Космический двигатель третьего тысячелетия :: Идеи

Земля - колыбель человечества, но нельзя же вечно жить в колыбели! (К. Э. Циолковский)

Космический двигатель третьего тысячелетия

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

Кинетическую энергию встречного потока газа можно использовать для увеличения скорости полета космического аппарата с помощью реактивного двигателя с условным названием ЭОЛ (журнал "Инженер", 1992, №1, с.39).

Принцип действия

Принцип действия двигателя следующий: ионизированный под действием мощного электронного луча газ (плазма) захватывается массозаборником и направляется в канал МГД-генератора; вследствие торможения плазмы вырабатывается электрический ток, который приводит в действие реактивный движитель и бортовые системы космического аппарата.

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

Превышение силы тяги над силой торможения, создаваемое на каждый килограмм массы выбрасываемого из электрореактивного движителя рабочего тела, называется удельной тягой. В режиме ускорения максимальное значение удельной тяги можно вычислить путем умножения постоянной 0,051 с²/м (расчет коэффициэнтов) на скорость истечения рабочего тела. Скорость истечения рабочего тела прямо пропорциональна скорости космического аппарата относительно захваченной плазмы и коэффициент пропорциональности равен 0,684 (при коэффициенте полезного действия двигателя ЭОЛ 0,9 (расчет коэффициэнтов). Смотрите также: [примечание. 1].

Захваченная массозаборником плазма проходит через сквозное отверстие канала МГД-генератора и вытекает со скоростью, которая равна скорости истечения рабочего тела. Таким образом, величина удельного импульса реактивного двигателя ЭОЛ прямо пропорциональна скорости полета космического аппарата и коэффициент пропорциональности равен 0,0349 (расчет коэффициэнтов).

Из-за слишком малой плотности межпланетной среды экраны массозаборника лучше всего "строить" из магнитных полей. Авторы книги "Ракеты будущего" доктора технических наук В. Бурдаков и Ю. Данилов полагают, что можно создать магнитную воронку диаметром около 1000 километров. По их мнению, при скорости полета 100 км/с такая воронка обеспечит ежесекундно поступление 1кг плазмы. Мощность потока плазмы составит 5 млн кВт. В этих условиях реактивный двигатель ЭОЛ обеспечит космическому аппарату массой 1000 тонн ускорение минимум 0,031 м/c².

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

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

Для увеличения концентрации газа в межпланетном пространстве могут использоваться искусственные источники. Опыты с искусственной кометой уже проводились с целью исследования магнитного поля Земли. Спутник ИРМ, созданный институтом им. Макса Планка, выпустил на высоте 110 тысяч километров облако заряженных частиц бария. Облако сначала было зеленым, а через полминуты стало фиолетовым благодаря ионизации под действием солнечных лучей. Через 8 минут от облака протянулся хвост на 20 тысяч километров, а скорость частиц бария под давлением солнечных лучей достигла несколько десятков км/с.

Для эффективной работы реактивного двигателя ЭОЛ необходимая скорость может сообщаться космическому аппарату при помощи маневров баллистического ускорения с использованием силы тяготения планет и Солнца.

Использование

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

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

Для формирования в межпланетном пространстве движущихся с большой скоростью потоков плазмы можно использовать электрические ракетные двигатели (ЭРД), которые устанавливаются на космических объектах естественного или искусственного происхождения. Ракетные двигатели относятся ко второму классу реактивных двигателей, которые не используют для работы окружающую среду. ЭРД состоят из двух основных частей:

силовая установка, которая вырабатывает электрический ток за счет ядерной, химической или солнечной (примечание 2) энергии;
реактивный движитель, в котором с помощью электрического тока разгоняется рабочее тело.

ЭРД подразделяют на три основные группы:

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