В космос — на плазме
Новый тип двигателя позволит значительно уменьшить вес космических аппаратов и увеличить их скорость. Это не только сделает намного более короткими полеты к Марсу и Венере, но и откроет возможность для путешествий к окраинам Солнечной системы.
Профессор Вашингтонского университета Джон Слау разработал проект электромагнитного плазмоидного двигателя (ЭПД). Он является революционным типом двигательной установки и позволяет резко сократить массу космического аппарата, а также увеличить эффективность двигателей по сравнению с традиционными системами. ЭПД имеет высокую удельную мощность (более 700 Вт/кг) и завидную экономичность.
Плазма, которую иногда называют четвертым состоянием вещества, является ионизированным (электрически заряженным) газом, состоящим из атомов, лишенных некоторых из своих электронов. Из нее построены звезды. Это газ, нагретый до чрезвычайно высоких температур в миллионы градусов. Ни один из известных материалов выдержать таких не мог бы. К счастью, плазма является хорошим электрическим проводником. Это свойство позволяет удерживать ее, управлять ею и ускорять ее с помощью правильно созданных магнитных полей.
Как это работает
Принцип работы ЭПД следующий. В рабочую камеру, имеющую форму конуса, впрыскивается газ и разогревается до состояния плазмы. С помощью вращающегося магнитного поля внутри этого потока создается мощное напряжение токов, что приводит к образованию плазмоида, изолированного от стенок камеры магнитным полем. Изменение градиента магнитного поля в мощных плазменных токах приводит к тому, что плазмоид получает ускорение и покидает коническую камеру с огромной скоростью, то есть появляется реактивная тяга. Тем временем в камере формируется новый плазмоид, который в свою очередь тоже выстреливается в пространство.
По мнению ученых, новый тип двигателя будет представлять собой импульсное устройство, потребляющее 1 кВт и выдающее разряд с энергией 1 Дж с частотой 1 кГц. В НАСА разработали теорию такого устройства и его дизайн, а также доказали его практическую работоспособность на действующей модели в лаборатории. Специалистам удалось создать небольшой, всего 10 см в диаметре, двигатель, который продемонстрировал надежную работу в импульсном режиме с энергией от 0,5 до 5 Дж.
Надо отметить, что Джон Слау в рамках проекта Helion Energy по коммерциализации энергии термоядерного синтеза уже разработал другой проект — индуктивный ускоритель плазмы, позволяющий ускорять плазмоиды до скорости 600 км/с. Это гораздо больше, чем скорость истечения рабочего тела в любых других двигателях. Применение технологии индуктивного ускорителя плазмы в электромагнитном плазмоидном двигателе должно привести к созданию космического аппарата, обладающего недостижимыми прежде характеристиками.
ЭПД имеет массу преимуществ, даже по сравнению с изобретенными не так давно ионными двигателями. Прежде всего, он может использовать в качестве топлива большой спектр рабочих тел: кислород, аргон, гидразин или смесь газов. Это позволяет производить дозаправку аппаратов в космосе, а также теоретически пользоваться «местным» топливом, например, газами из атмосферы Марса. Кроме всего прочего, одной из особенностей этого инновационного двигателя является то, что он может применять для своей работы энергию солнечных лучей. По заверениям разработчиков, ее будет достаточно, чтобы достичь ближайших к Земле планет, таких как Марс или Венера.
Тем временем
В мире разработаны несколько типов плазменных двигателей, в основу которых положены разные технологии создания плазмы и управления ею.
Плазменные двигатели были изобретены в СССР. Еще в 1971 году первый аппарат, оснащенный ПРД «Эол-1», успешно испытан в космосе.
Позднее мощные двигатели разработали в ОКБ «Факел» — СПД-290 для космического буксира «Геркулес», в Институте атомной энергии — 5-мегаваттный ускоритель на водороде. В 1980 году совместными усилиями ИАЭ, Харьковского физико-технического института, Троицкого института инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ) и Института физики Белоруссии построен исполинский 10-гигаваттный ускоритель.
Сегодня электроракетными двигателями оснащен, к примеру, американский зонд Dawn, совершающий путешествие к астероидам Веста и Церера, и японский аппарат Hayabusa, который в 2005 году изучал астероид Итокава. Правда, на этих аппаратах установлены не плазменные, а ионные двигатели.
В еще одном разработанном НАСА двигателе — VASIMR — в качестве источника плазмы используется газ аргон. Однако проект электромагнитного плазмоидного двигателя, предложенный Джоном Слау, по своим характеристикам намного превосходит все эти разработки.
