Космічний марш для плазми та гелікону Плазмовий двигун Батищева, Demonessy - s notes
This WordPress.com site is the cat’s pajamas
Космічний марш для плазми та гелікону: Плазмовий двигун Батищева.
Гелікон – духовий музичний інструмент. Фізики називають цим словом електромагнітну хвилю, яка збуджується у плазмі, що у магнітному полі. Можливо, у майбутньому слово «гелікон» стане номінальною назвою плазмових двигунів, які розганятимуть земні космічні кораблі до далеких планет.
За півстоліття земна космонавтика впевнено освоїла навколоземний простір і почала вивчення планет Сонячної системи, спираючись на традиційні двигуни на хімічному паливі. Звісно, ще багато років космонавтика покладатиметься на стару добру «хімію». Але хімічні двигуни мають серйозне обмеження, пов'язані з енергетикою хімічних реакцій. Вони надзвичайно «ненажерливі», тобто мають низький питомий імпульс (ставлення імпульсу до масової витрати палива). Тому космічні апарати, які вчені посилають до околиць Сонячної системи, несуть зовсім невелике корисне навантаження навіть з урахуванням гравітаційних маневрів у полі тяжіння планет, що використовується для додаткового розгону.
Цілком можливо, що на зміну хімії прийдуть електрореактивні двигуни (ЕРД). Саме на ЕРД останнім часом покладають великі надії конструктори космічної техніки. «ПМ» вже писала про історію українських плазмових двигунів СПД (№12’2005), які використовуються як маневрові та коригувальні в деяких супутниках зв'язку. ЕРД цього ж типу стояв на європейському зонді «SMART-1», відправленому до Місяця в 2003 році, американські ж зонди «Deep Space-1» (стартував у 1998 році до комети Бореллі) та «Dawn» (запущений у 2007 році для дослідження астероїдів Вести та Церери)теж оснащені ЕРД, щоправда, іншого типу - іонними.
«Це лише перші кроки, — каже Олег Батищев, який очолював у Лабораторії космічних двигунів (Space Propulsion Laboratory) факультету аеронавтики та астронавтики Массачусетського технологічного інституту групу з розробки плазмового ЕРД принципово нового типу. — Але, звісно, майбутнє саме за плазмовими двигунами».
Від термоотрути до плазмового мотора
На початку 1990-х Олег Батищев, молодий кандидат фізико-математичних наук, випускник та доцент МФТІ, працював в Інституті прикладної математики ім. М.В. Келдиша РАН, де займався чисельним моделюванням систем кінетичних рівнянь для електронів, іонів та нейтральних атомів. Ці дослідження були потрібні Курчатівському інституту для проекту міжнародного термоядерного експериментального реактора ІТЕР (ITER).
«У роботі над ІТЕРом брало участь безліч дослідницьких груп із різних країн світу, українці працювали в Німеччині, Англії, Японії, навіть Мексиці та Бразилії, — згадує Олег. — Серед американських учасників був гурт, який займався проблемою дивертора — пластини, яка відводить енергію з реактора. Міністерство енергетики США запросило мене попрацювати над цією темою в Центрі ядерного синтезу (MIT Plasma Science and Fusion Center) — до 1999 року, коли США вийшли з проекту. Незадовго до цього я познайомився з Франкліном Чанг-Діасом, фізиком та астронавтом родом із Коста-Ріки, випускником MIT. Він наприкінці 1980-х у тому самому Центрі ядерного синтезу займався конструюванням пробкотронів — магнітних пасток для плазми, які не виправдали очікувань (плазма з них випливала). Тоді йому і спала на думку ідея, як можна розганяти плазму і виштовхувати її в потрібному напрямку — тобто як зробити плазмовий двигун.Йому потрібне було джерело щільної плазми, і ми його досліджували».
Магнітоплазмова ракета
Проект свого двигуна Чанг-Діас назвав "Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket" ("магнітоплазмовий двигун із змінним питомим імпульсом"), скорочено "VASIMIR", трохи пізніше назва була змінена на "VASIMR". До 2005 року Чанг-Діас розробляв свій проект у Лабораторії перспективних космічних двигунів "NASA" (Advanced Space Propulsion Laboratory), а потім - у лабораторіях власної компанії "Ad Astra Rocket" неподалік Х'юстона і в рідній Коста-Ріці.
Ідея двигуна VASIMR дуже оригінальна. Він складається із трьох ступенів. Перша – геліконне джерело плазми, в якому газ іонізується радіочастотним випромінюванням спеціальної антени у присутності магнітного поля (це досить поширена конструкція). У другому ступені відбувається прискорення іонів резонансним високочастотним полем: іони обертаються у площині поперечного перерізу, як і циклотроні (іноді це називають «циклотронним розігрівом»). Останній ступінь — магнітне сопло, яке перетворює рух частинок, що поперечно обертаються, в поздовжнє, викидаючи розігнану плазму з утворенням тяги.
«Метою проекту VASIMR було створення потужного двигуна з великою тягою, порядку ньютонів, — пояснює Олег. ефективності ракети швидкість закінчення робочого тіла має бути в ідеалі дорівнює її швидкості, тоді енергія витрачається оптимальним чином».
Відкинути зайве
Як згадує Олег, у процесі конструювання геліконного джерела плазми для «VASIMR» виявилося цікаветеоретичне слідство:
Уявіть собі, що ви починаєте закачувати енергію в газ за допомогою антени. Спочатку нічого не відбувається, потім відбувається електричний пробій, газ іонізується, утворюється плазма. Саме така холодна і щільна плазма надходить у циклотронний ступінь двигуна "VASIMR", а гаряча плазма там не потрібна - це зайві витрати енергії. Якщо продовжити закачувати енергію в геліконне джерело, з нашої теорії має спостерігатися різкий стрибок у його ефективності: після повної іонізації газу ('вигоряння') вся енергія йде на розігрів електронів плазми, а втрати на випромінювання становлять лише малу частину. Експерименти підтвердили наявність цього ефекту, що навело мене на ідею створення ефективного та дуже простого плазмового двигуна».
Прототип, який у «MIT» назвали «міні-геліконним двигуном» («mHT», «mini-Helicon Thruster»), за своєю конструкцією дуже простий: це кварцова трубка з навитою обмоткою для створення магнітного поля та антеною для збудження геліконної хвилі. Надходить газ іонізується високочастотним радіовипромінюванням, плазма розігрівається, а магнітне поле спрямовує плазмовий струмінь у потрібному напрямку.
«Наш двигун відрізняється від «VASIMR» — він одноступінчастий, для нагрівання плазми не потрібен циклотронний нагрівання іонів, не потрібно магнітне сопло, він компактніший, — пояснює Батищев. — При цьому як робоче тіло в «VASIMR» спочатку використовували водень, потім перейшли на гелій, зараз використовують аргон - важчі гази знижують питомий імпульс, зате підвищують тягу. А наш двигун здатний працювати практично на будь-чому — на азоті і навіть на повітрі! Можна безперервно змінювати склад робочого тіла, і двигун продовжуватиме роботу».
Порівняно з сучасними плазмовими двигунами міні-геліконний має низку істотних переваг. Двигуни на «ефекті Холла» (до яких належать українські «СПД») не дозволяють використовувати повний переріз каналу, розігнані важкі іони ксенону (дуже дорогого та рідкісного газу) викликають ерозію стінок камери, для їхньої роботи необхідна висока напруга. "СПД", як правило, забезпечений 2 катодами, оскільки це одне з найуразливіших місць конструкції, що значно збільшує габарити двигуна.
«Міні-геліконний двигун позбавлений всіх цих недоліків: плазма не стосується стінок, так що ерозія мінімальна, автоматичне запалювання, не потрібен катод, розміри можуть бути будь-якими, від мініатюрних двигунів точної корекції до великих і потужних - за нашими розрахунками, двигун потужністю 1 МВт матиме діаметр близько 30 см, – каже Олег Батищев. — Розбіжність плазмового пучка у нас дуже невелика, близько 10 градусів (для порівняння — у «СПД» вона близько 45 градусів). ККД нашого прототипу поки не дуже високий, близько 20%, але це пояснюється тим, що він працює на азоті, та й оптимізацією ми поки що не займалися».
Двигун із пляшки
Міні-геліконний двигун настільки простий за своєю конструкцією, що це навело Олега на думку про популярну демонстрацію:
«Ми працювали з потужними постійними магнітами, і один із студентів не втримав їх при зміні конструкції стенду – магніти кинулися назустріч один одному, зіткнулися та розкололися на шматки. А поки ми чекали нові, мені спало на думку ідея зробити двигун з підручних засобів, щоб показати, наскільки він простий. Я вирішив використовувати як камеру скляну пляшку з-під «кока-коли», а геліконну антену вирізати з бляшанки».
Демонстрація плазмового двигуна з пляшки та банки принесла групі Батищева широку популярність та буквальносвітову славу: телеканали охоче транслювали ефектний запис експерименту, де за кадром голос одного зі студентів зачитує показання амперметра, у пляшці спалахує свічення, і струмінь плазми виривається з відпиленого денця (зрозуміло, експеримент проходить у вакуумній камері).
Щоб переконатися, що міні-гелікон є не просто джерелом плазми, а саме двигуном, дослідники виміряли характеристики отриманої плазми. Енергію іонів вимірювали двома методами – спектрометричним, за рахунок вимірювання доплерівського зсуву спектральної лінії, та за допомогою енергетичного аналізатора із сповільнюючим потенціалом. Швидкість іонів становила 10...40 км/с. Причому її можна варіювати за рахунок зміни витрати газу і потужності, що подається, змінюючи тим самим питомий імпульс. Але найпростішим і найефектнішим способом демонстрації наявності тяги виявилося, за словами Олега, дуже просте рішення: «Ми просто підвісили наш прототип на двох жилках до стелі вакуумної камери на магнітах і виміряли відхилення трубочки при холодному продуванні (подачі газу) і при витіканні струменя плазми . Різницю було видно неозброєним оком!
До далеких планет
Далекі космічні польоти з використанням геліконних плазмових двигунів виглядають поки що фантастично, але все ж таки набагато кращі, ніж на хімічному паливі, — була б тільки енергія (її планується отримувати від ядерної енергетичної установки). Робоче тіло може бути будь-яким: азот, аргон, повітря, навіть вода (щоправда, це питання потребує додаткових досліджень).
На думку Олега Батищева, плазмові геліконні двигуни мають чудові перспективи вже найближчим часом — коли розпочнеться освоєння навколоземного простору та Місяця приватними компаніями. Зараз термін служби різнихсупутників багато в чому обмежений запасом палива чи робочого тіла двигунів корекції орбіти. Міні-геліконні двигуни в цьому відношенні перевершують будь-які хімічні - вони економічні, мають великий питомий імпульс і здатні використовувати як робоче тіло дешевий азот.
«Або навіть повітря, – додає Олег. - Уявіть собі супутник на еліптичній орбіті, який у перигеї здатний поповнювати запаси робочого тіла, або низькоорбітальний супутник з невичерпним запасом робочого тіла, яке він бере з атмосфери!
Ім'ям закону збереження імпульсу
Будь-які ракетні двигуни (і хімічні, і електричні) використовують один і той самий принцип
Вони відкидають робоче тіло і відповідно до закону збереження імпульсу набувають такий самий імпульс, але спрямований у протилежний бік. У хімічних двигунах робочим тілом служать продукти згоряння, розігріті енергією окислювально-відновної реакції та викинуті з високою швидкістю із сопла. В ЕРД робочим тілом служить плазма або іони, розігнані в електричних та/або магнітних полях (залежно від типу двигуна конфігурація та комбінація цих полів може бути різною). Для цього використовується електрична енергія, джерелами якої можуть бути сонячні батареї або ядерна енергетична установка. Сучасні ЕРД поки що дають дуже малу тягу (міліньютони), тому їх застосування обмежене коригуванням орбіт або повільним розгоном космічних апаратів протягом тривалого часу (тисячі годин).
Як працює
двигун на азоті: на відміну від плазмових двигунів інших типів, в яких як робоче тіло зазвичай застосовують дорогий ксенон, міні-геліконовий двигун може використовувати аргон або навіть азот
питомий імпульс прототипу міні-геліконного плазмового двигуна при роботі на азоті становив 2000-4000 с, на аргоні - 1000-2000 с. Двигун показав тягу 10 мН при потужності 700 Вт і витраті аргону 20 кубічних сантиметрів за хвилину
За своєю конструкцією двигун дуже простий. У кварцову трубку (камеру) подається газ (N2). На трубку навита обмотка, яка при пропусканні електричного струму створює всередині сильне аксіальне (спрямоване вздовж осі) магнітне поле (B) (замість обмотки можуть бути використані сильні постійні магніти). Поряд з магнітами розташована спеціальна антена, короткохвильове випромінювання якої іонізує газ, що надходить у трубку, перетворюючи його в плазму, і розігріває її електронну компоненту. Магнітне поле забезпечує радіальне утримання плазми та ізоляцію стінок трубки, а також спрямовує потік електронів. При цьому за рахунок високого тиску електронів утворюється електричне амбіполярне поле (EA), яке розганяє іони по утвореному соленоїдальним магнітним полем каналу. Тяга і імпульс такого двигуна залежать від співвідношення витрати газу і потужності, що подається на антену, а швидкість закінчення плазми дуже висока - до 40 км/с (для азоту). Двигун не має електродів, а стінки камери не схильні до ерозії за рахунок магнітної ізоляції.