qindra, siç është sot. Kjo kërkon motorë të tjerë, të bazuar jo në reaksione kimike, por në procese të tjera. Ata do të kërkojnë burime të reja energjie, sepse sa më i lartë të jetë shkalla e rrjedhës së substancës së punës, aq më shumë energji kërkohet për njësi të shtytjes:

P/F = w/2η,

Ku R- fuqia e motorit në vat, F- forca tërheqëse në njuton, w- shpejtësia e daljes në m/s, η - faktori i efikasitetit.

Ka vetëm dy burime të energjisë në hapësirë ​​- Dielli dhe reaksionet bërthamore.

Energjia intranukleare fitohet ose nga reaksionet e ndarjes së elementeve të rënda ose nga sinteza e elementeve të lehta. Reaksioni i shkrirjes është i aftë të prodhojë një sasi kolosale energjie, por nuk ka gjasa që ata të mësojnë se si ta kontrollojnë atë në të ardhmen e afërt. Reaktorët e bazuar në ndarje mbeten, dhe për pajisjet e vogla - bateritë izotopike. Megjithatë, energjia bërthamore e ka kompromentuar shumë veten dhe ka fituar shumë kundërshtarë.

Në orbitat e brendshme, Dielli mund të shërbejë si burim energjie. Për shembull, ekzistonte një projekt për të përdorur pasqyrat e përqendrimit në bord që mbledhin energjinë diellore në një shkëmbyes nxehtësie me hidrogjen. Gazi i ngrohur në 2000 o do të rrjedhë nga gryka e motorit reaktiv me një shpejtësi prej rreth 10 km/s, e cila tashmë është mjaft e mjaftueshme për manovrim në hapësirën afër Tokës. Megjithatë, një sistem i tillë është i rëndë dhe jo i besueshëm, kështu që panelet diellore mbeten burimi kryesor i energjisë elektrike në bord. Nëse në vitet '60 një kilovat fuqi hiqej nga një panel që peshonte rreth njëqind peshë, sot pajisjet "rekord" ofrojnë të njëjtën fuqi nga 20 kilogramë masë. Në përgjithësi, bateritë në bord ofrojnë një fuqi totale jo më shumë se 20 kW dhe mbeten mjaft efektive vetëm relativisht afër Diellit - brenda orbitës së Marsit ose brezit të asteroidëve. Intensiteti i dritës zvogëlohet shumë me distancën ( I~R-2), dhe për fluturimet në planetë të largët, dashje apo s'du, do të duhet të përdorni reaktorë. Për kalimin në normat e rrjedhës së gazit në përpjesëtim me ato karakteristike është një rrugë absolutisht e pashmangshme për zhvillimin e astronautikës.

ENERGJI ELEKTRIKE NË NË VEND TË ENERGJISË KIMIKE

Për të ngritur një anije kozmike të madhe nga Toka dhe për ta përshpejtuar atë në shpejtësinë e saj të parë kozmike, kërkohet një fuqi prej miliona e dhjetëra miliona kilovatësh. Në këtë fazë, nuk ka ende alternativa reale për motorët e avionëve me karburant kimik. Por nëse pajisja tashmë është hedhur në orbitë, ajo mund të kontrollohet duke përdorur motorë me fuqi të ulët. Ata mund të ruajnë orientimin e një sateliti, ta stabilizojnë atë në orbitë dhe ta transferojnë atë nga një orbitë në tjetrën.

Ekzistojnë disa modele të motorëve të tillë. Aktualisht, për shembull, janë krijuar modele të mira të të ashtuquajturve motorë ngrohje elektrike. Gazi - amoniaku ose hidrazina - kalohet përmes një katalizatori, i cili e zbërthen në molekula dhe nxehet me një burim nxehtësie izotopi ose një sobë elektrike. Molekulat kanë shumë më pak masë dhe, kur nxehen, fitojnë një shpejtësi më të madhe. Por ka një mënyrë tjetër: për të marrë një rrjedhë të drejtuar jo të molekulave, por të joneve ose plazmës, duke i përshpejtuar ato duke përdorur fusha elektrike dhe magnetike.

Kjo rrugë është jashtëzakonisht premtuese. Llogaritjet elementare tregojnë se një jon hidrogjeni, pasi ka kaluar nëpër një ndryshim potencial prej 4.5 volt (tensioni i baterisë Krona është dy herë më i lartë), do të fitojë një shpejtësi prej 30 km/s - shumë më e lartë se sa mund të prodhojë një reaksion kimik. Nuk është për t'u habitur që në fillim të viteve '60, pas lëshimit të satelitit të parë artificial të Tokës, filloi puna për krijimin e motorëve elektrikë shtytës në shumë vende menjëherë, por BRSS dhe SHBA mbetën udhëheqës. Në vendin tonë janë krijuar ekipe shumë të forta shkencore, ndër të cilat u dallua veçanërisht grupi i Institutit të Energjisë Atomike. Ajo arriti të gjejë zgjidhje interesante shkencore, falë të cilave ne ende ruajmë një pozicion udhëheqës në këtë fushë, dhe motorët e palëvizshëm të plazmës (SPT) që ajo krijoi njihen si më të mirët në botë.

SI FUNKSIONON SPD

Përshpejtimi i joneve në fusha bën të mundur marrjen e shpejtësive që zgjidhin të gjitha problemet e së ardhmes së parashikueshme të astronautikës. Mbeti kjo mundësi themelore për ta realizuar atë në metal. Ka dy mënyra për ta bërë këtë.

Ju mund të merrni dy elektroda dhe të aplikoni një tension konstant në to. Le të jetë tensioni në një +4,5 volt, dhe potenciali i të dytës (katodës) do të konsiderohet zero. Elektroda pozitive (anoda) lidhet me jonizuesin e gazit. Jonet që e lënë atë përmes vrimës në anodë do të fillojnë të përshpejtohen në fushën elektrike, duke nxituar drejt elektrodës me potencial zero. Nëse bëni një vrimë në të, jonet do të fluturojnë përmes saj në hapësirë ​​me një shpejtësi prej 30 km/s. Dhe elektronet që mbeten në jonizues kalojnë përmes qarkut elektrik dhe burimit të energjisë në katodë. Ky sistem quhet motor jonik: në zonën e tij të nxitimit ka vetëm jone.

Në fakt, nuk ka motorë me jon hidrogjen 4,5 volt. Ekziston vetëm një arsye për këtë: është e pamundur të merret një densitet i lartë i grimcave në hendekun përshpejtues. Jonet krijojnë një ngarkesë mjaft të madhe hapësinore në të, e cila shpejt kontrollon potencialin e elektrodës zero dhe "bllokon" rrjedhën. Për të siguruar një rrymë mjaft të madhe, duhet të krijoni një forcë të lartë fushe duke lëvizur elektrodat sa më shumë që të jetë e mundur. Por distanca maksimale midis tyre është e kufizuar në fraksione të një milimetri: një avari do të ndodhë në një hendek që është shumë i ngushtë. As shpejtësia nuk mund të rritet: kjo çon në një rritje të kostove të energjisë për njësi të shtytjes. Prandaj, një motor i tillë përdor grimca të rënda - jonet e ksenonit, merkurit ose ceziumit, funksionon me një tension të rendit prej një mijë volt dhe prodhon një rrymë mjaft të mirë dhe një shtytje relativisht të lartë.

Mënyra e dytë janë motorët e plazmës, ku ka edhe elektrone edhe jone në zonën e nxitimit. Le të hedhim një vështrim më të afërt se si funksionojnë ato.

Pengesa më e rëndësishme e motorëve jonikë është shfaqja e një ngarkese hapësinore në hendekun e përshpejtimit. Duket se kjo mund të shmanget duke vendosur elektrone në të dhe duke marrë një plazmë pothuajse neutrale. Megjithatë, në fushën elektrike, elektronet më të lehta do të fillojnë menjëherë të përshpejtohen, deri në shpejtësinë e mijëra e dhjetëra mijëra kilometrave në sekondë. Kjo është qindra herë më shumë sesa kemi nevojë.

Për të kapërcyer lëvizshmërinë e elektroneve, ato duhet të "lidhen" me diçka. Kjo mund të bëhet lehtësisht duke krijuar një fushë magnetike në hendekun pingul me atë elektrike. Në një fushë magnetike, grimcat e ngarkuara rrotullohen në një orbitë rrethore, të ashtuquajturën orbitë Larmor. Për elektronet, diametri i tij në kushtet tona është të dhjetat e milimetrit, dhe për jonet është në rendin e një metri. Jonet praktikisht nuk e ndjejnë fushën magnetike, lëvizin vetëm nën ndikimin e fushës elektrike dhe e lënë motorin me shpejtësi të lartë. Kështu, sistemi kthehet në një përshpejtues jonik në të cilin nuk ka ngarkesë hapësinore ndërhyrëse.

Në shikim të parë, një motor plazma është një pajisje shumë e thjeshtë. Ky është një elektromagnet unazor, në hendekun e të cilit vendoset një dhomë (e quajtur edhe kanal) e bërë nga materiali dielektrik. Anoda është e vendosur thellë në dhomë. Jashtë, afër skajit të dhomës, ka një neutralizues katodë. Substanca punuese (ksenoni) hyn në kanal dhe jonizohet pranë anodës. Jonet përshpejtohen në fushën elektrike dhe fluturojnë jashtë motorit, duke krijuar shtytje jet. Dhe elektronet, si në një motor jonik, bien në anodë, kalojnë nëpër qark në neutralizuesin e katodës dhe hyjnë në rrjedhën e joneve, duke e neutralizuar atë dhe motorin. Kjo është absolutisht e nevojshme - përndryshe sateliti, duke nxjerrë jone pozitive nga motori, do të fitonte një potencial të madh negativ.

SPD NË TOKË DHE NË HAPËSIRË

Vendi ynë vazhdon të kryesojë në projektimin e sistemeve raketore elektrike. Motorët e palëvizshëm të plazmës janë instaluar në pothuajse gjashtëdhjetë satelitë vendas si motorë korrigjues. Ata rregullojnë pozicionin e satelitit në orbitë dhe, në parim, mund ta transferojnë atë, të themi, nga një orbitë referimi në një lartësi prej 150 - 200 kilometra në një orbitë gjeostacionare në një lartësi prej 36 mijë kilometrash. Ky operacion do të kërkojë tre deri në katër muaj punë të vazhdueshme, gjatë së cilës do të çlirohen vetëm dhjetë kilogramë lëndë. Ekspertët besojnë se në dy deri në tre vitet e ardhshme do të ketë një bum të vërtetë në përdorimin e motorëve të raketave elektrike si për korrigjimin e orbitave të satelitëve artificialë të Tokës ashtu edhe për fluturimet drejt planetëve të tjerë. Për të gjitha këto punë, SPD-të janë të domosdoshme; ata gjithashtu do të qëndrojnë në stacionin automatik, i cili, sipas programit të Akademisë së Shkencave Ruse, do të lëshohet në satelitin marsian Phobos në fillim të mijëvjeçarit të tretë. Por për të orientuar një anije kozmike, ato janë shumë të fuqishme, kjo kërkon struktura shumë miniaturë.

Dhe për zgjidhjen e problemeve thjesht tokësore, fusha e veprimtarisë së motorëve plazma është e madhe. Tashmë, SPD në dizajnin e duhur përdoren për përpunimin e sipërfaqeve të ndryshme - metal, qelq, gjysmëpërçues. Por, me sa duket, qëllimi i zbatimit të tyre, ose më saktë, parimet e ngulitura në to, do të jetë pakrahasueshëm më i gjerë, veçanërisht pasi fuqia e sistemeve të tilla mund të rritet mijëra herë. Dhe kjo është kryesisht për shkak të elementit të tyre strukturor thelbësisht të ri - elektrodave magnetoelektronike transparente, të cilat në shumë raste mund të zëvendësojnë elektrodat e gjendjes së ngurtë.

Detaje për kuriozët

HISTORIA E MOTORËVE PLAZMA

Parakushtet e para për krijimin e motorëve të joneve plazma u ngritën më shumë se njëqind vjet më parë.

Në fund të shekullit të kaluar, filloi puna intensive për studimin e gazeve duke përdorur shkarkimin elektrik. Gazi në studim u vendos nën presion të ulët në një tub qelqi me elektroda të salduara - anodë dhe katodë. Me një ulje të mëtejshme të presionit në tub, rrezet që dilnin nga katoda u bënë të dukshme. Hulumtimet e hollësishme kanë treguar se këto "rreze katodike" janë një rrymë elektronesh.

Në 1886, u zbulua një tjetër fenomen interesant. Nëse vrimat ("kanalet") bëhen në një katodë të sheshtë, atëherë rrezet e tjera, të quajtura rreze kanali, do të shtrihen nëpër to në drejtim të kundërt. Këto ishin rryma të atomeve të gazit të jonizuar. Sidoqoftë, në atë kohë, natyrisht, askush nuk e imagjinonte se ato mund të përdoreshin për të prodhuar shtytje avionësh.

Motori i parë jonik efikas u krijua nga amerikani G. Kaufman në vitet '60 dhe u përdor në eksperimentin hapësinor Sert-II. Motorët e këtij lloji kanë një dhomë jonizimi me një shkarkesë elektrike dhe një elektrodë përshpejtuese në formën e një pllake me vrima. Një gaz funksionues (të themi, ksenoni) hyn në një dhomë ku atomet e tij ndahen në elektrone dhe jone të ngarkuar pozitivisht. Rrjedha e joneve largohet nga dhoma dhe përshpejtohet nga voltazhi i aplikuar në elektrodën e vrimës. Elektronet kalojnë nëpër qarkun e fuqisë së motorit dhe hyjnë në neutralizuesin, i cili është në rrugën e rrezes jonike. Jonet, duke u larguar nga motori, i mbajnë ato me vete.

Në të njëjtën kohë, në vendin tonë u krijua një motor plazma-erozioni i projektuar nga A. M. Andrianov. Ajo u bë pajisja e parë e këtij lloji që u lëshua në hapësirë: në vitin 1964, ajo u instalua në aparatin Zond-2 si një shtytës orientues me energji diellore.

Motori është bërë në formën e dy elektrodave cilindrike koaksiale të ndara nga një izolant. Një gjilpërë ndezëse e lidhur me një bankë kondensator është e lidhur me elektrodën qendrore. Kur kondensatori shkarkohet, ndodh një shkarkim midis gjilpërës dhe elektrodës, duke shkaktuar avullimin (erozionin) dhe jonizimin e tyre. Kjo plazmë "farë" hyn në hendekun midis elektrodave, të cilat furnizohen me tension të lartë nga banka kryesore e kondensatorit. Shfaqja e plazmës fillon një shkarkim sipërfaqësor, i cili avullon materialin izolues dhe jonizon molekulat e tij. Ngrohja dhe ndërveprimi i rrymës me fushën e vet magnetike përshpejton plazmën.

Nga mesi i viteve '60, vendi ynë kishte marrë rezultate inkurajuese në zhvillimin e llojeve të ndryshme të motorëve plazma. Por suksesi më i madh erdhi për grupin nga Instituti i Energjisë Atomike. I. V. Kurchatova, e cila u drejtua nga A. I. Morozov dhe G. Shchepkin. Deri në maj 1969, ky ekip kishte krijuar një prototip funksional të sistemit shtytës. Pas modifikimeve të projektimit në Byronë e Dizajnit Fakel, motori u instalua në satelitin Meteor në fund të vitit 1970 dhe u hodh në orbitë. Kanë kaluar pothuajse tridhjetë vjet që atëherë, por ky motor i palëvizshëm i plazmës (SPT) ende nuk ka konkurrentë - skemat e tjera doli të ishin më pak efektive dhe nuk u bënë pjesë standarde e anijes kozmike.

Në mesin e viteve '80, puna në SPD nga Instituti i Energjisë Atomike u transferua në Institutin e Radio Inxhinierisë, Elektronikës dhe Automatizimit (MIREA) në Moskë dhe vazhdoi në laboratorin e profesoreshës Antonina Ivanovna Bugrova. Në vitin 1992, laboratori u vizitua nga zëvendëspresidenti i kompanisë hapësinore franko-evropiane SEP, z. Boulanger. Ai propozoi lidhjen e një kontrate për krijimin e një modeli SPD të pastër patentë me karakteristika të përmirësuara.

Fakti është se motorët kanë dy të meta të rëndësishme: një divergjencë e madhe e rrezes së plazmës (deri në 45 o) dhe një efikasitet prej rreth 50%, që ishte më pak se aftësitë e tyre. Dhe ata kishin një gjë të çuditshme: shtytja më e fortë u mor me një gjeometri të fushës që, nga pikëpamja teorike, ishte larg nga optimale. Kur u kuptuan arsyet e kësaj sjelljeje, stafi i laboratorit MIREA ndryshoi konfigurimin e kanalit, anodës dhe fushës magnetike. Kjo menjëherë dha rezultate mahnitëse: efikasiteti u rrit në pothuajse 70%, dhe divergjenca e rrezes u bë më pak se 10°. Kështu u krijuan SPD-të e gjeneratës së dytë.