Фотонные двигатели что это

Фотонные двигатели что это

Техника-молодежи № 11 за 1973 г.

ПРОБЛЕМЫ И ПОИСК Тяговые системы открытого космоса А. Владимов

У ракетных двигателей — химических и проектируемых ядерных — есть одна общая особенность: они подобны путнику несущему на плечах весь необходимы ему запас пищи, питья и воздуха. Космический корабль с тяговой системой такого рода ограничен в своих возможностях. Он в состоянии менять траекторию полета лишь до тех пор, пока не израсходует все бортовые ресурсы массы и энергии. С этого рокового момента он становится неуправляемым телом, летящим под действием полей тяготения. Дальность активного полета даже с ядерным двигателем слишком мала по сравнению с размерами открытого космоса.
А между тем устройство вселенной, действующие в ней физические законы не запрещают строить принципиально иные тяговые системы, способные черпать из внешних источников энергии и вещества.

Насколько пуста космическая пустота?

Абсолютной пустоты нет нигде. И по величине средней плотности рассеянного вещества различаются околосолнечное, межзвездное и галактическое пространство.
В пределах нашей планетной системы основной источник частиц и электромагнитных изучений — Солнце. Из его недр непрерывно извергается плазменный поток, именуемый солнечным ветром. Его средняя плотность — до 10 протонов и электронов в 1 куб. см. Но периодически во время вспышек наше светило выбрасывает мощные потоки заряженных частиц. И тогда плотность отдельных участков межпланетного пространства возрастает во много раз.
Межзвездная среда нашей Галактики заполнена водородом в разряженном состоянии и мелкими пылевыми частицами. Есть еще нейтральные (водородные) и ионизированные (протонно-электронные) облака. Они разбросаны хаотически и занимают не более 10 % межзвездного пространства. Плотность вещества в нейтральных облаках та же, что и в пределах солнечной, а внутри ионизированных подчас возрастает на 2-3 порядка.
Сведения о межгалактической среде весьма скудны. Считается, что она заполнена очень разреженным газом (примерно 10 -7 атомов водорода в 1 куб. см). В земных условиях надо затратить немало усилий, чтобы получить такую пустоту. Однако и этот глубокий вакуум далеко не бесполезен для создания тяги. К тому же громадные скорости полета кораблей в открытом космосе скомпенсируют высокую разреженность пространства.
Как видим, вещество есть везде. Надо лишь научиться применять его в качестве рабочего тела тяговых систем. Что касается энергии, то ее источников много. Звезды типа Солнца, пульсары, квазары, ионизированные облака — все это генераторы космических частиц, теплового излучения, электростатических и электромагнитных полей.
Шведский физик, лауреата Нобелевской премии Х. Альвен считает: в принципе можно извлечь энергию из перепадов напряжений в магнитосфере Земли, а также и солнечного ветра. В последнем случае корабль может «плыть под напором солнечного ветра», приобретая скорость примерно тог же порядка.

Авиация подсказывает

Тяговые системы, засасывающие вещество извне, давным-давно существуют. Это воздушно-реактивные двигатели (ВРД), применяемые в авиации. Кислород воздуха идет на сжигание запаса топлива. Выбрасываемые с большой скоростью продукты сгорания и создают тягу.
Турбокомпрессорные ВРД при годен для полета в атмосфере со скоростями до 1.5 — 2 км/сек. Для более быстрого полета нужен двигатель другого типа, например гиперзвуковой прямоточный (рис. 1). Его размеры и геометрия таковы, что летательный аппарат становится, по сути, крылатым двигателем.
У гиперзвукового прямоточного ВРД есть один недостаток: его самого предварительно надо разгонять до некоторой скорости. Зато дальше, вплоть до первой космической скорости у него нет конкурентов среди воздушно-реактивных двигателей. Его тяга равна разности импульсов выбрасываемого и входящего вещества.

Протонные прямоточные

Принцип действия ГПВРД можно распространить и на межзвездную среду. Только роль ускоряемых частиц будут играть не атомы воздуха, а ядра водорода — протоны. Для этого газ придется предварительно ионизировать, затрачивая некоторую энергию, запасенную на борту летательного аппарата. Проект корабля с такой тяговой системой показан на рисунке 2.

Рис. 1. Схема гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя и гипотетический внешней вид летательного аппарата с таким двигателем.

Рис. 2. Корабль для полета в межзвездной среде. В его конструкции использован принцип действия прямоточной тяговой системы.

Перед нами чечевицеобразный диск, обитый по наружной кромке сверхпроводящим кольцом. Охлаждать кольцо можно за счет испарения с его поверхности жидкого гелия. В передней части нашей «летающей тарелки» — коротковолновые излучатели — ионизаторы межзвездного газа. Ток сверхпроводящего кольца создает магнитное поле, фокусирующее заряженные частицы. Они засасываются в двигатель, состоящий из сжимающего диффузора и ускорителя протонов. Разогнанные до большой скорости частицы выбрасываются из задней части диска и создают тягу.
Стало быть, энергетика корабля опирается на внешний, и на бортовые источники вещества. Однако количество гелия на охлаждение токового кольца и на работу ионизатора во много раз меньше массы ионизируемого газа, а он-то и выполняет роль рабочего тела тяговой системы.
Ускорять частицы можно и без диффузора — непосредственно электростатическим и магнитным полями, взаимодействующими между собой. В этом случае токовое кольцо следует установить в плоскости, перпендикулярной линии полета (рис.3). В той же плоскости линейный ускоритель создает электронное облако, а кольцо и весь корабль приобретают противоположный, положительный заряд. Под действие магнитного ил электростатического полей набегающий межзвездный газ частично ионизируется, протоны фокусируются магнитным полем и ускоряются при проходе отрицательно заряженного электронного облака.

Рис.3. Еще одна межзвездная каравелла. Разгон частиц происходит не внутри, а вне летательного аппарата. Тяга передается на него через электронное облако и магнитное поле, которые связаны с кораблем.

Рис. 4. Схема аппарата с ионизирующим лучом. Тяга создается ускорением частиц в магнитном поле. Попутно решается проблема защиты от встречных микрометеоритов.

Рис. 5. Космический корабль с фотонной тягой. Диаметр отражающего металлического зеркала может достигать 250 м.

Система довольно необычная: разгон частиц рабочего тела происходит не внутри, а снаружи космического аппарата. Интересно проследить, каким путем тяга передается на корабль. Ускоренные частицы реактивно воздействую на электронное облако, а от него через удерживающее его магнитное поле тяга передается токовому кольцу, жестко связанному с кораблем. Надо полагать, токовое кольцо будет достаточно солидной конструкцией, а не просто проводником.
Для разгона корабля может пригодиться не только газовая, но и пылевая среда. При этом попутно решается проблема защиты от встречных микрометеоритов. Идею впервые высказал Ф. Цандер. Возможная схема корабля показана на рисунке 4. Проводящие твердые частицы ускоряются бегущим магнитным полем, а непроводящие предварительно заряжаются статическим электричеством — например, за счет облучения электронами. Бортовые запасы энергии необходимы и тут. Но, меняя конструкцию тяговой системы, ее моно полностью перевести на «подножный корми».
Электростатический ее вариант требует, чтобы всему корпусу корабля был сообщен определенный заряд. Только он должен быть очень большим, поскольку все известные природные космические тела — Земля, Луна и другие — заряжены слабо. Возможные средства для решения задачи — электрические генераторы, бортовые протонные и электронные ускорители.
А для создания собственных магнитных полей тяговые системы следует оснащать сверхпроводниковыми контурами или мощными генераторами электротока. Идея взаимодействия магнитного поля корабля с межпланетной плазмой ныне оценивается как наиболее реальная.

Фотонная тяга

По-видимому, дальние космические полеты вряд ли осуществимы без фотонного двигателя: межзвездные расстояния огромные, для их преодоления надо лететь со скоростью, максимально приближающейся к скорости света. А чтобы достичь субсветовых скоростей, необходимо реализовать стопроцентное превращение бортовой массы в энергию в соответствии с формулой Е=мс 2 .
Создание фотонного двигателя обычно связывают с процессом аннигиляции материи и антиматерии, например взаимодействием электрон-позитронной пары, дающими кванты электромагнитного излучения (фотоны). Проблема производства и хранения антивещества сегодня еще не решена. Однако уже сейчас некоторые авторы описывают принципы решения столь трудной задачи.
Другая трудность состоит в получении направленного и сфокусированного излучения. Для этого надо располагать зеркалом, способным, не испаряясь, отражать мощные потоки фотонов. Трудно сказать, удастся ли добиться успеха с помощью жесткого металлического отражателя (рис. 5).
А не попытаться ли сделать зеркало газообразным? Именно к такой идее пришел американский ученый Р. Бассард. Выбирая схему двигателя, он к тому же воспользовался преимуществами прямоточного принципа (рис. 6). (см прим. ниже)

Рис. 6. Согласно идее Р. Бассарда фотонную тягу моно получить и по прямоточной схеме; отражающее зеркало формируется из электронов.

Рис. 7. Режим полета от солнечной системы к окрестностям другой звезды и обратно: А — четырехэтапный полет, В- шестиэтапный полет.

Роль зеркала играет доскообразное электронное облако, удерживаемое магнитным и электрическим полями. Плотность электронов в облаке должна быть порядка 10 9 в 1 куб. см, то есть гораздо выше, чем в металлическом проводнике. Площадь зеркала 10 тыс. кв. км — по космическим масштабам не так уж много. В реакцию аннигиляции вовлекаются частицы межзвездной среды, уплотненные фокусирующим магнитным полем. Антивещество хранится в бортовых аккумуляторах. Аннигиляция проходит через несколько стадий и в конечном счете ведет к рождению гамма- квантов. Отражаясь от электронного зеркала, они создают тягу.
Постройка фотонного двигателя позволит отправить экспедиции в бездонные глубины космоса на поиски братьев по разуму. Полет с возвращением к Земле можно провести в 4 и 6 этапов (рис. 7). Четырехэтапный полет займет меньше времени, но приведет к большему расходу антивещества. Зато в этом случае не будет периодов невесомости, что создаст более комфортабельные условия для экипажа.
Быть может, со временем люди постигнут сущность гравитации и научатся ею управлять. Тли откроют новые закономерности вселенной, которые в каких0то случаях снимут ограничения, налагаемые теорией относительности. Тогда космические корабли прорвутся сквозь световой барьер в безбрежный океан пространства — времени, как некогда отправлялись Колумбовы каравеллы на поиски неведомых земель.

Комментарий от «Горизонта возможного»

По всей видимости, автор статьи случайно или явно («секретность»?) путает авторов идеи. Описанная идея прямоточного фотонного аннигиляционнго звездолета (ПФАЗ) с электронным зеркалом — это идея не Бассарда, а русского профессора Валерия Бурдакова в 70-х активно работавшего на наш сверхсекретный космос. Несколько позже, в 1980-м выйдет его и Ю. Данилова книга «Ракеты будущего» где автор более детально опишет свою анигиляционную прямоточку. И только спустя годы в «ТМ» № 7 за 2006 г. Бурдаков расскажет, что к идее термоядерной космической прямотоки он пришел еще в 50-х (независимо от Бассарда?) и с тех пор постоянно к ней возвращался, пытаясь усовершенствовать.
Американский физик-ядерщик Роберт Бассард (Robert W. Bussard 1921-2007) в 1960-м предлагает только первоначальную идею: собирать межзвездный водород и сжигать его в термоядерном двигателе получая тягу. Благодаря неутомимому Карлу Сагану этот гипотетический двигатель становится популярной идеей, фантасты всего мира вооружают им своих героев. Самое известное произведение о полете межзвездной прямоточки — повесть Пол Андерсон «Тау-Ноль» выходит в 1970-м. С тех пор прямоточный двигатель везде в мире именуют системой Бассарда (у нас встречается перевод фамилии как «Буссард» и даже «Буссар»).
Сейчас, как и много лет назад, идея такого межзвездного корабля продолжает будоражит умы. Но с самого момента своего появления (пол века назад!) она являлась целым клубком неразрешенных научно-технических проблем. Поэтому в 70-х появляется целая серия более скромных усовершенствований, позволяющих хоть и в обрезанном виде но воплотить концепцию Бассарда в жизнь.
Например, «папа» британского проекта «Дедал» Ален Бонд разрабатывал проект RAIR. Его авторы рассчитывали использовать для разгона корабля межзвездный водород как рабочую массу, а не источник энергии (о таком решении рассказывается и в данной статье). Были и другие идеи.
Но, насколько мне известно, только Валерий Бурдаков предложил использовать антиматерию в сочетании с прямоточкой, которая к тому же формирует и электронное зеркало. То есть прямоточный фотонный звездолет на антиматерии — это идея из СССР. Можно спорить о ее ценности. Но мало сомнений, что это наша и только наша идея. Приписывать ее Бассарду (который к тому времени и думать уже о подобном забыл) видимо будет не вполне справедливо.

7 космических двигателей будущего

Современные ракетные двигатели неплохо справляются с задачей выведения техники на орбиту, но совершенно непригодны для длительных космических путешествий. Поэтому уже не первый десяток лет ученые работают над созданием альтернативных космических двигателей, которые могли бы разгонять корабли до рекордных скоростей. Давайте рассмотрим семь основных идей из этой области.

EmDrive

Чтобы двигаться, надо от чего-то оттолкнуться – это правило считается одним из незыблемых столпов физики и космонавтики. От чего конкретно отталкиваться – от земли, воды, воздуха или реактивной струи газа, как в случае ракетных двигателей, – не так важно.

Хорошо известен мысленный эксперимент: представьте, что космонавт вышел в открытый космос, но трос, связывающий его с кораблем, неожиданно порвался и человек начинает медленно улетать прочь. Все, что у него есть, – это ящик с инструментами. Каковы его действия? Правильный ответ: ему нужно кидать инструменты в сторону от корабля. Согласно закону сохранения импульса, человека отбросит от инструмента ровно с той же силой, с какой и инструмент от человека, поэтому он постепенно будет перемещаться по направлению к кораблю. Это и есть реактивная тяга – единственный возможный способ двигаться в пустом космическом пространстве. Правда, EmDrive, как показывают эксперименты, имеет некоторые шансы это незыблемое утверждение опровергнуть.

Создатель этого двигателя – британский инженер Роджер Шаер, основавший собственную компанию Satellite Propulsion Research в 2001 году. Конструкция EmDrive весьма экстравагантна и представляет собой по форме металлическое ведро, запаянное с обоих концов. Внутри этого ведра расположен магнетрон, излучающий электромагнитные волны, – такой же, как в обычной микроволновке. И его оказывается достаточно, чтобы создавать очень маленькую, но вполне заметную тягу.

Сам автор объясняет работу своего двигателя через разность давления электромагнитного излучения в разных концах «ведра» – в узком конце оно меньше, чем в широком. Благодаря этому создается тяга, направленная в сторону узкого конца. Возможность такой работы двигателя не раз оспаривалась, но во всех экспериментах установка Шаера показывает наличие тяги в предполагаемом направлении.

В числе экспериментаторов, опробовавших «ведро» Шаера, такие организации, как NASA, Технический университет Дрездена и Китайская академия наук. Изобретение проверяли в самых разных условиях, в том числе и в вакууме, где оно показало наличие тяги в 20 микроньютонов.

Это очень мало относительно химических реактивных двигателей. Но, учитывая то, что двигатель Шаера может работать сколь угодно долго, так как не нуждается в запасе топлива (работу магнетрона могут обеспечивать солнечные батареи), потенциально он способен разгонять космические корабли до огромных скоростей, измеряемых в процентах от скорости света.

Чтобы полностью доказать работоспособность двигателя, необходимо провести еще множество измерений и избавиться от побочных эффектов, которые могут порождаться, к примеру, внешними магнитными полями. Однако уже выдвигаются и альтернативные возможные объяснения аномальной тяги двигателя Шаера, которая, в общем-то, нарушает привычные законы физики.

К примеру, выдвигаются версии, что двигатель может создавать тягу благодаря взаимодействию с физическим вакуумом, который на квантовом уровне имеет ненулевую энергию и заполнен постоянно рождающимися и исчезающими виртуальными элементарными частицами. Кто в итоге окажется прав – авторы этой теории, сам Шаер или другие скептики, мы узнаем в ближайшем будущем.

Солнечный парус

Как говорилось выше, электромагнитное излучение оказывает давление. Это значит, что теоретически его можно преобразовывать в движение – например, с помощью паруса. Аналогично тому, как корабли прошлых веков ловили в свои паруса ветер, космический корабль будущего ловил бы в свои паруса солнечный или любой другой звездный свет.

Проблема, однако, в том, что давление света крайне мало и уменьшается с увеличением расстояния от источника. Поэтому, чтобы быть эффективным, такой парус должен иметь очень малый вес и очень большую площадь. А это увеличивает риск разрушения всей конструкции при встрече с астероидом или другим объектом.

Попытки строительства и запуска солнечных парусников в космос уже имели место – в 1993 году тестирование солнечного паруса на корабле «Прогресс» провела Россия, а в 2010 году успешные испытания по пути к Венере осуществила Япония. Но еще ни один корабль не использовал парус в качестве основного источника ускорения. Несколько перспективнее в этом отношении выглядит другой проект – электрический парус.

Электрический парус

Солнце излучает не только фотоны, но также и электрически заряженные частицы вещества: электроны, протоны и ионы. Все они формируют так называемый солнечный ветер, ежесекундно уносящий с поверхности светила около одного миллиона тонн вещества.

Солнечный ветер распространяется на миллиарды километров и ответственен за некоторые природные явления на нашей планете: геомагнитные бури и северное сияние. Земля от солнечного ветра защищается с помощью собственного магнитного поля.

Солнечный ветер, как и ветер воздушный, вполне пригоден для путешествий, надо лишь заставить его дуть в паруса. Проект электрического паруса, созданный в 2006 году финским ученым Пеккой Янхуненом, внешне имеет мало общего с солнечным. Этот двигатель состоит из нескольких длинных тонких тросов, похожих на спицы колеса без обода.

Благодаря электронной пушке, излучающей против направления движения, эти тросы приобретают положительный заряженный потенциал. Так как масса электрона примерно в 1800 раз меньше, чем масса протона, то создаваемая электронами тяга не будет играть принципиальной роли. Не важны для такого паруса и электроны солнечного ветра. А вот положительно заряженные частицы – протоны и альфа-излучение – будут отталкиваться от тросов, создавая тем самым реактивную тягу.

Хотя эта тяга будет примерно в 200 раз меньше, чем таковая у солнечного паруса, проект заинтересовал Европейское космическое агентство. Дело в том, что электрический парус гораздо проще сконструировать, произвести, развернуть и эксплуатировать в космосе. Кроме того, с помощью гравитации парус позволяет также путешествовать к источнику звездного ветра, а не только от него. А так как площадь поверхности такого паруса гораздо меньше, чем у солнечного, то для астероидов и космического мусора он уязвим куда меньше. Возможно, первые экспериментальные корабли на электрическом парусе мы увидим уже в следующие несколько лет.

Ионный двигатель

Поток заряженных частиц вещества, то есть ионов, излучают не только звезды. Ионизированный газ можно создать и искусственно. В обычном состоянии частицы газа электрически нейтральны, но, когда его атомы или молекулы теряют электроны, они превращаются в ионы. В общей своей массе такой газ все еще не имеет электрического заряда, но его отдельные частицы становятся заряженными, а значит, могут двигаться в магнитном поле.

В ионном двигателе инертный газ (обычно используется ксенон) ионизируется с помощью потока высокоэнергетических электронов. Они выбивают электроны из атомов, и те приобретают положительный заряд. Далее получившиеся ионы ускоряются в электростатическом поле до скоростей порядка 200 км/с, что в 50 раз больше, чем скорость истекания газа из химических реактивных двигателей. Тем не менее современные ионные двигатели обладают очень маленькой тягой – около 50–100 миллиньютонов. Такой двигатель не смог бы даже сдвинуться со стола. Но у него есть серьезный плюс.

Большой удельный импульс позволяет значительно сократить расходы топлива в двигателе. Для ионизации газа используется энергия, полученная от солнечных батарей, поэтому ионный двигатель способен работать очень долго – до трех лет без перерыва. За такой срок он успеет разогнать космический аппарат до скоростей, которые химическим двигателям и не снились.

Ионные двигатели уже не раз бороздили просторы Солнечной системы в составе различных миссий, но обычно в качестве вспомогательных, а не основных. Сегодня как о возможной альтернативе ионным двигателям все чаще говорят про двигатели плазменные.

Плазменный двигатель

Если степень ионизации атомов становится высокой (порядка 99%), то такое агрегатное состояние вещества называется плазмой. Достичь состояния плазмы можно лишь при высоких температурах, поэтому в плазменных двигателях ионизированный газ разогревается до нескольких миллионов градусов. Разогрев осуществляется с помощью внешнего источника энергии – солнечных батарей или, что более реально, небольшого ядерного реактора.

Горячая плазма затем выбрасывается через сопло ракеты, создавая тягу в десятки раз большую, чем в ионном двигателе. Одним из примеров плазменного двигателя является проект VASIMR, который развивается еще с 70-х годов прошлого века. В отличие от ионных двигателей, плазменные в космосе еще испытаны не были, но с ними связывают большие надежды. Именно плазменный двигатель VASIMR является одним из основных кандидатов для пилотируемых полетов на Марс.

Термоядерный двигатель

Укротить энергию термоядерного синтеза люди пытаются с середины ХХ века, но пока что сделать это так и не удалось. Тем не менее управляемый термоядерный синтез все равно очень привлекателен, ведь это источник громадной энергии, получаемой из весьма дешевого топлива – изотопов гелия и водорода.

В настоящий момент существует несколько проектов конструкции реактивного двигателя на энергии термоядерного синтеза. Самой перспективной из них считается модель на основе реактора с магнитным удержанием плазмы. Термоядерный реактор в таком двигателе будет представлять собой негерметичную цилиндрическую камеру размером 100–300 метров в длину и 1–3 метра в диаметре. В камеру должно подаваться топливо в виде высокотемпературной плазмы, которая при достаточном давлении вступает в реакцию ядерного синтеза. Располагающиеся вокруг камеры катушки магнитной системы должны удерживать эту плазму от контакта с оборудованием.

Зона термоядерной реакции располагается вдоль оси такого цилиндра. С помощью магнитных полей экстремально горячая плазма проистекает через сопло реактора, создавая огромную тягу, во много раз большую, чем у химических двигателей.

Двигатель на антиматерии

Все окружающее нас вещество состоит из фермионов – элементарных частиц с полуцелым спином. Это, к примеру, кварки, из которых состоят протоны и нейтроны в атомных ядрах, а также электроны. При этом у каждого фермиона есть своя античастица. Для электрона таковой выступает позитрон, для кварка – антикварк.

Античастицы имеют ту же массу и тот же спин, что и их обычные «товарищи», отличаясь знаком всех остальных квантовых параметров. Теоретически античастицы способны составлять антивещество, но до сих пор нигде во Вселенной антивещество зарегистрировано не было. Для фундаментальной науки является большим вопросом, почему его нет.

Но в лабораторных условиях можно получить некоторое количество антивещества. К примеру, недавно был проведен эксперимент по сравнению свойств протонов и антипротонов, которые хранились в магнитной ловушке.

При встрече антивещества и обычного вещества происходит процесс взаимной аннигиляции, сопровождаемый выплеском колоссальной энергии. Так, если взять по килограмму вещества и антивещества, то количество выделенной при их встрече энергии будет сопоставимо со взрывом «Царь-бомбы» – самой мощной водородной бомбы в истории человечества.

Причем значительная часть энергии при этом выделится в виде фотонов электромагнитного излучения. Соответственно, возникает желание использовать эту энергию для космических перемещений путем создания фотонного двигателя, похожего на солнечный парус, только в данном случае свет будет генерироваться внутренним источником.

Но чтобы эффективно использовать излучение в реактивном двигателе, необходимо решить задачу создания «зеркала», которое было бы способно эти фотоны отразить. Ведь кораблю каким-то образом надо оттолкнуться, чтобы создать тягу.

Никакой современный материал попросту не выдержит рожденного в случае подобного взрыва излучения и моментально испарится. В своих фантастических романах братья Стругацкие решили эту проблему путем создания «абсолютного отражателя». В реальной жизни ничего подобного пока сделать не удалось. Эта задача, как и вопросы создания большого количества антивещества и его длительного хранения, – дело физики будущего.

Ионная тяга: как человечество использует электрические двигатели для полетов в космос

Ионная тяга — это метод тяги, в котором для создания тяги космического корабля используются электрические, а не химические силы. Хотя ионные двигатели менее эффективны, чем химические, они более эффективны и могут использоваться непрерывно в течение длительных периодов, что делает их идеальными для миссий в дальнем космосе.

Ионный двигатель является если не самым перспективным электрическим космическим двигателем, то точно одним из самых используемых сегодня в отрасли.

Сейчас на околоземной орбите находятся тысячи искусственных спутников, выведенных туда гигантскими (или не очень) ракетами-носителями с мощными реактивными двигателями на химическом топливе. Пока человечество не смогло придумать альтернативу таким двигателям, поскольку для преодоления гравитации Земли и развития первой космической скорости необходима мощная тяга: ее могут дать только обычные двигатели.

При этом уже в космосе спутники используют другой тип двигателей — электрические. Самым используемым является ионный двигатель — устройство, принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.

Типы электрических и альтернативных двигателей:

• Ионные и плазменные накопители

Тип реактивного двигателя, который использует электрическую энергию для получения тяги от топлива: ионизированного газа. Многие из таких спутников не имеют ракетные сопла.

Электродвигатели для космических кораблей могут быть сгруппированы в три семейства в зависимости от типа силы, используемой для ускорения ионов плазмы: электростатический (собственно, классический ионный двигатель), электротермический (в них электромагнитные поля используются для генерации плазмы, что приводит к повышению температуры топлива, а тепловая энергия, передаваемая газообразному топливу, преобразуется в кинетическую) и электромагнитный (или плазменный, тут ионы ускоряются путем воздействия электромагнитных полей, как правило, земного и искусственного у аппарата).

• Неионные двигатели

Это электрические двигатели, также использующие нехимическую энергию для своей работы, однако работающие по другим принципам, нежели ионные. Например, фотонный двигатель, позволяющий космическому кораблю перемещаться на энергии фотонов. Гипотетически так смогут работать космические аппараты, управляемые лазерными сигналами с Земли или Луны.

К этой же категории относятся эксперименты по созданию так называемого электродинамического троса, когда спутник может выбрасывать вокруг себя длинные металлические нити с разными электрическими зарядами.

Сейчас ученые разрабатывают еще несколько гипотетических видов двигателей, которые в будущем смогут давать энергию для движения космических спутников: вакуумный двигатель, двигатель внутренних радиочастот и устройство, которое будет брать энергию от полей самых маленьких частиц, например, бозонов. Работоспособность всех этих гипотез пока не доказана с точки зрения физики.

Первым человеком, который еще в 1911 году публично предложил идею создания ионного двигателя, стал российский и советский ученый, пионер космонавтики Константин Циолковский. При этом первый документ, в котором упоминается электрическая тяга для движения космических объектов, был за авторством другого пионера космонавтики, американского ученого Роберта Годдарда.

6 сентября 1906 года Годдард писал в своем дневнике, что сможет использовать энергию ионов для работы двигателей. Первые эксперименты с ионными двигателями были проведены Годдардом в Университете Кларка в 1916 году. В итоге ученый заявил, что сможет использовать их в полноценном формате только в условиях, приближенных к вакууму, тогда как в рамках тестирования их показывали при атмосферном давлении Земли.

Первый работающий ионный двигатель был построен инженером НАСА Горальдом Кауфманом только в 1959 году. В качестве топлива, в отличие от современных аналогичных двигателей, которые перерабатывают ионы газа ксенона, он использовал ртуть. Суборбитальные испытания двигателя прошли в 1964 году, когда в космос на ракете-разведчике был запущен научный зонд Sert 1 — первое в истории устройство, использующее конструкцию ионного двигателя в космосе. В 70-х годах США провели ряд повторных испытаний этой технологии.

Принцип работы ионного двигателя

Ионные двигатели используют пучки ионов — электрически заряженных атомов или молекул — для создания тяги. Основным рабочим телом ионизации является газ, иногда ртуть. В ионизатор подается это топливо, после чего туда же запускают высокоэнергетические электроны. В этой камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. После этого в камеру вводят специальный фильтр, который притягивает к себе отрицательные электроны, тогда как положительные ионы притягиваются к ряду сеток с большой разницей электростатических потенциалов (+1090 В на внутренней против -225 В на внешней).

В результате такой мощной разницы ионы начинают разгоняться по кругу, пока не выбрасываются из устройства, ускоряя движение корабля. За ними выбрасываются и электроны, которые должны обезвредить ионы и не позволить им притягиваться обратно к двигателю.

Обычно источниками питания для ионных двигателей являются электрические солнечные панели. Однако в местах, куда солнечный свет не попадает, например, когда Земля закрывает Солнце, спутники могут использовать ядерную энергию. «Хайтек» подробно рассказывал о такой советской программе, спутники которой — с крошечными ядерными реакторами — до сих пор находятся на орбите захоронения Земли.

На сегодняшний день ионные двигатели необходимы спутникам, чтобы маневрировать в космосе, например, для изменения своего курса или уклонения от космического мусора. Существует также несколько проектов, предполагающих использование ионных двигателей для дальних космических путешествий.

Самый яркий пример использования ионных двигателей для дальних путешествий — автоматическая исследовательская миссия Dawn от НАСА. В сентябре 2007 года она была запущена для исследования астероида Веста и карликовой планеты Церера.

Dawn оборудована тремя ксеноновыми ионными двигателями NSTAR. Они установлены в нижней части аппарата: один вдоль оси, еще два — на передней и задней панелях. Принцип работы этих двигателей состоит в ускорении в электрическом поле ионов ксенонового топлива. Двигатели длиной в 33 см, диаметром сопла в 30 см и массой 8,9 кг разгоняют атомы до скорости в десять раз выше, чем могут это сделать современные химические двигатели. Ускорение и торможение обеспечивается за счет установленных на борту Dawn солнечных батарей и уровня подачи топлива.

Для полета Dawn было необходимо всего 3,25 мг топлива в секунду. Из 425 кг рабочего тела (ксенона), имеющегося на борту, на полет Земля — Веста предполагалось израсходовать 275 кг, на полет Веста — Церера — 110 кг.

Миссия Dawn стала не только одной из самых энергоэффективных в истории космонавтики, но и установила несколько рекордов скорости. 5 июня 2016 года — спустя девять лет после запуска — станция Dawn разогналась до 39 900 км/час (11,1 км/с).

1 ноября 2018 года НАСА официально закончила миссию Dawn, поскольку ионные двигатели полностью выработали топливо. Последние несколько лет инженеры НАСА занимаются разработкой новых двигателей, рассчитанных на увеличенное количество ксенона. В этих разработках пока есть сложность, поскольку увеличение веса станции за счет топлива негативно сказывается как на скорости передвижения аппарата, так и на дальности полета.

Еще одним космическим аппаратом, который использует ионные двигатели для дальних полетов, стала японская исследовательская станция по изучению астероида Рюгу «Хаябуса-2». Зонд, на котором установлены четыре ионных двигателя IES, может менять направление полета за счет этих двигателей. Они могут поворачиваться в разные стороны, но за счет электромеханической системы, питающейся от солнечных батарей. При этом ксенон массой в 73 кг хранится в 51-литровом топливном баке: такую конфигурацию удалось получить за счет того, что этот газ в полтора раза плотнее воды, и, соответственно, занимает меньше места.

Пока космические агентства исследуют возможное применение ионных двигателей в будущем. НАСА запланировало даже установить ионный двигатель нового поколения ISS Vasimr на МКС. Однако в 2015 году отменило этот проект, заявив, что пока «МКС не является идеальной демонстрационной площадкой для работы двигателей такого типа». Дело в том, что Vasimr должен был стать первым полноценным электротермическим ракетным двигателем, который позволил бы создавать тягу, аналогичную химическим двигателям. Это позволило бы в будущем использовать его даже для запусков ракет-носителей с Земли.

НАСА пришло к решению отменить тестирование Vasimr, поскольку ученые до конца не смогли найти источник энергии, на котором бы работал этот двигатель. Самым перспективным источником энергии могла стать термоядерная установка, однако ее использование на МКС могло быть небезопасной.

Из-за этого сейчас ионные двигатели продолжают рассматриваться в основном в качестве дополнительных двигателей на различных спутниках, с помощью которых зонды смогут совершать маневры в космосе. Другим перспективным направлением для использования двигателей такого типа может стать космическая уборка. На орбите Земли с каждым годом появляется все больше космического мусора, а спутники с ионными двигателями могут стать идеальным решением этой проблемы. опубликовано econet.ru

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:

Фотонные космолеты

Главным преимуществом такого двигателя является максимально-возможная в рамках релятивистской механики скорость истечения, равная скорости света в вакууме. Для ракетного аппарата — это единственный широко известный способ как-то достичь значительной доли световой скорости при разумных значениях числа Циолковского, характеризующего соотношение масс заправленной и пустой ракеты.

Главным недостатком фотонного двигателя является низкий КПД цепочки преобразования энергии от первичного источника до струи фотонов. Применение реакции аннигиляции для прямого получения оптических и гамма-квантов не намного снижает остроту проблемы, так как необходимо учитывать потери на хранение антивещества (не говоря о его производстве) и трудности фокусировки получаемого излучения. Кроме того, как более реальные, рассматривались использование в качестве источника фотонов термоядерной плазмы (в том числе и для генерации лазерного излучения) и использование электромагнитных квантов более длинноволнового диапазона («радиодвигатель»). В первом случае остаются пока нерешенными проблемы генерации и подержания в устойчивом состоянии плазмы с необходимыми параметрами. «Радиодвигатель» значительно упрощает задачу фокусировки «реактивной струи», но резко снижает КПД движительного комплекса. К неpакетным фотонным двигателям можно отнести солнечный паpус и некоторые варианты лазерного двигателя.

В настоящее время на основании релятивистской механики тела с переменной массой покоя можно построить общую теорию ракет с однокомпонентной и даже многокомпонентной реактивной струёй. Расчёты показывают, что для термоядерной и фотонной ракет с однокомпонентной реактивной струёй имеет место равенство: 1-(w2:c2)=1-a2, где a — отношение энергии, выделяющейся при сгорании топлива, а w — скорость истечения относительно ракеты, считаемая постоянной. Для термоядерной реакции превращения водорода в гелий a=0,0066, так что w/c=0,115. При реакции аннигиляции вещества в антивещества a=1, так что согласно формуле w=c. Расчёты также показывают, что для одного из принципиально возможных вариантов ионной ракеты справедливо соотношение:

1-w2:c2=1-b2:(1-b2(1-a)2, где b — доля стартовой массы, приходящейся на источник энергии. Можно сказать, что b не превышает 0,5. Если источником энергии служит термоядерный реактор, то w/c мало и составляет 0,12 при b=0,5. Таким образом, применение на ионной ракете в качестве источника энергии аннигиляционного реактора позволяет достичь огромных скоростей истечения.

Фотонный двигатель: устройство

Основой двигательной установки является вращающееся колесо, установленное в горизонтальной плоскости и имеющее жесткое крепление с валом электродвигателя. По периметру колеса установлены наборы биттеровских соленоидов. Каждый набор состоит из тысячи биттеровских соленоидов, объединенных в сегменты (маркерный соленоид и несколько усиливающих). Соленоиды в наборах ориентированы с возможностью освещения их торцов лазерными лучами от установленных по периметру двигателя лазерных пушек. Работа лазерных пушек синхронизирована с маркерными кольцами. С целью увеличения подъемной силы на двигателе можно разместить несколько дополнительных наборов соленоидов по такому же принципу.

Устройство работает следующим образом. Аккумуляторы подают питание на электродвигатель. Происходит разгон колеса до заданной частоты вращения с последующей ее стабилизацией. Через преобразователи накачиваются лазерные пушки, которые работают в импульсном режиме. Синхронно с пространственным положением колеса обеспечивается подача первых импульсов на маркерные соленоиды, которые инициируют начальное магнитное поле, а затем — на следующие за ними. Возникает мощное магнитное поле по рассмотренному ранее механизму. Магнитное поле «замагничивает» виртуальные вакуумные частицы, которые в виде плазменного образования под действием пандеромоторной силы выбрасываются из магнитного поля соленоидов. Для прохода частиц плазмы служат разрезы в соленоидах. При выходе плазмы из магнитного поля соленоидов происходит аннигиляция частиц, т.е. выделяются гамма-кванты. При работе установки накачка лазеров осуществляется от образующихся гамма-квантов. За счет вращения наборов соленоидов и импульсной работы лазеров обеспечивается смена сегментов, попадающих под лазерные лучи, т. е. обеспечивается режим охлаждения.

Такой способ получения энергии имеет огромные преимущества:

— отпадает необходимость в топливе;
— выделяемая энергия, как минимум, на порядок превышает термоядерную;

— обеспечивается экологическая безопасность;
— обеспечивается процесс регулирования в выделении энергии.

Регулирование тяги возможно различными путями:

— изменением плотности энергии в лазерных лучах;
— изменением продолжительности подачи лазерного импульса на торцы соленоидов;

— изменением количества точек возбуждения магнитного поля.

Фотонный двигатель: космический прорыв

Эффект эмиссии пыли под воздействием светового излучения позволит создать интересный и перспективный вид космических движителей для полетов к другим планетам Солнечной системы. Под воздействием света и тепла частицы пыли бросают вызов гравитации и устремляются вверх. Данный эффект, сыгравший не последнюю роль в формировании планет и астероидов, может найти также практическое применение в устройствах для удаления пыли, а также в двигателях марсианских зондов и в создании космического паруса нового типа.

При воздействии на слой пыли красным лазерным излучением наблюдается фонтанирующий выброс частиц, напоминающий извержение крошечного вулкана. Всесторонне изучив это явление, ученые Герхард Вурм (Gerhard Wurm) и Оливер Краус (Oliver Krauss) из университета Мюнстера пришли к выводу, что его возникновение связано с фотофорезом и «парниковым эффектом» в твердом теле, сообщает PhysOrg.

Фотофорез — или движение частиц под воздействием света — базируется на давно известном эффекте, называемом термофорезом, то есть движении частиц под воздействием тепла. В средах с температурными градиентами частицы будут перемещаться из более горячей области в менее горячую. Когда источником тепла служит энергия поглощенного света, такой процесс называется фотофорезом.

Фотонный двигатель — это скорая реальность?

Фотонный двигатель — двигатель, тяга которого созда-ется за счет истечения квантов э/магнитного излу-чения или фотонов.

В дополнение к поверхностному температурному градиенту «парниковый эффект» твердого тела также играет роль в извержениях пыли. Парниковый эффект возникает вследствие того, что лазерный луч сильнее всего нагревает частицы пыли, находящиеся немного глубже, чем поверхностные слои (по крайней мере на глубине 100 мкм, что составляет несколько десятков слоев частиц).

Ученые вычислили, что для освобождения одной сферической частицы размером в 1 мкм требуется сила приблизительно равная 10-7 Н. «Мы заметили, что частицы поднимаются в среднем на высоту 5 см, — сообщает д-р Вурм. — Высоту можно увеличить до 10 см, но и это еще не предел. Предел, вероятно, зависит от распределения и размеров частиц, силы их взаимного сцепления и мощности лазерного луча».

При мощности 50 мВт излучение проникает в слой пыли на глубину до нескольких миллиметров. Температура имеет тенденцию уменьшаться с увеличением глубины, но фактически она достигает максимума не у поверхности, а на глубине 100 мкм. Таким образом, создается обратный температурный градиент около поверхности, который и вызывает извержение частиц пыли. В ходе экспериментов было также обнаружено, что в течение нескольких десятков секунд после выключения лазера точка максимального градиента температур смешается глубже за счет быстрого остывания поверхности, что еще больше увеличивает силу фотофореза.

Фотофорез лучше всего наблюдать при низком давлении. Эксперименты проводились при давлении 10 миллибар, что составляет примерно 0,01 нормального атмосферного давления Земли, поэтому действие фотофореза на земную пыль незначительно. Однако на ранних стадиях образования планет и звезд фотофорез при малых давлениях, вероятно, играл значительную роль в возникновении газопылевых дисков, которые в свою очередь привели к формированию астероидов и прочих космических объектов пояса Койпера.

Ученые считают, что в будущем фотофорез может найти практическое применение в условиях разреженной атмосферы Марса. Например, можно использовать данную технологию на автоматических исследовательских станциях для удаления пыли с блоков солнечных элементов и линз оптических приборов. Кроме того, ученые планируют создать солнечный парус, который использовал бы силу фотофореза вместо лучевого давления. Такой парус, напоминающий рыболовную сеть и работающий на основе отрицательного фотофореза, по оценкам физиков, может приводить в движение небольшие зонды. Парус размером 10×10 м способен нести полезный груз массой в несколько десятков килограммов только за счет «пассивного» излучения Солнца.