Космический электровоз

Космический электровоз

В Политехническом музее Москвы хранится уникальный экспонат -- двигательная установка малой тяги с питанием от солнечных батарей, созданная в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова под руководством профессора Алексея Ивановича Морозова. Реактивную тягу этого стационарного плазменного двигателя (СПД) создаёт не поток газов или продуктов химической реакции топлива с окислителем, а плазма, разогнанная электромагнитным полем. Двигатели такого рода предназначены для перехода искусственных спутников Земли с одной орбиты на другую, стабилизации на орбите и других целей.

Стационарные плазменные двигатели получили высокую оценку и за рубежом. СПД -- единственная отечественная разработка, представленная в отделе космонавтики парижского Дома науки и техники.

Несоразмерность задач и средств

При запусках искусственных спутников Земли постоянно возникает одна и та же ситуация. Спутник выводится на первоначальную, опорную орбиту высотой около 150 километров. Далее его нужно перевести на рабочую орбиту, скажем, геостационарную, на высоту 36 тысяч километров. Для этого включают двигатель, который и производит нужный манёвр, проработав некоторое время. Оценить произведённую им работу можно через понятие так называемой характеристической скорости. Суть его заключается в следующем.

Предположим, что имеются два абсолютно одинаковых аппарата: один, скажем, на орбите возле Земли, другой -- в абсолютно пустом пространстве, без полей тяготения и других воздействий. Они одновременно включают двигатели, работающие в совершенно одинаковом режиме. Первый аппарат совершает манёвры, садится на Луну, возвращается и вообще делает всё, что требуется. А второй движется по прямой, не маневрирует, но его двигатель всё время работает в том же режиме, что и у первого. В конце концов этот аппарат приобретает некую скорость, которая и называется характеристической. Она-то и определяет эффективность двигателя в данных условиях. Поскольку для каждого полета она своя, можно, сделав несложные расчёты, сразу и с большой точностью оценить, во сколько обойдётся каждый манёвр.

В 1897 году К.Э. Циолковский вывел для величины характеристической скорости несложную формулу:

V = w lnM0/M1,

где w -- скорость истечения газов из сопла реактивного двигателя, M0 -- начальная масса аппарата, M1 -- его конечная масса. Из формулы видно, что разгонять аппарат до скорости V, большей скорости истечения w, за счёт увеличения выбрасываемой массы крайне невыгодно. Если на долю топлива приходится 0,9 всей массы ракеты и, следовательно, конечная масса составляет 0,1 массы начальной (M0/M1 = 10), характеристическая скорость V = 2,3w. Когда это отношение масс уменьшается до 0,01, скорость возрастает только в два раза, и, даже сделав M0/M1 = 0,001, удастся получить всего V = 6,9w: величина логарифма растёт очень медленно. Поэтому во время полёта приходится катастрофически уменьшать массу аппарата: вспомним, как выглядят тяжёлая ракета-носитель на старте и спускаемый аппарат в конце полёта. Этот путь в принципе возможен, но для высоких скоростей практически неосуществим.

Американский ракетный комплекс „Сатурн-Аполлон" при стартовой массе 2900 тонн выводит в космос только 129 тонн. Аналогичное соотношение и во всех других ракетах-носителях, в том числе наших. Причина в том, что ракета в полёте вынуждена выбрасывать огромную массу реактивных газов, чтобы компенсировать низкую скорость их истечения.

Остаётся второй вариант: увеличить скорость истечения реактивных газов. Характеристическая скорость зависит от неё линейно, то есть пропорционально. Она вырастет во столько же раз, во сколько увеличится скорость истечения газов.

Современные реактивные двигатели работают, как правило, за счёт химической реакции соединения компонентов топлива и окислителя. Чем больше энергии выделяется в ходе этой реакции, тем выше скорость истечения из сопла двигателя её газообразных продуктов одинаковой массы. Почти предельную энергию обеспечивает реакция кислорода с водородом (больше даёт только фтор, особенно атомарный, с водородом; но и сам окислитель, и фтористый водород невероятно химически активны и агрессивны). Однако и она неспособна создать потоки со скоростями больше 4-5 км/с. Для современной космической техники этого во многих случаях недостаточно.

Чтобы вывести спутник на круговую орбиту, носитель должен развить скорость около 8 км/с; чтобы отойти от Земли в космическое пространство -- более 11 км/с; соответствующие характеристические скорости будут процентов на тридцать выше. И если скорость истечения газов сделать порядка характеристической скорости для данного манёвра, конечная масса аппарата будет соизмерима с массой начальной. Она может быть меньше пусть даже в два-три раза, а не в десятки и сотни, как сегодня. Для этого нужны другие двигатели, основанные не на химических реакциях, а на других процессах. Они потребуют новых источников энергии, ибо, чем выше скорость истечения рабочего вещества, тем больше энергии требуется на единицу тяги:

P/F = w/2h,

где Р -- мощность двигателя в ваттах, F -- сила тяги в ньютонах, w -- скорость истечения в м/с, h -- коэффициент полезного действия.

В космосе есть только два источника энергии -- Солнце и ядерные реакции.

Внутриядерную энергию получают либо из реакций деления тяжёлых элементов, либо путём синтеза элементов лёгких. Реакция синтеза способна дать колоссальное количество энергии, но управлять ею в ближайшее время вряд ли научатся. Остаются реакторы, основанные на делении, а для маленьких аппаратов -- изотопные батареи. Ядерная энергетика, однако, себя сильно скомпрометировала и нажила множество противников.

На внутренних орбитах источником энергии может служить Солнце. Был, например, проект использовать бортовые зеркала-концентраторы, собирающие солнечную энергию на теплообменнике с водородом. Нагретый до 2000° газ потечёт из сопла реактивного двигателя со скоростью порядка 10 км/с, что уже вполне достаточно для манёвра в околоземном пространстве. Однако такая система громоздка и ненадёжна, поэтому основным источником электроэнергии на борту пока остаются солнечные батареи. Если в 60-х годах киловатт мощности снимался с панели массой около центнера, то сегодня „рекордные" устройства дают ту же мощность с 20 килограммов массы. В целом же бортовые батареи дают суммарную мощность не выше 20 кВт и остаются достаточно эффективными только сравнительно недалеко от Солнца -- внутри орбиты Марса или пояса астероидов. Интенсивность света сильно падает с расстоянием (I ·R-2), и для полётов к удалённым планетам волей-неволей придётся использовать реакторы. Ибо переход на скорости истечения газов, соизмеримые с характеристическими, -- абсолютно неизбежный путь развития космонавтики.

Электрическая энергия вместо химической

Чтобы поднять с Земли и разогнать до первой космической скорости огромный космический аппарат, требуются мощности в миллионы и десятки миллионов киловатт. На этом этапе никаких реальных альтернатив реактивным двигателям на химическом топливе пока нет. Но если аппарат уже выведен на орбиту, им вполне можно управлять при помощи двигателей малой мощности. Они могут поддерживать ориентацию спутника, стабилизировать его на орбите, переводить с одной орбиты на другую.

Стенд в Доме науки и техники (Париж), посвящённый стационарным плазменным двигателям и их создателю -- А.И. Морозову.

Существует несколько конструкций таких двигателей. В настоящее время, например, созданы хорошие модели так называемых электронагревных двигателей. Газ -- аммиак или гидразин -- пропускают через катализатор, который его разлагает на молекулы, и нагревают изотопным источником тепла или электрической печкой. Молекулы имеют гораздо меньшую массу и при нагреве приобретают более высокую скорость. Но есть и другой путь: получить направленный поток не молекул, а ионов или плазмы, разогнав их при помощи электрических и магнитных полей.

Путь этот чрезвычайно перспективен. Элементарные расчёты показывают, что ион водорода, пройдя разность потенциалов 4,5 вольта (напряжение батарейки „Крона" в два раза выше), приобретёт скорость 30 км/с -- гораздо большую, чем может дать химическая реакция. Неудивительно, что в начале 60-х годов, после запуска первого искусственного спутника Земли, работы по созданию электрореактивных двигателей развернулись сразу во многих странах, но ведущими оставались СССР и США. В нашей стране были созданы очень сильные научные коллективы, среди которых особенно выделилась группа из Института атомной энергии. Ей удалось найти интересные научные решения, благодаря которым мы до сих пор удерживаем лидирующее положение в этой области, а созданные ею стационарные плазменные двигатели (СПД) признаны лучшими в мире.

Как работает СПД

Ускорение ионов в полях позволяет получить скорости, которые решают все проблемы обозримого будущего космонавтики. Оставалось эту принципиальную возможность реализовать в металле. Для этого есть два пути.

Можно взять два электрода и приложить к ним постоянное напряжение. Пусть на одном будет напряжение +4,5 вольта, а потенциал второго (катода) будем считать нулевым. Положительный электрод (анод) соединён с ионизатором газа. Ионы, вышедшие из него через отверстие в аноде, начнут ускоряться в электрическом поле, устремляясь к электроду с нулевым потенциалом. Если в нём сделать отверстие, ионы пролетят сквозь него в пространство со скоростью 30 км/с. А электроны, оставшиеся в ионизаторе, уходят через электрическую цепь и источник питания на катод. Эта система получила название ионный двигатель: в зоне его ускорения находятся только ионы.

На самом же деле водородных ионных двигателей на 4,5 вольта нет. Причина этого одна: в ускоряющем промежутке невозможно получить высокую плотность частиц. Ионы создают в нём довольно большой объёмный заряд, который быстро экранирует потенциал нулевого электрода и „запирает" поток. Чтобы обеспечить достаточно большой ток, нужно создать высокую напряжённость поля, как можно сильнее сдвинув электроды. Но предельное расстояние между ними ограничено долями миллиметра: в слишком узком зазоре возникнет пробой. Скорость наращивать тоже нельзя: это ведёт к повышению энергетических затрат на единицу тяги. Поэтому в таком двигателе используют тяжёлые частицы -- ионы ксенона, ртути или цезия, работают при напряжении порядка тысячи вольт и получают довольно приличный ток и сравнительно большую тягу.

Второй путь -- плазменные двигатели, где в зоне ускорения имеются и электроны, и ионы. Рассмотрим подробнее, как они работают.

Наиболее существенный недостаток ионных двигателей -- появление объёмного заряда в ускоряющем промежутке. Казалось бы, этого можно избежать, поместив в него электроны и получив квазинейтральную плазму. Однако в электрическом поле сразу же начнут ускоряться более лёгкие электроны, причём до скоростей в тысячи и десятки тысяч километров в секунду. Это в сотни раз больше, чем нам нужно.

Чтобы преодолеть подвижность электронов, их нужно к чему-то „привязать". Это легко сделать, создав в промежутке магнитное поле, перпендикулярное электрическому. В магнитном поле заряженные частицы вращаются по круговой, так называемой ларморовской, орбите. У электронов её диаметр в наших условиях -- десятые доли миллиметра, а у ионов -- порядка метра. Ионы практически не чувствуют магнитного поля, движутся только под действием поля электрического и с большой скоростью покидают двигатель. Таким образом, система превращается в ускоритель ионов, в котором мешающего объёмного заряда нет.

На первый взгляд плазменный двигатель -- очень простое устройство. Это кольцевой электромагнит, в зазор которого помещена камера (её называют также каналом) из диэлектрического материала. В глубине камеры расположен анод. Снаружи, возле среза камеры, расположен катод-нейтрализатор. Рабочее вещество (ксенон) поступает в канал и вблизи анода ионизуется. Ионы ускоряются в электрическом поле и вылетают из двигателя, создавая реактивную тягу. А электроны, как и в ионном двигателе, попадают на анод, проходят по цепи до катода-нейтрализатора и поступают в ионный поток, нейтрализуя и его, и двигатель. Делать это абсолютно необходимо -- в противном случае спутник, выбрасывая положительные ионы из двигателя, приобрёл бы отрицательный потенциал большой величины.

Так устроен стационарный плазменный двигатель (СПД). Пара обмоток образуют кольцевой электромагнит, в зазор которого -- камеру -- подаётся ксенон. Его атомы ионизуются вблизи анода, ионы ускоряются в электрическом поле и вылетают из двигателя, создавая реактивную тягу. Из катода-нейтрализатора (на снимке двигателя их два -- рабочий и резервный) в ионный поток поступают электроны. Сталкиваясь с ионами, вылетающими из камеры, и атомами ксенона, вытекающими из нейтрализатора, они возбуждают их, заставляя излучать свет. На снимке работающего двигателя хорошо видно розовое свечение атомов ксенона и голубое -- его ионов. Если рассмотреть поведение элементарных частиц в СПД, обнаружится очень любопытная картина. Магнитные силовые линии проходят в радиальном направлении. Заряженные частицы в поле имеют тенденцию двигаться по окружности, но тяжёлые ионы повернуть не успевают. Зато электроны, которые в две тысячи раз легче, начинают вращаться вокруг силовых линий. Возникает система, в которой роль электродов, „вытягивающих" ионы из анода, играют электроны, „навитые" на силовые линии. Между анодом и катодом создаётся разность потенциалов; возникает электрическое поле. Препендикулярно ему имеется магнитное поле, созданное системой катушек. В эти „скрещённые" поля подаётся ионизованный газ.

СПД на Земле и в космосе

Наша страна продолжает лидировать в области конструирования электроракетных систем. Стационарные плазменные двигатели стоят почти на шестидесяти отечественных спутниках в качестве двигателей коррекции. Они подстраивают положение спутника на орбите и в принципе могут перевести его, скажем, с опорной орбиты на высоте 150 -- 200 километров на геостационарную орбиту высотой 36 тысяч километров. Для этой операции понадобятся три-четыре месяца непрерывной работы, за которые будет выброшено всего-навсего десять килограммов вещества. Специалисты считают, что в ближайшие два-три года начнётся настоящий бум использования электроракетных двигателей и для коррекции орбит искусственных спутников Земли, и для полётов на другие планеты. Для всех этих работ СПД незаменимы; они будут стоять и на автоматической станции, которую по программе Российской академии наук запустят к спутнику Марса Фобосу в самом начале третьего тысячелетия. А вот для ориентации космического аппарата они слишком мощны, для этого нужны совсем миниатюрные конструкции.

И для решения чисто земных задач поле деятельности плазменных двигателей огромно. Уже сейчас СПД в соответствующем исполнении используются для обработки различных поверхностей -- из металла, стекла, полупроводников. Но, по-видимому, область их применения, а точнее -- принципов, в них заложенных, будет несравненно шире, тем более, что мощность подобных систем может быть увеличена в тысячи раз. И в первую очередь связано это с принципиально новым их конструктивным элементом -- прозрачными магнито-электронными электродами, которые во многих случаях могут заменить электроды твёрдотельные.

подробности для любознательных

История плазменных двигателей

Первые предпосылки для создания плазменно-ионных двигателей возникли более ста лет назад. В конце прошлого века начались интенсивные работы по изучению газов при помощи электрического разряда. Исследуемый газ под невысоким давлением помещался в стеклянную трубку с впаянными электродами -- анодом и катодом. При дальнейшем снижении давления в трубке стали видны лучи, исходящие из катода. Детальное исследование показало, что эти „катодные лучи" -- поток электронов.

В 1886 году обнаружилось ещё одно интересное явление. Если в плоском катоде проделать отверстия („каналы"), то через них в обратном направлении протянутся другие лучи, которые назвали каналовыми. Это были потоки ионизованных атомов газа. Однако в то время, разумеется, никто не предполагал, что их можно использовать для получения реактивной тяги.

Первый эффективный ионный двигатель был создан американцем Г. Кауфманом в 60-х годах и использован в космическом эксперименте Sert-II. В двигателях этого типа имеются ионизационная камера с электрическим разрядником и ускоряющий электрод в виде пластины с отверстиями. Рабочий газ (скажем, ксенон) поступает в камеру, где его атомы распадаются на электроны и положительно заряженные ионы. Поток ионов выходит из камеры и ускоряется под действием напряжения, приложенного к дырчатому электроду. Электроны проходят по цепи питания двигателя и поступают на нейтрализатор, стоящий на пути ионного пучка. Ионы, удаляясь от двигателя, увлекают их за собой.

Примерно в это же время в нашей стране был создан плазменно-эрозионный двигатель конструкции А.М. Андрианова. Он стал первым устройством такого типа, выведенным в космос: в 1964 году его установили на аппарате „Зонд-2" в качестве двигателя ориентации с питанием от солнечных батарей.

Двигатель выполнен в виде двух цилиндрических коаксиальных электродов, разделённых изолятором. К центральному электроду подведена поджигающая игла, соединённая с конденсаторной батареей. При разряде конденсатора между иглой и электродом происходит разряд, вызывающий их испарение (эрозию) и ионизацию. Эта „затравочная" плазма поступает в промежуток между электродами, на которые подано высокое напряжение основной конденсаторной батареи. Появление плазмы инициирует поверхностный разряд, который испаряет материал изолятора и ионизует его молекулы. Нагрев и взаимодействие тока с собственным магнитным полем ускоряют плазму.

К середине 60-х годов в нашей стране были получены обнадёживающие результаты по разработке плазменных двигателей разных типов. Но наибольший успех пришёл к группе из Института атомной энергии им. И.В. Курчатова, которой руководили А.И. Морозов и Г.Я. Щепкин. Этот коллектив к маю 1969 года создал работающий макет двигательной установки. После конструкторской доработки в ОКБ „Факел" двигатель в последних числах 1970 года был установлен на спутнике „Метеор"и выведен на орбиту. С тех пор прошло почти тридцать лет, но этот стационарный плазменный двигатель (СПД) всё ещё не имеет конкурентов -- другие схемы оказались менее эффективными и штатной принадлежностью космических аппаратов не стали.

В середине 80-х годов работы над СПД из Института атомной энергии были переведены в Московский институт радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА) и продолжены в лаборатории профессора Антонины Ивановны Бугровой. В 1992 году лабораторию посетил вице-президент франко-европейской космической фирмы SEP г-н Буланже. Он предложил заключить контракт на создание патентно чистой модели СПД с улучшенными характеристиками.

Дело в том, что двигатели имеют два существенных недостатка: большую расходимость плазменного пучка (до 45°) и КПД порядка 50%, что было меньше их возможностей. И была у них одна странность: наиболее сильная тяга получалась при геометрии полей, с точки зрения теории далёкой от оптимальной. Когда причины такого поведения удалось понять, сотрудники лаборатории МИРЭА изменили конфигурацию канала, анода и магнитного поля. Это сразу же дало удивительные результаты: КПД вырос почти до 70%, а расходимость пучка стала меньше 10°. Так были созданы СПД второго поколения.