Plazmové motory: mýty a realita

Určitě se všichni shodnou, že prostor přitahuje. A už je vyšetřován! To je jen velmi pomalé. Protože je velmi obtížné vytvořit kosmickou loď, která by mohla rychle překonat impozantní stovky tisíc kilometrů.

Celý bod je v palivu! Není to nekonečné. Potřebujeme moderní jednotky s jiným principem provozu a výkonnějšími. Ano, existují jaderné raketové motory (YARDs). Maximální limit je však 100 km / s. Kromě toho se jejich pracovní tekutina zahřívá jaderného reaktoru.

Ale plazmové motory - vyhlídka, která si zaslouží pozornost.

Stručná exkurze do fyziky

Na začátku je třeba poznamenat, že jakýkoli raketový motor je charakterizován vyhozením slabé ionizované plazmy z trysky. Bez ohledu na jeho typ. Avšak "klasické", skutečné plazmové motory jsou ty, které zrychlují plazma kvůli elektromagnetickým silám, které ovlivňují nabité částice.

Tento proces je komplikovaný. Jakékoliv elektrické pole, které urychluje náboje v plazmě, dává elektronům a iontům stejnou velikost pulsů. Vstup do těchto podrobností je nepovinný. Stačí, abychom věděli, že impuls je měřená hodnota. mechanický pohyb tělo.

Vzhledem k tomu, že plazma je elektricky neutrální, součtem všech kladných nábojů je modulo součet záporných nábojů. Existuje určitá doba - je nekonečně malá. V těchto několika okamžicích získávají všechny pozitivní ionty silný impuls. Totéž platí v opačném směru - na negativní. Jaký je výsledek? Celková hybnost je nakonec nula. Takže není trakce.

Takovýto závěr: pro elektrické "zrychlení" plazmy je nutné oddělení protilehlých nábojů. Pozitiva se urychlí, když jsou negativy vyřazeny z dosahu. Je to obtížné, protože Coulomb gravitace obnovit elektrickou rovnováhu vznikající mezi plazmatickými proti sobě nabitými sraženinami.

A jak jste se podařilo ztělesnit tento princip činnosti v plazmovém raketovém motoru? Díky magnetickému a elektrostatickému poli. Pouze zde, ve druhém případě, je jednotka tradičně označována jako iontová a v první se nazývá plazma.

Koncepce z 60. let

Asi před padesáti lety navrhl sovětský fyzik Alexej Ivanovič Morozov koncept plazmového raketového motoru. V sedmdesátých letech byl úspěšně testován.

Použila radiální magnetické pole pro oddělení notoricky známých nábojů. Ukazuje se, že elektrony, které podléhají vlivu Lorentzovy síly, pravděpodobně spirálovitě spirály na magnetické pole, které je "vytáhnou" z plazmy.

Co se stane, když k tomu dojde? Masivní setrvačnosti iontů procházejí magnetickým polem a získávají zrychlení v podélném směru elektrického pole.

Ano, tento systém má výhody oproti tomu, který je implementován plazmové iontové motory, nicméně existuje mínus. Neumožňuje větší tah, který se odráží v rychlosti.

Je reálná cesta k hvězdám?

Na plazmových raketových motorech bylo spousta nadějí. Nicméně, bez ohledu na to, jak se mohou zdát inovativní, nemohou poskytnout let do vzdálených nebeských těles v rámci jediného lidského života.

K tomu, aby zařízení dostalo dostatečný tahový impulz (a to je nejméně 10 000 000 m / s), je nutné v tuto chvíli vytvořit magnetické pole o velikosti 10 000 Tesla. To je možné pouze za pomoci výbušných magnetických generátorů A.D. Sacharov a dalších moderních zařízení fungujících na stejném principu.

Ale opět existují takové silné polí pro katastrofálně malý časový interval, měřený v mikrosekundách. Aby bylo dosaženo lepšího výsledku, musel by se zbavit energie jaderného výbuchu sílou 10 kt. Pro porovnání, důsledky takového "jevu" jsou vyjádřeny v mraku o průměru 4 kilometrů o výšce 2 km. "Houba" a dosahuje až 7 km.

Takže s lodní hmotností 100 tun by byl nutný milion takových impulsů. A to je jen zvýšení jeho rychlosti na 100 kilometrů za sekundu! Kromě toho pouze za předpokladu, že poplatky nebudou muset vzít cestu na palubu. Pravděpodobně by mohly být umístěny ve vesmíru na místě zrychlení.

Ale celých milionů jaderných bomb? Neskutečné To jsou tisíce tun plutonia! A po celou dobu existence jaderných zbraní bylo vyrobeno o něco více než 300 tun. Takže plazmový raketový motor se zásadou provozu založenou na separaci magnetických nábojů neposkytuje cestu k vzdáleným hvězdám.

Motor Hall

Jedná se o variantu plazmové jednotky, pro kterou neexistují žádná omezení, která jsou určena prostorovým nábojem. Jejich nepřítomnost poskytuje větší hustotu trakce. A to znamená, že plazmový motor Hall může zvýšit rychlost kosmické lodi několikrát, pokud srovnáme například s iontovou jednotkou stejné velikosti.

V srdci přístroje je účinek, který objevil americký fyzik Edwin Hall v roce 1879. Ukázal, jak je elektrický proud generován ve vodiči se vzájemně kolmým magnetickým a elektrickým polem. A ve směru, že jsou oba kolmé.

Jednoduše řečeno, v jednotce Hall je plazma tvořena nábojem mezi anodou (+) a katodou (-). Akce je jednoduchá - výboj odděluje elektrony od neutrálních atomů.

Mělo by být poznamenáno, že přibližně 200 družic s plazmovými motory Hall je soustředěno v dráhách blízké země. Pro kosmické lodě je její síla docela dost. Mimochodem, taková jednotka byla používána Evropskou kosmickou agenturou s cílem ekonomicky rozptýlit SMART-1 - její první automatickou stanici pro zkoumání Měsíce.

AIPD

Nyní můžete mluvit o ablativních pulzních plazmových tryskáčů (AIPD). Jsou vhodné pro použití v malých kosmických lodích, které mají řadu funkcí. Pro jeho expanzi je prostě nutné mít vysoce efektivní malou jednotku schopnou opravit a udržovat oběžnou dráhu. AIPD je slibné zařízení s řadou výhod, které zahrnují:

• Neustálá připravenost k práci.
• Impozantní zdroj.
• Minimální setrvačnost.
• Schopnost přesně dávkovat puls.
• Žádný impulz aftereffect.
• Závislost tahu na spotřebě energie.

Pulzní plazmové trysky tohoto typu byly podrobně studovány. Výzkumní pracovníci, samozřejmě, čelili problémům. Zvláště - při udržování dlouhodobého provozu jednotky, která je překážkou pro zahušťování povrchu.

Dokonce iv rámci jednoho ze studií věnovaných studii AIPD-IT bylo zjištěno, že tato jednotka má hlavní výstup na výstupu kanálu. A to je charakteristický rys pro motory mnohem působivější energie.

Příkladem instalace AIPD je satelitní pozorovatel Země 1. Ale nemůže tvrdit motor korekce ICA, protože spotřebovává příliš mnoho energie (60 W). Navíc má nízkou celkovou hybnost.

Stacionární motor

O tomto vynálezu by se mělo říci i pár slov. Stacionární plazmový motor má speciální funkci v podobě nízkého výkonu a kompaktnosti.

Může být použit v kosmické technice jako výkonný orgán elektrotechnické instalace. Nebo v rámci vědeckého výzkumu. S pomocí tohoto vynálezu je poměrně realistické uspořádané plazmové toky.

Ve skutečnosti je takový plazmový motor magnetron používaný v průmyslu. Jedná se o technologické zařízení, pomocí něhož jsou tenké vrstvy materiálu uloženy na substrátu katodickým rozprašováním cíle v plazmě. Ale nezaměňujte toto zařízení s vakuovými magnetrony. Vykonávají zcela jinou funkci - generování mikrovlnných kmitů.

Od roku 1995 jsou stacionární plazmové motory zapojeny do korekčních systémů řady připojených geostacionárních KA. V roce 2003 se tato zařízení začaly používat v zahraničních geostacionárních družicích. Počátkem roku 2012 bylo na vozidlech, která šli do vesmíru, instalováno 352 motorů.

MPD-Thruster

To je další koncept plazmového agregátu. Mnoho nadějí na vesmírnou technologii je spojeno s tím.

Co je to nápad? Mezi katodou a anodou se vytváří plazmový náboj, který přispívá k indukci kruhového magnetického pole. Síla Lorentz přichází do činnosti, pomocí něhož pole působí na pohybující se náboje proudu, v důsledku čehož je určitá část z nich vychýlena v podélném směru. Výsledkem je vznik plazmatické sraženiny, která vyprší "vpravo". Je to ten, kdo tvoří tlak.

Tento motor pracuje v impulsním režimu, protože jsou nutné krátké pauzy mezi výboji - tím se nahromadí náboj na elektrodách.

Co slibuje MPD-Thruster? Funguje bez oddělení protikladů. Protože se pohybují v nabíjecím proudu, platí opak. To znamená, že Lorentzovy síly mají stejný směr.

Teoreticky je tento pojem velmi výjimečný výkon. Může vyvinout impozantní trakci. Ale existují i ​​nuance. "Zrychlení" elektrických nábojů nepodléhá magnetickému poli. To vše kvůli tomu, že Lorentzova síla působí kolmo na jejich rychlost. To znamená, že nemění kinetické parametry. MPD-Thruster pouze mírně změní směr, ve kterém jsou náboje následovány - aby plazma mohla ležet podélně.

V ideálním případě by proud mezi katodou a anodou měl být několikrát hustší. To je nutné k vytvoření trakce. A to vyžaduje hodně elektrické energie. Který však není nižší než síla plazmového paprsku.

Je-li specifický impuls 1000 kilometrů za sekundu a tlak je 100 kg, pak budou spotřebovány stovky megawattů. To, co vytváří ve vesmíru, je téměř nemožné. Dokonce za předpokladu takové pravděpodobnosti, loď s MPD-Thruster, která má čistou hmotnost 100 tun, se urychlí až na značku 10 000 km / s. za pouhých 317 let! A to platí pro neúnosně astronomickou počáteční hmotnost 2,2 milionu tun.

U těchto indikátorů je dokonce nemožné představit si průtok plynu v jednotce, která vysílá elektronové náboje. A pro pochopení není třeba provádět žádné výpočty - žádné elektrody nejsou schopné vydržet takové významné chemické a tepelné zatížení.

Zařízení Quantum EmDrive

Toto je vynález Rogera Schoera z Británie, nad nímž se celá mezinárodní vědecká komunita téměř otevřeně zasmála. Proč Protože jeho kvantový vakuový plazmový motor byl považován za nemožný. Jeho princip je v rozporu se zákony, které jsou základem fyziky!

Ale jak se ukázalo, tento plazmový vesmírný motor pracuje a velmi úspěšně! Tato skutečnost byla objasněna během testů NASA.

Jednotka je jednoduchá konstrukce. Trakce je vytvořena mikrovlnnými kmity kolem vakuového kontejneru. A elektřina potřebná k jejich generování je získávána ze slunečního záření. Zjednodušeně - motor nevyžaduje používání paliva a je schopen pracovat, ne-li navždy, pak alespoň do okamžiku selhání.

Testery byly šokovány. Motor byl testován vědcem Guido Fettem a týmem NASA Eagleworks, který vedl Harold White - specialisté z Space Center. Lyndon Johnson. Po podrobném studiu tohoto vynálezu byl publikován článek, v němž testeři ujišťovali čtenáře, že přístroj funguje a úspěšně vytváří cravy, i když je to nevysvětlitelný rozpor se zákonem o zachování hybnosti.

A přesto vědci uvedli, že tato jednotka zahrnuje interakci s takzvaným kvantovým vakuem virtuální plazmy.

Problém účinného oddělení náboje

Mnoho fyziků pesimisticky tvrdí, že je nerozpoznatelné. Existují pokročilé projekty, v nichž se vyvíjejí inovativní plazmové jednotky o výkonu 5 MW a impuls 1000 km / s, ale jejich tah je stále příliš malý, aby překonal dlouhé vzdálenosti.

Vývojáři tento problém chápou a hledají další přístupy. Jedním z nejslibnějších projektů v naší době je VASIMR. Jeho specifický impuls je 50 km / s. A tah je 6 newtonů. To je právě VASIMR, ve skutečnosti není plazmovou jednotkou. Protože produkuje vysokoteplotní plazmu. V Lavalové trysce je nutno zrychlit - bez použití elektřiny, pouze kvůli plynovým dynamickým účinkům. A plazma se zrychluje stejným způsobem jako proud plynu, který nastupuje z obvyklé raketové sestavy.

Závěr

Na závěr bych chtěl říci, že ani jeden plazmový motor pro kosmickou loď, která neexistuje v naší době, může přinést raketu i nejbližším hvězdám. To platí jak pro experimentálně testovaná zařízení, tak pro teoreticky vypočtená zařízení.

Mnoho vědců dospělo k pesimistickému závěru - mezera mezi naší planetou a hvězdami je smrtelně nepřekonatelná. Dokonce před systémem Alpha Centauri, jehož některé součásti jsou viditelné pouhým okem ze Země, je vzdálenost 39,9 bilionů kilometrů. Dokonce i na kosmické lodi schopné cestovat rychlost světla překonání této vzdálenosti by bylo asi 4,2-4,3 let.

Plazmové jednotky lodí jsou spíše z oblasti sci-fi. Ale to nezmenšuje jejich význam! Používají se jako posunovací, pomocné a korekční oběžné dráhy motorů. Proto je vynález plně odůvodněn.

Jednotka jaderného impulsu, která využívá energii výbuchů, má potenciální potenciál rozvoje. V každém případě je teoreticky možné vyslat automatickou sondu do nejbližšího hvězdného systému.