www.ASTROLAB.ru

ASTROLAB.ruСтатьиКосмический двигатель третьего тысячелетия [Часть 1]
ГлоссарийФото космосаИнтернет магазинКосмос видео



Космический двигатель третьего тысячелетия [Часть 1]
Версия для печати

Космический двигатель третьего тысячелетия!
(полеты в Солнечной системе)

Использовать энергию ветра и двигаться прямо против ветра можно, если заменить парус двигателем типа ветряной мельницы, который будет вращать гребной винт корабля. Существует известная задача физика П.Капицы о таком необычном судне (журнал "Катера и яхты",1981,№1,с.25).

Кинетическую энергию встречного потока газа можно использовать для увеличения скорости полета космического аппарата с помощью реактивного двигателя с условным названием ЭОЛ (журнал "Инженер",1992г,№1,с,39). Принцип действия двигателя следующий: ионизированный под действием мощного электронного луча газ (плазма) захватывается массозаборником и направляется в канал МГД-генератора; в следствии торможения плазмы вырабатывается электрический ток, который приводит в действие реактивный движитель и бортовые системы космического аппарата.

Сила тяги электрореактивного движителя превышает силу торможения встречного потока плазмы и космический аппарат увеличивает скорость полета, отбрасывая часть своей массы, в соответствии с законами сохранения энергии, импульса, массы.

Превышение силы тяги над силой торможения, создаваемое на каждый килограмм массы выбрасываемого из электрореактивного движителя рабочего тела, называется удельной тягой. В режиме ускорения максимальное значение удельной тяги можно вычислить путем умножения постоянной 0,051 с2/м на скорость истечения рабочего тела. Скорость истечения рабочего тела прямо пропорциональна скорости космического аппарата относительно захваченной плазмы и коэффициент пропорциональности равен 0,684 (при коэффициенте полезного действия двигателя ЭОЛ 0,9 - ссылка №1).Захваченная массозаборником плазма проходит через сквозное отверстие канала МГД-генератора и вытекает со скоростью, которая равна скорости истечения рабочего тела. Таким образом, величина удельного импульса реактивного двигателя ЭОЛ прямо пропорциональна скорости полета космического аппарата и коэффициент пропорциональности равен 0,0349.

Из-за слишком малой плотности межпланетной среды экраны массозаборника лучше всего "строить" из магнитных полей. Авторы книги "Ракеты будущего" доктора технических наук В. Бурдаков и Ю. Данилов полагают, что можно создать магнитную воронку диаметром около 1000 километров. По их мнению, при скорости полета 100 км/с такая воронка обеспечит ежесекундно поступление 1 кг плазмы. Мощность потока плазмы составит 5млн кВт.

В этих условиях реактивный двигатель ЭОЛ обеспечит космическому аппарату массой 1000 тонн ускорение минимум 0,031м/c2. В оптимальном режиме (критерий оптимальности - максимальное значение удельной тяги) удельная тяга составит 3490с, затраты рабочего тела 0,925кг/с, скорость истечения рабочего тела 68,4км/с, сила тяги превысит силу торможения на 3230кг. Увеличение силы тяги приводит к незначительному снижению удельной тяги. Так, при увеличении затрат рабочего тела на 100% - до 1,850кг/с, удельная тяга уменьшится лишь на 5% и составит 3320с. Превышение силы тяги над силой торможения возрастет на 90% и составит 6140 кг, а ускорение космического аппарата 0,060 м/c2.

Необходимость в экстренном ускорении космического аппарата (за счет снижения удельной тяги) возникает при использовании любых временных благоприятных обстоятельств.

Так, при прохождении ядра кометы вблизи Солнца в межпланетном пространстве образуется газово-пылевое облако. Газы, из которых оно состоит, ионизируются под действием солнечных лучей и могут быть захвачены магнитной воронкой даже без дополнительного "обстрела" быстрыми электронами с борта космического аппарата. Кроме твердого ядра размером 10 - 50 км, в строении комет выделяют газово-пылевую оболочку, ее размеры достигают иногда 2 млн км и хвост (он простирается иногда на 150 млн км). Если большие и малые планеты вращаются вокруг Солнца в одном направлении, то кометы не придерживаются никаких правил. В частности, комета Галлея движется практически навстречу Земле. Во время очередного прохождения кометы Галлея вблизи Солнца в марте 1986 года автоматические межпланетные станции "Вега-1" и "Вега-2" пролетели на расстоянии всего несколько тысяч километров от ядра через плотную газово-пылевую оболочку со скоростью около 80 км/с.

Для увеличения концентрации газа в межпланетном пространстве могут использоваться искусственные источники. Опыты с искусственной кометой уже проводились с целью исследования магнитного поля Земли.

Спутник ИРМ, созданный институтом им. Макса Планка, выпустил на высоте 110 тысяч километров облако заряженных частиц бария. Облако сначала было зеленым, а через полминуты стало фиолетовым благодаря ионизации под действием солнечных лучей. Через 8 минут от облака протянулся хвост на 20 тысяч километров, а скорость частиц бария под давлением солнечных лучей достигла несколько десятков км/с.

Для эффективной работы реактивного двигателя ЭОЛ необходимая скорость может сообщаться космическому аппарату при помощи маневров баллистического ускорения с использованием силы тяготения планет и Солнца. Предположим, космический аппарат движется по гелиоцентрической орбите радиусом 150 млн км со скоростью 30 км/с. Уменьшив при помощи магнитной воронки свою скорость до 14 км/с по вытянутой эллиптической траектории он за 77 суток приблизится к Солнцу на расстояние 19 млн км (перигелий). До этого момента скорость космического аппарата будет возрастать лишь под действием силы тяготения Солнца и достигнет 112 км/с. В перигелии реактивный двигатель ЭОЛ сообщит космическому аппарату ускорение и обеспечит выход в любую точку Солнечной системы.

Можно обратиться к испытанному на практике баллистическому ускорению. Смысл его заключается в том, что космический аппарат, проходящий в сфере действия гравитации планеты (позади нее отношению к направлению ее собственного движения), ускоряет свое движение. Наибольший интерес для таких эволюций в Солнечной системе представляют собой планеты-гиганты. Так, за счет Юпитера приращение скорости может достигать 40 км/с.

Для формирования в межпланетном пространстве движущихся с большой скоростью потоков плазмы можно использовать электрические ракетные двигатели (ЭРД), которые устанавливаются на космических объектах естественного или искусственного происхождения. Ракетные двигатели относятся ко второму классу реактивных двигателей, которые не используют для работы окружающую среду. ЭРД состоят из двух основных частей:
1) силовая установка, которая вырабатывает электрический ток за счет ядерной, химической или солнечной (ссылка №2) энергии;
2) реактивный движитель, в котором с помощью электрического тока разгоняется рабочее тело.

ЭРД подразделяют на три основные группы:
1) в электротермических электрический ток просто нагревает рабочее тело до очень высокой температуры, в следствии чего скорость истечения может составлять десятки км/с;
2) в электромагнитных (или плазменных) скорость истечения рабочего тела сильно нагретый и потому электропроводный газ при помощи электромагнитного поля разгоняется до скорости сотни км/с;
3) в электростатических (или ионных) нагревание рабочего тела может быть незначительным или совсем отсутствовать, сначала происходит ионизация рабочего тела каким-либо способом, а потом уже поток ионов разгоняется в электростатическом поле до скоростей десятки и сотни км/с.

Искусственные и естественные космические объекты (базы), на которых предполагается устанавливать ЭРД, могут иметь практически любую массу, т. к. основная задача не перемещение этих объектов в пространстве, а создание с их помощью потока плазмы. Таким образом, на космических объектах (базах) искусственного и естественного происхождения, в отличие от космических аппаратов, можно расположить ЭРД сколько угодно большой массы и мощности.

Так, для создания потоков плазмы (течений), движущихся с большой скоростью в окрестностях Земли, можно использовать ЭРД, расположенные на Луне. Здесь можно построить ядерную или солнечную электростанцию и на участках лунной поверхности расположить любое количество небольших ЭРД различного типа, которые своей согласованной работой будут создавать мощный поток плазмы.

Космический аппарат, оснащенный двигателем ЭОЛ, за счет использования потока плазмы окажется в состоянии осуществить посадку на поверхность Луны, а также взлет с Луны в космическое пространство. Эти маневры могут осуществляться практически без затрат бортовых запасов рабочего тела; небольшие расходы рабочего тела понадобятся лишь для стабилизации положения космического аппарата в пространств и коррекции его курса. Такой результат достигается при достаточно большой мощности МГД-генератора, когда сила, возникающая в результате торможения потока плазмы, превышает силу притяжения Луны. Избыток вырабатываемой электроэнергии с борта космического аппарата передается на Луну и используется повторно для работы ЭРД на Луне. При недостаточной мощности МГД-генератора, вырабатываемая им электроэнергия будет использоваться для работы реактивного движителя космического аппарата. В этом случае космический аппарат будет осуществлять взлет и посадку, используя бортовые запасы рабочего тела.

ЭРД с небольшой скоростью истечения рабочего тела (электротермические) обеспечат запуск космических аппаратов с поверхности Луны, полеты с Луны на Землю и обратно, посадку на поверхность Луны. ЭРД с большой скоростью истечения рабочего тела (электромагнитные; электростатические) будут использоваться главным образом для обеспечения особо сложных и дальних космических полетов.

Для создания в межпланетном пространстве потоков плазмы можно использовать ЭРД, расположенные на поверхности тех небесных тел Солнечной системы, которые вследствие небольшой силы тяжести не имеют плотной атмосферы. Это наименьшие планеты Меркурий, Марс и Плутон, естественные тела-спутники более крупных планет, а также астероиды и кометы. Освоение всех планет Солнечной системы может осуществляться с помощью таких ракетно-космических комплексов, как на Луне. Единственное исключение Венера, у которой плотная атмосфера и нет естественных спутников.

В некоторых случаях удается организовать полет таким образом, что сила, возникающая в результате торможении потока плазмы и сила тяги электрореактивного движителя, будут действовать в одном направлении. Такая возможность возникает при посадке космического аппарата на Луну (или другие вышеуказанные небесные объекты), при взлете с их поверхности в космическое пространство. Существуют другие варианты. Например, при полетах с Земли на Луну космический аппарат, находящийся на геоцентрической орбите, разгоняется под давлением потока плазмы (в направлении от Луны), а затем сила тяготения Земли разворачивает траекторию полета таким образом, что космический аппарат проходит вблизи Луны с последующим торможением и посадкой.

Большой интерес представляет собой возможность использования реактивного двигателя ЭОЛ на последней атмосферной ступени ракеты-носителя, для вывода космического аппарата на околоземную орбиту. В этом случае можно отказаться от применения магнитной воронки, используя лишь гиперзвуковой газозаборник. При скорости 7,0км/с и КПД 0,9 (ссылка №2) двигатель ЭОЛ обеспечит удельный импульс 244 с, при скорости 9,0 км/с - 314 с. Эти значения удельного импульса близки к удельному импульсу современных ракетных двигателей, работающих на жидком двухкомпонентном топливе. Даже при КПД менее 0,9 применение двигателя ЭОЛ может оказаться целесообразным, за счет использования рабочего тела, имеющего плотность в несколько раз большую, чем ракетные топлива.

В качестве носителя двигателя ЭОЛ может использоваться атмосферно-космический самолет. При скорости полета, превышающей первую космическую скорость, его аэродинамическое качество будет препятствовать преждевременному выходу в космическое пространство из верхних разреженных слоев атмосферы. Это значительно повышает эффективность использования двигателя Эол, т.к. атмосферно-космический самолет сможет двигаться в верхних слоях атмосферы продолжительное время со скоростью, достигающей 10 - 12 км/с. На основе атмосферно-космического самолета, оснащенного двигателем ЭОЛ, может быть осуществлена разработка транспортных систем многоразового использования, более дешевых по сравнению с американским космическим челноком. Возвращаясь из космоса, атмосферно-космический самолет сможет войти в атмосферу Земли под более острым углом, и осуществлять торможение до первой космической скорости на протяжении нескольких витков вокруг Земли, также удерживаясь в верхних слоях атмосферы за счет аэродинамической силы. Это позволит устранить перегрузку и перегрев при возвращении на Землю, упростить и облегчить конструкцию аппарата. В принципе и американский "Шаттл" сможет осуществить подобный маневр, если войдет в атмосферу "вверх ногами", используя крылья для противодействия центробежной силе, которая стремиться "выбросить" его за пределы атмосферы.

На последней атмосферной ступени эффективным может оказаться применение реактивного двигателя, в котором будет происходить непосредственное преобразование части кинетической энергии встречного потока газа в энергию рабочего тела, без участия промежуточных устройств (МГД-генератора; реактивного движителя). Такой двигатель будет иметь более высокий КПД. Он состоит из следующих, объединенных в одно конструктивное целое частей: 1) газозаборника и диффузора для торможения встречного потока газа; 2) камеры, в которой нагретый в следствии торможения до очень высокой температуры атмосферный газ смешивается с рабочим телом; 3) реактивного сопла, через которое расширяясь, вытекает полученная смесь. Для охлаждения двигателя и как рабочее тело используются обладающие большой плотностью органические соединения, продукты распада которых имеют по возможности близкие к атмосферным газам молекулярные массы.






??????.???????