Включаю высоковольтный генератор, и легкий серебристый аппарат под тихое шуршание коронного разряда поднимается над столом. Выглядит это совершенно фантастически, и я начинаю понимать, почему в интернете встречаются самые удивительные объяснения этому явлению. Каких только версий здесь не встретишь — от привлечения эфирной физики до попыток объединить электромагнитное и гравитационное взаимодействия. «Популярная механика» попыталась внести ясность в этот вопрос.

Конструкция ионолета

В качестве ионолета мы решили построить простейшую конструкцию. Наш аппарат — асимметричный конденсатор, верхний электрод которого представляет собой тонкий медный провод, а нижний — пластинку из фольги, которая натянута на рамку, склеенную из тонких деревянных (бальсовых) планок. Расстояние между верхним проводом и фольгой составляет порядка 30 мм. Очень важно, чтобы фольга огибала планки и не имела острых «ребер» (иначе может возникнуть электрический пробой).

К полученному конденсатору мы подключили высоковольтный генератор, изготовленный из модифицированного блока питания бытового ионизатора воздуха с напряжением 30кВ. Положительный вывод — к верхнему тонкому проводу, отрицательный — к пластинке из фольги. Поскольку аппарат лишен системы управления и стабилизации, мы привязали его тремя капроновыми нитями к столу. После включения напряжения он оторвался от поверхности и завис над столом, насколько позволяла привязь.

Раму ионолета мы построили из тонких планок бальсы, склеив их цианакрилатным клеем. Для «обшивки» стенок (второго электрода) использовали тонкую алюминиевую фольгу, натянутую на раму (треугольную в плане, со стороной около 200 мм) шириной 30 мм. Обратите внимание, чтобы фольга не имела острых граней и плавно огибала планки, иначе напряженность электрического поля у поверхности будет очень высоким, что может привести к пробою. Верхний электрод мы выполнили из тонкой медной проволоки сечением 0,1 мм 2 (использовалась намоточная проволока со снятой изоляцией) — на ней при подаче высокого напряжения возникает коронный разряд. Верхний электрод (положительный) отстоит от нижнего (отрицательного) на расстояние около 3 см. Ионолет мы прикрепили к столу капроновыми нитями, чтобы он не летал бесконтрольно по всему помещению.

История вопроса

В 1920-х годах американский физик Томас Таунсенд Браун в процессе экспериментов с рентгеновскими трубками Кулиджа наткнулся на любопытный эффект. Он обнаружил, что на асимметричный конденсатор, заряженный до высокого напряжения, действует некая сила, которая даже способна поднять такой конденсатор ввоздух. На свой аппарат Браун 15 ноября 1928 года получил британский патент №300311 «Метод получения силы или движения». Эффект возникновения такой силы назвали эффектом Бифельда-Брауна, поскольку Пол Альфред Бифельд, профессор физики в Университете Денисона в Гранвилле (Огайо), помогал Брауну в его экспериментах. Сам изобретатель верил в то, что он открыл способ с помощью электричества влиять на гравитацию. Позднее Браун получил еще несколько патентов, но в них какое-либо влияние на гравитацию уже не упоминалось.

В таком виде эта история встречается в интернете почти повсеместно — в статьях многочисленных непризнанных изобретателей «антигравитационных аппаратов» и «космических кораблей будущего». Но ведь наш ионолет действительно летает!

Силовая установка

В качестве силовой установки (высоковольтного генератора) мы использовали блок питания (БП) от бытового ионизатора воздуха с напряжением около 30 кВ. Поскольку у нашего ионизатора был выведен на высоковольтный электрод только один контакт, нам пришлось разобрать корпус, извлечь сам блок питания и подсоединить оба вывода. После этого мы аккуратно поместили БП в подходящую по размерам коробку и для безопасности залили парафином. Вместо БП можно использовать блок питания старого монитора (ЭЛТ).

Почему он летает

На самом деле для объяснения принципа не требуется привлечения механизмов неизвестной современной физике «электрогравитации». Как пояснил «Популярной механике» доцент кафедры общей физики Московского физико-технического института (МФТИ) Юрий Маношкин, все дело в ионизации воздуха: «В данном случае напряженность поля у одного из электродов — верхнего тонкого провода — выше, там возникает коронный разряд, ионизующий воздух. Ионы разгоняются в электрическом поле конденсатора по направлению ко второму электроду, создавая реактивную тягу, — образуется так называемый ионный ветер». Это, разумеется, лишь качественное объяснение эффекта, поскольку, по словам Юрия Маношкина, «теория этого процесса, включающего множество аспектов — физику газового разряда, плазмы и газодинамику, — очень сложна и пока еще недостаточно разработана. Но этот вопрос изучается, поскольку в перспективе имеет множество вполне серьезных применений. Речь идет не о таких вот летающих игрушках, а, например, о возможностях с помощью ионизации влиять на характер аэродинамического обтекания летательных аппаратов».

Человек вышел в космос благодаря ракетным двигателям на жидком и твердом топливе. Но они же и поставили под вопрос эффективность космических полетов. Для того чтобы сравнительно небольшой хотя бы "зацепился" за его устанавливают на вершине ракеты-носителя внушительных размеров. А сама ракета, по сути, это летающая цистерна, львиная доля веса которой отведена под топливо. Когда все оно израсходуется до последней капли, на борту корабля остается мизерный запас.

Чтобы не упасть на Землю, периодически поднимает свою орбиту импульсами Топливо для них - примерно 7,5 тонны - несколько раз в году доставляют автоматические корабли. Но на пути к Марсу такой дозаправки не предвидится. Не пора ли распрощаться с устаревшими схемами и обратить внимание на более совершенный ионный двигатель?

Для того чтобы он заработал, безумных количеств топлива не потребуется. Только газ и электричество. Электроэнергия в космосе добывается улавливанием светового излучения Солнца панелями солнечных батарей. Чем дальше от светила, тем меньше их мощность, поэтому придется воспользоваться еще и Газ поступает в первичную камеру сгорания, где он бомбардируется электронами и ионизируется. Получившуюся холодную плазму отправляют на разгорев, а потом - в магнитное сопло, на разгон. Ионный двигатель выбрасывает из себя раскаленную плазму со скоростями, недоступными обычным ракетным двигателям. И получает необходимое ускорение.

Принцип работы настолько прост, что можно собрать демонстрационный ионный двигатель своими руками. Если электрод в форме вертушки предварительно сбалансировав, установить на острие иглы и подать высокое напряжение, на острых концах электрода появится синее свечение, создаваемое срывающимися с них электронами. Их истечение создаст слабую реактивную силу, электрод начнет вращаться.

Увы, ионные двигатели обладают настолько мизерной тягой, что не могут оторвать космический аппарат от поверхности Луны, не говоря уже о наземном старте. Наиболее наглядно это можно увидеть, если сравнить два корабля, отправляющихся к Марсу. Корабль с жидкостными двигателями начнет перелет после нескольких минут интенсивного разгона и потратит чуть меньше времени на торможение у Красной планеты. Корабль с ионными двигателями будет разгоняться два месяца по медленно раскручивающейся спирали, причем такая же операция ждет его в окрестностях Марса...

И все же ионный двигатель уже нашел свое применение: им оснащен ряд беспилотных космических аппаратов, отправленных в многолетние разведывательные миссии к ближним и дальним планетам Солнечной системы, в пояс астероидов.

Ионный двигатель - та самая черепаха, которая обгоняет быстроногого Ахилла. Израсходовав все топливо в считанные минуты, жидкостный двигатель умолкает навсегда и становится бесполезным куском железа. А плазменные способны работать годами. Не исключено, что ими будет оснащен первый космический аппарат, который на досветовой скорости отправится к - ближайшей к Земле звезде. Предполагается, что перелет займет всего лишь 15-20 лет.

НАСА завершило начатые в июне 2005 году испытания двигательной установки, которая работает на ионизированном газе. Теперь ею можно оснащать космические аппараты, разгоняя их до невиданных ранее скоростей.

Идут испытания ксенонового двигателя нового поколения. (Фото NASA.)

Часто фигурирующие в научной фантастике ионные двигатели применялись на практике ещё в 70-е годы. Тяга в них создаётся за счёт разгона ионизированного газа в электростатическом поле.

Преимуществом подобных ДУ по сравнению с традиционными химическими решениями является высокая эффективность, а именно возможность разогнать аппарат до десятков километров в секунду при малом расходе топлива. Правда, это происходит уже в космическом пространстве при долгой работе ионного двигателя: его стартовая тяга невелика. Поэтому в качестве основной системы, приводящей в движение космический корабль, эту схему начали использовать совсем недавно.

Пионером ионного движения стал американский аппарат Deep Space 1, запущенный в 1998 году. За ним последовали европейский и японский зонды, а последним крупным проектом на сегодня стала автоматическая межпланетная станция Dawn, отправленная НАСА изучать астероид Весту и карликовую планету Цереру.

Ионный двигатель Dawn и стал образцом для создания ксеноновой системы NASA"s Evolutionary Xenon Thruster (NEXT). Разработчики из Исследовательского центра имени Гленна и компании Aerojet смоделировали самые разнообразные миссии, в которых может быть задействована такая ДУ.

С 2005 года NEXT проработал 35,5 тыс. часов, что на 5 тыс. больше предыдущего рекорда. На эксперименты ушло 600 кг ксенона. На основе тестовых моделей инженеры сконструировали двигательную установку из нескольких ионных двигателей, срок службы которых превысит 6 лет, и теперь НАСА остаётся лишь выбрать, в каких миссиях будет удобнее эксплуатировать разработку. Быть может, тут и пригодится космическая программа, предложенная Национальной академией наук США на ближайшую декаду?

Источник: Компьютерра–Онлайн

Ионный двигатель

Ионный двигатель - разновидность электрического ракетного двигателя. Его рабочим телом является ионизированный газ (аргон, ксенон, цезий...).

Принцип действия

Принцип работы двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. При этом, благодаря высокому отношению заряда к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей (вплоть до 210 км/с по сравнению с 3-4,5 км/с у химических ракетных двигателей). Таким образом, в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса. Это позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа по сравнению с расходом реактивной массы в химических ракетах, но требует больших затрат энергии. Недостаток двигателя в его нынешних реализациях - очень слабая тяга (порядка десятых долей ньютона). Таким образом, нет возможности использовать ионный двигатель для старта с планеты, но, с другой стороны, в открытом космосе, при достаточно долгой работе двигателя есть возможность разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих видов двигателей.

В существующих реализациях для поддержки работы двигателя используются солнечные батареи. Но для работы в дальнем космосе такой способ неприемлем. Поэтому уже сейчас для этих целей иногда используются ядерные установки.

Принцип ионного двигателя довольно давно известен и широко представлен в фантастической литературе, компьютерных играх и кинематографе, но для космонавтики стал доступен только в последнее время.
В 1960 году был построен первый функционирующий широко-лучевой (broad-beam) ионный электростатический двигатель (создан в США в NASA Lewis Research Center). В 1964 году - первая успешная суборбитальная демонстрация ионного двигателя (SERT I) тест на выполнимость нейтрализации ионного луча в космосе.

В 1970 году - испытание на длительную работу ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II). С 1970-х годов ионные двигатели на эффекте Холла использовались в СССР в качестве навигационных двигателей (двигатели SPT-60 использовались в 1970-х годах на «Метеорах», SPT-70 на спутниках «Космос» и «Луч» в 1980-х, SPT-100 в ряде спутников в 1990-х).

В качестве основного (маршевого) двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1 (первый запуск двигателя 10 ноября 1998). Следующими аппаратами стали европейский лунный зонд Смарт-1, запущенный 28 сентября 2003, и японский аппарат Хаябуса, запущенный к астероиду в мае 2003.

Следующим аппаратом NASA, обладающим маршевыми ионными двигателями, стала (после ряда замораживаний и возобновления работ) АМС Dawn, которая стартовала 27 сентября 2007 года. Dawn предназначается для изучения Весты и Цереры, и несет три двигателя NSTAR, успешно испытанных на Deep Space 1.
Европейское Космическое Агентство установило ионный двигатель на борту спутника GOCE, запущенного 17 марта 2009 года на сверх-низкую околоземную орбиту высотой всего около 260 км. Ионный двигатель создаёт в постоянном режиме импульс, компенсирующий атмосферное трение и другие негравитационные воздействия на спутник.

Перспективы

ЕКА планирует использовать ионный двигатель в меркурианской миссии BepiColombo. Он будет базироваться на двигателе, основанном на Смарт-1, но станет более мощным (запуск намечен на 2011-2012).
NASA ведёт проект «Прометей», для которого разрабатывается мощный ионный двигатель, питающийся электричеством от бортового ядерного реактора. Предполагается, что такие двигатели в количестве восьми штук смогут разогнать аппарат до 90 км/с. Первый аппарат этого проекта Jupiter Icy Moons Explorer планировалось отправить к Юпитеру в 2017 году, однако разработка этого аппарата была приостановлена в 2005 году из-за технических сложностей. В настоящее время идёт поиск более простого проекта АМС для первого испытания по программе «Прометей».

Статья в Компьютерре
Об использовании ядерных реакторов для ионных двигателей (Мембрана.ру)
BepiColombo на сайте ЕКА
Проект «Прометей» на сайте НАСА
АМС Dawn с ионным двигателем стартовала 25 сентября 2007 г.

Фотонный и ионный двигатели

От фантастики к реальности

ФОТОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ - реактивный двигатель, тяга которого создается за счет истечения квантов электромагнитного излучения или фотонов. 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 достичь сколь-нибудь значительной доли световой скорости при разумных значениях числа Циолковского, характеризующего соотношение масс заправленной и пустой ракеты. Необходимо отметить, однако, что и в этом случае речь идет о числе Z порядка нескольких десятков - сотен, при технически реализованных значениях порядка 10 для многоступенчатых ракет. 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.

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 - двигатель, тяга которого созда-ется за счет истечения квантов э/магнитного излу-чения или фотонов. Выброс частиц порошка графита (на вставке - "извержение" частиц стеклоуглерода).
Фотонный двигатель - это реальность?

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 10x10 м способен нести полезный груз массой в несколько десятков килограммов только за счет "пассивного" излучения Солнца.

Ионный двигатель: космический прорыв

ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ - в субботу 30.09.2003 с космодрома Куру ракетой-носителем «Ариан 5» была успешно выведена в космическое пространство исследовательская станция европейского космического агентства SMART 1. Спутник создан по заказу ESA (European Space Agency, Европейское космическое агентство) Шведской космической корпорацией при участии почти 30 субподрядчиков из 11 европейских стран и США. Общая стоимость проекта составила 110 млн. евро.
SMART 1 - первая автоматическая станция ESA для исследования Луны. В то же время, это уникальная исследовательская станция нового типа, первая в новой программе ESA под названием Small Missions for Advanced Research in Technology. В ходе выполнения программы запланирована апробация целого ряда новых технологий, например, связь в Ка-диапазоне и лазерная связь, автономная навигация и многое другое.
При достаточно большом количестве аппаратуры, SMART 1 отличается малым весом (370 кг, в том числе научная аппаратура - 19 кг) и компактностью. Со сложенными солнечными батареями он представляет собой прямоугольник размером в метр. Стоимость SMART 1 примерно раз в пять меньше, чем типичной межпланетной станции ESA. Но самая главная особенность нового космического аппарата в том, что впервые в истории космонавтики ионный двигатель будет использован в качестве основного. В планах ESA - еще два аппарата, оснащенных ионной двигательной установкой. Это BepiColombo для исследования Меркурия и Solar Orbiter - для изучения Солнца.
Установленный на SMART 1 ионный двигатель потребляет 1350 Ватт электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями, и развивает тягу в 0,07 Ньютон, что примерно соответствует весу почтовой открытки. Рабочим веществом служит ксенон (запас топлива 82 кг). При этом для выхода на эллиптическую полярную орбиту вокруг Луны станции потребовалось 16 месяцев. Выведение SMART 1 на расчетную орбиту представло собой сложный многоступенчатый процесс, состоящий из этапов.

Строго говоря, ионные двигатели уже устанавливались на космических аппаратах - в последние годы, в частности, на исследовательской станции НАСА Deep Space 1 (DS 1) и на экспериментальном геостационарном спутнике связи ESA Artemis. В последнем случае, благодаря наличию на борту ионных двигателей, удалось спасти казавшийся окончательно утраченным спутник ценой в миллионы долларов.
Нештатная работа верхней ступени ракеты-носителя Ariane 5, выводившей на орбиту спутник Artemis, привела к тому, что орбита Artemis оказалась значительно ниже расчетной. Обычно это приводит к потере спутника. Если он несет в себе угрозу другим космическим аппаратам, его топят (тяжелые аппараты) или «сжигают» в атмосфере. Но Artemis избежал этой печальной участи.
Благодаря экстренно принятым мерам и ценой расходования практически всего запаса химического топлива, имевшегося на борту, спутник удалось перевести на круговую орбиту высотой 31 тыс. км. Но после этого надо было перевести Artemis на расчетную геостационарную (высотой около 36 тыс. км). Тогда и было принято решение воспользоваться четырьмя ионными двигателями, установленными на борту попарно. Они изначально предназначались для управления ориентацией (наклоном) спутника. Что бы осуществить переход вектор тяги двигателей был направлен перпендикулярно плоскости орбиты. Но для спасения аппарата ему необходимо было придать импульс в плоскости орбиты, и таким образом перевести на более высокую геостационарную орбиту. Artemis требовалось повернуть на 90 градусов по отношению к его нормальной ориентации.
Сложнейшая спасательная операция, потребовала выработки «на ходу» новой стратегии действий, новых режимов управления спутником и функционирования бортовой аппаратуры. Потребовалось модифицировать 20% всего бортового программного обеспечения. И все же операция прошла весьма успешно. О ее сложности свидетельствует тот факт, что только для перепрограммирования бортовой системы управления потребовалось подгрузить с Земли модифицированные блоки программного обеспечения общим объемом в 15 тыс. слов. Это была самая масштабная операция по перепрограммированию с Земли телекоммуникационного спутника.
Несмотря на скромную тягу (всего 15 миллиньютон) Artemis стал «карабкаться» на расчетную орбиту, поднимаясь на 15 км в день. Вся спасательная операция заняла 18 месяцев. 31 января 2003 года Artemis оказался именно там, где ему следовало бы оказаться еще полтора года назад. Первая в мире спасательная операция, исход которой целиком зависел от надежности ионных двигателей и слаженных действий людей на Земле, прошла успешно. Спутник, считавшийся безнадежно потерянным, приступил к нормальной работе.

По своей конструкции основной двигатель SMART 1 существенно отличается от двигателей, установленных на DS 1 и на Artemis. В случае с последними двумя аппаратами, для ускорения ионов использовалась решетка с поданным на нее потенциалом (так называемый gridded ion engine). В отличие от них SMART 1 оснащен ионным двигателем Холла, который существенно отличается по своей конструкции. Важным преимуществом двигателей на эффекте Холла является отсутствие решетки, подвергающейся постоянной бомбардировке высокоэнергетичными ионами, вследствие чего происходит ее быстрая деградация. Что касается других характеристик ионных двигателей различной конструкции, то ситуация выглядит не столь очевидной. В общем, двигатели с решеткой позволяют получать больший удельный импульс и расходуют примерно в два раза меньше топлива (рабочего тела), чем двигатели Холла. Однако при этом двигатели Холла позволяют развить большую удельную тягу при одинаковом потреблении электроэнергии. Обе конструкции имеют свои достоинства и недостатки, и выбор предпочтительного варианта зависит в каждом случае от характера задач, стоящих перед аппаратом, и от его энергетических возможностей.

Не секрет, что все реактивные двигатели работают за счёт закона сохранения импульса. Именно из него вытекает, что реактивная тяга - это произведение массового расхода на скорость выхода рабочего тела из сопла .

Эту скорость принято называть удельным импульсом реактивного двигателя. Давайте для примера найдём реактивную тягу при стрельбе из автомата Калашникова, которая является основной составляющей отдачи. Пусть масса пули будет 0,016 кг , начальная скорость пули 700 м/с , а скорострельность 10 выстр./с . Тогда отдача F=700∙0,016∙10=112 Н (или 11 кгс) . Большая отдача, но тут приведена техническая скорострельность 600 выстр./мин. В реальности стрельба ведётся очередями или одиночными и составляет ≈50 выстр./мин.

Выстрел из АК

Вернёмся к реальным реактивным двигателям, в которых вместо пуль обычно используются потоки выходящего с гиперзвуковой скоростью газа. Химические реактивные двигатели являются самыми распространёнными, но не единственными.

В этой статье, с большим предисловием, я хочу рассказать об ионных реактивных двигателях (далее ИРД). ИРД используют в качестве рабочего тела заряженные частицы - ионы. Ионы имеют массу, и если их разогнать электрическим полем, то можно создать реактивную тягу. Это всё в теории, а теперь подробнее. ИРД имеет некоторый запас газа, который ионизируют (т.е. нейтрально-заряженные атомы газа разбивают на отрицательные электроны и положительные ионы) с помощью газового разряда. Далее ионы разгоняются электрическим полем с помощью специальной системы сеток, и эта же система сеток блокирует движение электронов. После того, как положительные ионы вылетели из сопла, их нейтрализуют отрицательными электронами (в результате этого происходит рекомбинация и газ начинает светиться), чтобы ионы не притягивались обратно к двигателю, и тем самым не снижали его тяги.

Почему ксенон?

Обычно в ИРД в качестве рабочего тела используется газ ксенон, так как он имеет наименьшую энергию ионизации среди инертных газов.

Удельный импульс ионных реактивных двигателей достигает 50 км/с, что в 150 раз превышает скорость звука! Увы, но тяга таких двигателей составляет около 0,2 Н. Почему же так? Ведь удельный импульс очень большой. Дело в том, что масса ионов очень маленькая и массовый расход получается небольшим. Для чего тогда такие двигатели нужны, если они ничего не смогут сдвинуть с места? На Земле может быть не смогут, а вот в космосе, где нет сил сопротивления, они достаточно эффективные. Существует такое понятие как полный импульс - произведение тяги на время или произведение удельного импульса на массу топлива , который у ИРД является достаточно большим.

Решим следующую задачу. Пусть жидкостный ракетный двигатель имеет удельный импульс 5 км/с, а у нашего ИРД он будет 50 км/с. И давайте масса рабочего тела (в ЖРД она равна массе топлива) у обоих двигателей будет 50 кг. Примем массу космического аппарата равной 100 кг.
Найдём по формуле Циолковского конечную скорость аппарата (т.е. когда в нём закончится рабочая масса).

И что получается, если ионный и химический реактивные двигатели будут иметь одинаковую массу топлива, то ИРД сможет разогнать космический аппарат до больших скоростей, нежели химический РД. Правда на ИРД космический аппарат будет разгонятся дольше до конечной скорости, чем на ЖРД. Но в путешествиях к далёким планетам, высокая конечная (разгонная) скорость будет компенсировать этот недостаток.

Схема полёта к Марсу на ИРД

ИРД используются и в наше время. Например, аппарат Deep Space 1 сблизился с астероидом Брайль и кометой Борелли, передал на Землю значительный объём ценных научных данных и изображений.

Deep Space 1

Также космическая антенна LISA, которая сейчас находится на стадии проектирования, будет использовать ИРД для корректировки орбиты.

Laser Interferometer Space Antenna

И напоследок, давайте определим тягу ИРД, зная массу иона М=6,5∙10^-26 кг , ускоряющие напряжение U=50 кВ , ток нейтрализации I=0,5 А , элементарный заряд е=1,6∙10^-16 Кл .

Напряжение - это работа по переносу заряда, т.е. на выходе из сопла ион будет иметь кинетическую энергию равную произведению напряжения на заряд иона. Из кинетической энергии выражаем скорость (удельный импульс). Найдём массовый расход из определения тока, электрический ток - это проходящий заряд во времени. Получается, что массовый расход - это произведение массы иона и тока, делённое на заряд иона. Перемножая удельный импульс и массовый расход, получаем тягу равную 0,1 Н.

Подводя итог, хочу сказать, что существуют плазменные реактивные двигатели, у которых схожее устройство, но которые имеют намного больший массовый расход рабочего тела. Кто знает, может быть уже завтра на таких двигателях человечество будет летать на Марс и Луну.

Для многих фраза «Включаем ионный двигатель» может показаться скорее пришедшей из какого-нибудь фантастического фильма, вроде «Звездных войн», нежели относящейся к реальному миру. А ведь ионные двигатели на самом деле используются в различных космических миссиях уже более сорока лет и они по-прежнему продолжают оставаться объектом активных исследований со стороны ученых. Эти двигатели обладают невероятной топливной эффективностью, но их малая тяга требует их постоянной работы - от сюда и все проблемы при их применении. Ведь постоянная работа - это постоянный износ, и как следствие - серьезное ограничение периода их эксплуатации и жизнеспособности. Но группа ученых из исследовательской лаборатории Jet Propulsion Laboratory (JPL) придумали новый дизайн двигателя, который исключает износ и открывает двери для возможных будущих миссий за пределами нашей Солнечной системы.

Различные типы ионных двигателей начали применять в космических миссиях еще в 1964 году, когда NASA запустила программу суборбитального полета SERT (Space Electric Rocket Test I). После этого во многих космических полетах на той или иной стадии использовались такие двигатели. Например, несколько коммуникационных спутников достигали своих ключевых геосинхронных орбит используя именно ионную тягу. А аппарат SMART-1 производства Европейского космического агентства хоть и использовал при выходе на околоземную орбиту обычные двигатели, для полета до лунной орбиты использовал ионные движки.

Но во всей своей красе ионные двигатели смогли раскрыться только при полетах в дальний космос: миссиях NASA Deep Space One и Dawn, и миссии Hayabusa от Японского аэрокосмического исследовательского агентства, где ионные двигатели активировались на разных стадиях, на протяжении нескольких лет и создавали тягу в несколько сотен ньютон.

Ионный двигатель аппарата Deep Space One

Как же работает ионный двигатель?

Существует множество видов и еще больше предложенных вариантов ионных двигателей, но основной принцип один для всех. Есть два базовых вида ионных двигателей - электростатический и электромагнитный.

Электростатический ионный двигатель работает по принципу ионизации топлива (чаще всего в таких случаях используются газы ксенон или аргон). Сначала из электрона получают положительно заряженный ион, путем наделения его достаточной энергией. Затем положительно заряженные ионы помещаются между двумя специальными заряженными решетками образующими электростатическое поле. Это настолько разгоняет заряженные ионы, что они буквально вырываются из сопла двигателя и тем самым дают нужную тягу.

Электромагнитный ионный двигатель тоже работает по принципу ионизации топлива. Но в этом случае образуется плазма, которая образует своего рода мост (поток) между ионизированным анодом и катодом. Этот поток преобразует магнитное поле в электрическое поле, которое разгоняет положительно заряженные ионы. Выводятся они из двигателя благодаря силе Лоренцо - примерно по похожему принципу работает рейлган.

…а космические корабли бороздят просторы Вселенной

Все описанное выше требует большого количества электрической энергии, примерно 25 кВт на ньютон тяги. Так сколько же нужно уровней тяги для перемещения по Солнечной системе, скажем, 100-тонного космического корабля? Все конечно зависит от самой миссии, но 1000 H будет вполне достаточно, чтобы примерно за 10 месяцев достигнуть орбиты Юпитера, а орбиты Нептуна - за полтора года.

Что же для этого потребуется? Сперва нужно будет обзавестись источником энергии с силой около 25 МВт (мегаватт). Что же подойдет для такого уровня? Ядерная энергия, конечно! Очень много ядерной энергии, которая вырабатывается ядерным реактором, установленным в 100-тонном космическом корабле. К счастью технологии довольно активно развиваются, и в направлении создания компактных ядерных реакторов работы уже ведутся. Более того, NASA и DOE работают вместе над проектом Fission Surface Power Project, сутью которого является размещение на поверхности Луны и Марса маленьких ядерных электростанций. Задачей проекта является создать в ближайшие 10 лет реактор мощностью 40 кВт, который влезет в пространство размером 3 x 3 x 7 метров и при этом не будет весить больше 5000 кг.

Проблема конструкции

Допустим, миниатюрную ядерную электростанцию мы уже создали. Как мы сделаем сам ионный двигатель на 1000 Н? Помимо обычных технических проблем, вроде эффективности ионизации топлива и разработки системы охлаждения для такого двигателя, самой большой проблемой в данном вопросе является быстрый износ из-за большого ионного «выхлопа» который будет выделять из двигателя и в конце концов просто разрушит конструкцию. Но что интересно, проблем стоит не в материале, из которого этот двигатель состоит, а в нынешней конструкции (дизайне). Так вот эту проблему уже частично решили исследователи из NASA и лаборатории Jet Propulsion.

На схеме ниже можно видеть как топливная плазма заполняет анодный и газовый распылитель. При низкой тяге, малое количество плазмы разгоняется эффектом Лоренца, благодаря магнитному и электрическому полям. При большой тяге плотность плазмы становится достаточно мощной чтобы искривить эти поля, что в результате разгоняет положительно заряженные ионы прямо в анодную стену.

В нынешних ионных двигателях высокая вырабатываемая ионная энергия разрушает стенки камеры. При попытке увеличить тягу, тем самым снизив потребление топлива, разрушение происходит еще быстрее. Проблема становится еще сложнее и потому, что электродинамика полей и плазмы нелинейна, что усложняет возможность предсказать эффект эрозии после изменения самого дизайна камеры.

Новый подход заключается в том, чтобы защитить стенки камеры от заряженных ионов путем создания магнитного щита. NASA удалось это сделать путем экранирования стенок нитридом бора таким образом, что магнитное поле от внутренней и внешний катушки проходит вдоль конца анодного канала. Другими словами, магнитное поле теперь никак не влияет на сами стенки камеры. Эти поля теперь находятся перпендикулярно, или даже практически параллельно стенкам.

Результаты первых экспериментов новой магнитно-экранированной камеры с мощностью 6 кВт ускорителя показали, что эрозия резко снизилась на 500-1000 пунктов. Это просто отличный результат!

Разумеется, на дальнейшем пути создания более крупных ионных двигателей ученые наверняка столкнуться с немалым количеством трудностей, но основная задача, которая вроде бы и лежала на поверхности, но никак не хотела решаться, теперь все таки решена. Другими словами, мы стали еще на один шаг ближе к миссиям и, кто знает, даже коммерческим путешествиям в дальний космос.

hi-news.ru