Космически поход за плазмен и хеликон плазмен двигател на Батишчев, Бележки на Демонеси

Този сайт на WordPress.com е пижамата на котката

Хеликон е духов музикален инструмент. С тази дума физиците наричат електромагнитна вълна, която се възбужда в плазма в магнитно поле. Може би в бъдеще думата "хеликон" ще се превърне в общоприето име за плазмени двигатели, които ще ускорят земните космически кораби до далечни планети.

През последния половин век земната астронавтика уверено овладя близоземното пространство и започна да изучава планетите на Слънчевата система, разчитайки на традиционните двигатели с химическо гориво. Разбира се, в продължение на много години астронавтиката ще разчита на добрата стара "химия". Но химическите двигатели имат сериозно ограничение, свързано с енергетиката на химичните реакции. Те са изключително „ненаситни“, тоест имат нисък специфичен импулс (съотношението на импулса към разхода на гориво). Следователно космическите кораби, които учените изпращат в покрайнините на Слънчевата система, носят много малко полезен товар, дори като се вземат предвид гравитационните маневри в гравитационното поле на планетите, използвани за допълнително ускорение.

Напълно възможно е „химията“ да бъде заменена от електрически реактивни двигатели (ERE). Именно на EJE дизайнерите на космически технологии напоследък възлагат големи надежди. "PM" вече писа за историята на руските плазмени двигатели SPD (№ 12'2005), които се използват като маневрени и корекционни двигатели в някои комуникационни спътници. EJE от същия тип стоеше на европейската сонда "SMART-1", изпратена до Луната през 2003 г., американските сонди "Deep Space-1" (изстреляна през 1998 г. към кометата Борели) и "Dawn" (пусната през 2007 г. за изследователски астероиди Vesta и Ceres) също са оборудвани с ERE, макар и от различен тип - йонни.

„Това са само първите стъпки“, казва Олег Батищев, който оглавява група за разработване на плазмен електрически задвижващ двигател от принципно нов тип в лабораторията за космическо задвижване на Департамента по аеронавтика и астронавтика на Масачузетския технологичен институт. - Но, разбира се, бъдещето принадлежи на плазмените двигатели ”.

От термоядрен до плазмен двигател

В началото на 90-те години в Института по приложна математика работи Олег Батищев, млад кандидат на физико-математическите науки, завършил и доцент в Московския физико-технически институт. М.В. Академия на науките на Келдиш, където се занимава с числено моделиране на системи от кинетични уравнения за електрони, йони и неутрални атоми. Тези проучвания бяха необходими на института Курчатов за проекта на международния термоядрен експериментален реактор "ITER" ("ITER").

„Много изследователски групи от различни страни по света взеха участие в работата по ITER, руснаците работеха в Германия, Англия, Япония, дори Мексико и Бразилия“, спомня си Олег. - Сред американските участници имаше група, която се занимаваше с проблема с дивертор - плоча, която премахва енергията от реактор. Американското министерство на енергетиката ме покани да работя по тази тема в Центъра за плазма за наука и синтез на MIT до 1999 г., когато САЩ се оттеглиха от проекта. Не след дълго срещнах Франклин Чанг-Диас, физик и астронавт от Коста Рика, завършил MIT. В края на 80-те години в същия център за ядрен синтез той се занимава с проектирането на огледални клетки - магнитни капани за плазма, които не отговарят на очакванията (плазмата изтича от тях). Тогава той излезе с идеята как да ускори плазмата и да я изтласка в правилната посока - тоест как да направи плазмен двигател. Той се нуждаеше от плътен източник на плазма и ние го изследвахме ".

Магнитоплазмена ракета

Чанг-Диаз нарече своя проект за двигател „Променлива специфична импулсна магнитоплазмена ракета“, съкратено „VASIMIR“, по-късно името беше променено на „VASIMR“. До 2005 г. Чанг-Диас развива своя проект в Лабораторията за усъвършенствано космическо задвижване (НАСА), а след това в лабораториите на собствената си компания Ad Astra Rocket, близо до Хюстън и в родната си Коста Рика.

Идеята на двигателя VASIMR е много оригинална. Той има три стъпки. Първият е хеликонов плазмен източник, в който газът се йонизира чрез радиочестотно излъчване от специална антена в присъствието на магнитно поле (това е доста често срещан дизайн). Във втория етап йоните се ускоряват от резонансно високочестотно поле: йоните се въртят в равнината на напречното сечение, както в циклотрон (понякога наричан „циклотронно нагряване“). Последният етап е магнитна дюза, която преобразува движението на напречно въртящите се частици в надлъжни, изхвърляйки ускорена плазма с образуването на тяга.

„Целта на проекта VASIMR беше да се създаде мощен двигател с висока тяга от порядъка на Нютони - обяснява Олег.„ Освен това този дизайн има важно предимство, което съществуващите плазмени двигатели от други типове нямат: вие могат да променят специфичния импулс в широк диапазон, тъй като за максимална ефективност на ракетата скоростта на изтичане на работната течност в идеалния случай трябва да бъде равна на нейната скорост, тогава енергията се изразходва по оптималния начин ".

Изхвърлете ненужното

Както Олег си спомня, в процеса на проектиране на хеликонов плазмен източник за VASIMR беше открита интересна теоретична последица:

„Представете си, че започвате да изпомпвате енергия в газа с помощта на антена. Отначало нищо не се случва, след това възниква електрически срив, газът се йонизира и се образува плазма. Точно тази студена и плътна плазма влиза в циклотронната фаза на двигателя VASIMR и гореща плазма там не е необходима - това е допълнителен разход на енергия. Ако продължим да изпомпваме енергия в хеликоновия източник, според нашата теория трябва да се наблюдава рязък скок в неговата ефективност: след пълна йонизация на газа („изгаряне“), цялата енергия отива за нагряване на плазмените електрони, а радиационните загуби са само малка част. Експериментите потвърдиха наличието на този ефект, което ме доведе до идеята да създам ефективен и много прост плазмен двигател. ".