1. Від термояда до плазмового мотору
2. магнітоплазмове ракета
3. відкинути зайве
4. Двигун з пляшки
5. До далеких планет

Гелікон - духовий музичний інструмент. Фізики називають цим словом електромагнітну хвилю, яка порушується в плазмі, що знаходиться в магнітному полі. Бути може, в майбутньому слово «гелікон» стане загальною назвою плазмових двигунів, які будуть розганяти земні космічні кораблі до далеких планет.

За минулі півстоліття земна космонавтика впевнено освоїла навколоземний простір і почала вивчення планет Сонячної системи, спираючись на традиційні двигуни на хімічному паливі. Звичайно, ще багато років космонавтика буде покладатися на стару добру «хімію». Але хімічні двигуни мають серйозне обмеження, пов'язане з енергетикою хімічних реакцій. Вони надзвичайно «ненажерливі», тобто мають низький питомий імпульс (відношення імпульсу до масовій витраті палива). Тому космічні апарати, які вчені посилають до околиць Сонячної системи, несуть зовсім невелику корисне навантаження, навіть з урахуванням гравітаційних маневрів в полі тяжіння планет, використовуваному для додаткового розгону.

Цілком можливо, що на зміну «хімії» прийдуть електрореактивних двигуни (ЕРД). Саме на ЕРД останнім часом покладають великі надії конструктори космічної техніки. «ПМ» вже писала про історію російських плазмових двигунів СПД (№12'2005), які використовуються в якості маневрових і коригуючих в деяких супутниках зв'язку. ЕРД цього ж типу стояв на європейському зонді SMART-1, відправленому до Місяця в 2003 році, американські ж зонди Deep Space1 (стартував в 1998 році до комети Бореллі) і Dawn (запущений в 2007 році для дослідження астероїдів Вести і Церери) теж оснащені ЕРД , правда, іншого типу - іонними.

Поки на орбітах панують космічні апарати з хімічними двигунами. Але конструктори вважають, що майбутнє - за набагато більш перспективними електрореактивних двигунами.

«Це лише перші кроки, - каже Олег Батищев, який очолював в Лабораторії космічних двигунів (Space Propulsion Laboratory) факультету аеронавтики і астронавтики Массачусетського технологічного інституту (MIT) групу по розробці плазмового ЕРД принципово нового типу. - Але, звичайно, майбутнє саме за плазмовими двигунами ».

Від термояда до плазмового мотору

На початку 1990-х Олег Батищев, молодий кандидат фізико-математичних наук, випускник і доцент МФТІ, працював в Інституті прикладної математики ім. М.В. Келдиша РАН, де займався чисельним моделюванням систем кінетичних рівнянь для електронів, іонів і нейтральних атомів. Ці дослідження були потрібні Курчатовський інститут для проекту міжнародного термоядерного експериментального реактора ІТЕР (ITER). «У роботі над ІТЕР брало участь безліч дослідницьких груп з різних країн світу, російські працювали в Німеччині, Англії, Японії, навіть Мексиці та Бразилії, - згадує Олег.- Серед американських учасників була група, яка займалася проблемою дивертора - пластини, що відводить енергію з реактора. Міністерство енергетики США запросило мене попрацювати над цією темою в Центрі ядерного синтезу (MIT Plasma Science and Fusion Center) - до 1999 року, коли США вийшли з проекту. Незадовго до цього я познайомився з Франкліном Чанг-Діасом, фізиком і астронавтом родом з Коста-Ріки, випускником MIT. Він в кінці 1980-х в тому ж Центрі ядерного синтезу займався конструюванням пробкотрон - магнітних пасток для плазми, які не виправдали очікувань (плазма з них витікала). Тоді йому і прийшла в голову ідея, як можна розганяти плазму і виштовхувати її в потрібному напрямку - тобто як зробити плазмовий двигун. Йому потрібен був джерело щільної плазми, і ми його досліджували ».

Винахідник міні-Гелікон плазмового двигуна Олег Батищев в фотостудії «Популярною механіки» задумливо дивиться вгору, уявляючи собі майбутнє, в якому такі двигуни будуть розганяти космічні кораблі до планет Сонячної системи.

магнітоплазмове ракета

Проект свого двигуна Чанг-Діас назвав Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (магнітоплазмове двигун із змінним питомим імпульсом), скорочено VASIMIR (станція «Мир» тоді ще була на орбіті), трохи пізніше назва була змінена на VASIMR. До 2005 року Чанг-Діас розробляв свій проект в Лабораторії перспективних космічних двигунів NASA (Advanced Space Propulsion Laboratory), а потім - в лабораторіях власної компанії Ad Astra Rocket неподалік від Х'юстона і в рідній Коста-Ріці.

Ідея двигуна VASIMR вельми оригінальна. Він складається з трьох ступенів. Перша - Гелікон джерело плазми, в якому газ іонізується радіочастотним випромінюванням спеціальної антени в присутності магнітного поля (це досить поширена конструкція). У другому рівні відбувається прискорення іонів резонансним високочастотним полем: іони обертаються в площині поперечного перерізу, як в циклотроні (іноді це називають «циклотронним розігрівом»). Остання щабель - магнітне сопло, яке перетворює рух поперечно обертових частинок в поздовжнє, викидаючи прискорену плазму з утворенням тяги.

«Метою проекту VASIMR було створення потужного двигуна з великою тягою, порядку ньютонів, - пояснює Олег.- До того ж у цій конструкції є важлива перевага, якого немає у існуючих плазмових двигунів інших типів: можна міняти питомий імпульс в широкому діапазоні, адже для максимальної ефективності ракети швидкість витікання робочого тіла повинна бути в ідеалі дорівнює її швидкості, тоді енергія витрачається оптимальним чином ».

відкинути зайве

Як згадує Олег, в процесі конструювання Гелікон джерела плазми для VASIMR виявилося цікаве теоретичне наслідок: «Уявіть собі, що ви починаєте закачувати енергію в газ за допомогою антени. Спочатку нічого не відбувається, потім відбувається електричний пробій, газ іонізується, утворюється плазма. Саме така холодна і щільна плазма надходить в циклотроні щабель двигуна VASIMR, а гаряча плазма там не потрібна - це зайві витрати енергії. Якщо продовжити закачувати енергію в Гелікон джерело, за нашою теорії повинен спостерігатися різкий стрибок в його ефективності: після повної іонізації газу ( 'вигоряння') вся енергія йде на розігрів електронів плазми, а втрати на випромінювання складають лише малу частину. Експерименти підтвердили наявність цього ефекту, що навело мене на ідею створення ефективного і дуже простого плазмового двигуна ».

Прототип, який в MIT назвали міні-Гелікон двигуном (mHT, mini-Helicon Thruster), за своєю конструкцією дуже простий: це кварцова трубка з навитої обмоткою для створення магнітного поля і антеною для збудження Гелікон хвилі. Вступник газ іонізується високочастотним радіовипромінюванням, плазма розігрівається, а магнітне поле направляє плазмову струмінь в потрібному напрямку. «Наш двигун відрізняється від VASIMR - він одноступінчатий, для нагріву плазми не потрібен циклотронний нагрів іонів, не потрібно магнітне сопло, він компактніше, - пояснює Батіщев.- При цьому в якості робочого тіла в VASIMR спочатку використовували водень, потім перейшли на гелій, зараз використовують аргон - більш важкі гази знижують питомий імпульс, зате підвищують тягу. А наш двигун здатний працювати практично на чому завгодно - на азоті і навіть на повітрі! Можна безперервно змінювати склад робочого тіла, і двигун буде продовжувати роботу ».

Питома імпульс прототипу міні-Гелікон плазмового двигуна при роботі на азоті склав 2000-4000 секунд, на аргоні - 1000-2000. Двигун показав тягу в 10 мілліньютонов при потужності 700 Вт і витраті 20 см3 в хвилину.

У порівнянні з сучасними плазмовими двигунами міні-Гелікон має ряд істотних переваг. Двигуни на ефекті Холла (до яких відносяться російські СПД) не дозволяють використовувати повний переріз каналу, розігнані важкі іони ксенону (дуже дорогого і рідкісного газу) викликають ерозію стінок камери, для їх роботи необхідно висока напруга. СПД, як правило, забезпечений двома катодами, оскільки це одне з найбільш вразливих місць конструкції, що значно збільшує габарити двигуна. «Міні-Гелікон двигун позбавлений всіх цих недоліків: плазма не стосується стінок, так що ерозія мінімальна, запалювання автоматичне, не потрібен катод, розміри можуть бути будь-якими, від мініатюрних двигунів точної корекції до великих і потужних - за нашими розрахунками, двигун потужністю 1 МВт матиме діаметр близько 30 см, - каже Олег Батищев. - Розбіжність плазмового пучка у нас дуже невелика, близько 10 градусів (для порівняння - в СПД вона близько 45 градусів). ККД нашого прототипу поки не дуже висока, близько 20%, але це пояснюється тим, що він працює на азоті, та й оптимізацією ми поки не займалися ».

Двигун з пляшки

Міні-Гелікон двигун настільки простий за своєю конструкцією, що це навело Олега на думку про популярну демонстрації: «Ми працювали з потужними постійними магнітами, і один зі студентів не втримав їх при зміні конструкції стенду - магніти кинулися назустріч один одному, зіткнулися і розкололися на шматки. А поки ми чекали нові, мені прийшла в голову ідея зробити двигун з підручних засобів, щоб показати, наскільки він простий. Я вирішив використовувати в якості камери скляну пляшку з-під кока-коли, а Гелікон антену вирізати з бляшаної банки ».

Демонстрація плазмового двигуна з пляшки і банки принесла групі Батищева широку популярність і буквально світову славу: телеканали охоче транслювали ефектну запис експерименту, де за кадром голос одного зі студентів зачитує свідчення амперметра, в пляшці загоряється світіння, і струмінь плазми виривається з відпиляного денця (зрозуміло, експеримент проходить у вакуумній камері).

Щоб переконатися, що міні-гелікон являє собою не просто джерело плазми, а саме двигун, дослідники виміряли характеристики отриманої плазми. Енергію іонів вимірювали двома методами - спектрометричним, за рахунок вимірювання доплерівського зсуву спектральної лінії, і за допомогою енергетичного аналізатора з сповільнює потенціалом. Швидкість іонів склала від 10 до 40 км / с. Причому її можна варіювати за рахунок зміни витрати газу і подається потужності, змінюючи тим самим питомий імпульс. Але найпростішим і ефектним способом демонстрації наявності тяги виявилося, за словами Олега, дуже просте рішення: «Ми просто підвісили наш прототип на двох волосінях до стелі вакуумної камери на магнітах і виміряли відхилення трубочки при холодній продувці (подачі газу) і при закінченні струменя плазми . Різницю було видно неозброєним оком! »

До далеких планет

Дальні космічні польоти з використанням Гелікон плазмових двигунів виглядають поки що фантастично, але все ж набагато більш кращі, ніж на хімічному паливі, - була б тільки енергія (її планується отримувати від ядерної енергетичної установки). Робоче тіло може бути будь-яким: азот, аргон, повітря, навіть вода (правда, це питання потребує додаткових дослідженнях).

На думку Олега Батищева, плазмові Гелікон двигуни мають чудові перспективи вже в самому найближчому майбутньому - коли почнеться освоєння навколоземного простору і Місяця приватними компаніями. Зараз термін служби різних супутників багато в чому обмежений запасом палива або робочого тіла для двигунів корекції орбіти. Міні-Гелікон двигуни в цьому відношенні перевершують будь-які хімічні - вони економічні, мають велику питому імпульс і здатні використовувати як робоче тіло дешевий азот. «Або навіть повітря, - додає Олег. - Уявіть собі супутник на еліптичній орбіті, який в перигеї здатний поповнювати запаси робочого тіла, або низькоорбітальних супутників з невичерпним запасом робочого тіла, яке він бере з атмосфери! »

Стаття опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №2, Березень 2010 ).