ТАЙНЫ ПЛАЗМЫ 3


В ряде ускорителей типа плазменной пушки используется вращение порции плазмы вокруг оси. В таких двигателях (их иногда называют роторными магнитогидродинамическими ускорителями; рис. 62) первоначальное *)

*) Интересно, что у нас в стране еще в 194.1 г. в Ленинграде; проф. Г. И. Бабат создал «плазменную пушку», из которой выстреливались с большой скоростью плазменные кольца («Техника — молодежи», III, 1963).

Ч К. А. Гильзин

вращение плазмы переходит в ее поступательное движение при выбрасывании плазменного кольца из двигателя под действием магнитного поля. При этом внешнее

Рис. 60. Схема образования «нлазмоидов» в электромагнитном двигателе. Внизу — схема двигателя. (Доклад В. Бостика на конференции по сверхвысоким температурам, США, 1958, «Вопросы ракетной техники», № 3, 1959).

магнитное поле играет большую роль, нем внутреннее, в отличие от приведенного выше ускорителя типа кольцевой магнитной ударной трубы.

Мы привели только некоторые примеры исследуемых в настоящее время плазменных двигателей, вовсе не зада-

Петля

электрического 100

Подвод рабочего вещества (газа)

Наружный \ разряд

кольцевой чч /

электрод о о /о о о

внутренний

электрод

Подвод рабочего вещества (газа)

'S <Г .

Катушка для созда- ° ния магнитного поля. изолирующего плазму от стенок

Рис. 61. Схема магнитогидродинамического ударного ускорителя с расширением петли тока.

ваясь целью дать их исчерпывающий обзор, который оказался бы чрезмерно обширным для нашей книги. Однако

Котишка, создающая сильное осевое магнитное поле, уйе-личивающее вращательную и поступательную

скорость плазмы

Циклический

_ Подвод рабочего вещества (газа)

переключатель

внутренний Мл электрод у/а. /ооо/ооооо

НнРтПтй Плазма,

ISpod fqx

зазоре

Рис. 62. Схема роторного магнитогидродинамического ускорителя (Astronautics, № 10, 1959).

и эти частные примеры показывают, как велико многообразие возможных схем плазменных двигателей. Следует

* 195

отметить, что уверенный аналитический расчет и оценка таких двигателей в настоящее время практически еще невозможны, хотя теоретические работы и публикуются в большом количестве. Это объясняется сложностью процессов взаимодействия плазмы с электромагнитными полями, еще далеко не до конца изученных магнитогидродинамикой (по существу, пока нет даже единой общей теории таких процессов).

Вот почему решающим в этой связи оказывается эксперимент, которому в настоящее время за рубежом уделяют огромное внимание. Следует отметить, что экспериментальные исследования плазменных (да и других элект-роракетных) двигателей связаны со значительными трудностями и требуют сложных установок и большого мастерства экспериментаторов. Причина этого как в малой величине тяги, высокой температуре плазмы, нестационарном характере явлений и других особенностях рабочего процесса двигателя, так и в множестве явлений, искажающих величину измеряемой тяги при испытании. В частности, такое искажение вводится вакуумной камерой, куда выбрасывается струя плазмы из испытуемого двигателя. Вот почему решающие испытания плазменных двигателей могут быть осуществлены лишь в космосе, в истинном полете ракеты.

Какие же значения удельного импульса возможны с помощью плазменных двигателей? Очевидно, эти значения должны быть более высокими, чем у простых электротермических двигателей, ибо в плазменных двигателях температура плазмы обычно бывает более высокой и, самое главное, кинетическая энергия плазмы в них повышается не только за счет тепловой энергии, подводимой к плазме, например в дуге, но и за счет магнитной энергии. Понятно, что скорость истечения плазмы получается при этом более высокой. Действительно, проведенные испытания плазменных двигателей показали, что величина удельного импульса для них находится в диапазоне 5000— 10000 сек (скорость , истечения 50—100 км/сек)), что примерйр на порядок величины больше, чем у простых электротермических двигателей и почти на два порядка по сравнению с термохимическими двигателями. Правда, эти *)

*) Г. Л. Г р о д з о в с к и й, Ю. Н. Иванов, В. В. Токарев, «Механика космического полета с малой тягой», «Наука», 1966.

данные (меньшие значения относятся к двигателям с установившимся течением, большие — к импульсным) можно считать только предварительными, но скорее можно ожидать, что указанные значения удельного импульса будут превзойдены. В частности, уже упоминавшийся выше американский ученый Бостик предполагает возможность повышения удельного импульса до 100000 сек, что соответствует скорости истечения 1000 км/сек).

Это делает очевидным значение плазменных двигателей для космонавтики — с их помощью величина полезного груза космической ракеты может быть существенно увеличена, в особенности в случае длительного и дальнего полета.

Правда, тяга этих двигателей, как и электродуговых, невелика и не превышает, а обычно оказывается даже меньше килограмма. Но это общее свойство всех электро-ракетных двигателей, как уже указывалось выше, не является недостатком, исключающим их применение. В космосе, где потребная тяга может быть весьма малой, двигатель, способный развивать такую тягу в течение длительного времени, дней и месяцев, может оказаться весьма полезным.

О других характеристиках плазменных двигателей стоит сказать лишь несколько слов. В отношении к. п. д. этих двигателей, т. е. эффективности преобразования затрачиваемой электрической энергии в кинетическую энергию реактивной струи вытекающей плазмы, они близки к электротермическим. Как сообщается, полный к. п. д. этих двигателей находится в диапазоне 30—40%, но, вероятно, сможет быть повышен до 50% и более). Для «гибридных» магнитоплазмодинамических двигателей, о которых шла речь выше, достигнутый при испытаниях к. п. д. приближается к 70% ). В отношении весовых характеристик электромагнитные двигатели немногим уступают электротермическим. Однако такое отличие не является существенным, так как в основном вес любой электроракетной силовой установки определяется не самим двигателем, а необходимой для его работы энергоустановкой, о чем будет идти речь в гл. 7, *)

*) Astronautica Acta, V, 1962, т. 7, № 6 !) AIAA Journal, VII, 1963.

) Aviation Week. 23. III. 1964, стр. 68.

Рабочее вещество плазменного двигателя должно, очевидно, обладать малой энергией ионизации, чтобы при нагреве до той же температуры обеспечивать максимальный удельный импульс. Весьма выгодным может оказаться, в частности, применение для этой цели железа, в особенности, если удастся использовать конструкционные элементы ракеты в соответствии с идеей Цандера.

Весьма серьезным недостатком электромагнитных плазменных, а также электротермических ракетных двигателей является эрозия сопел этих двигателей в результате течения по ним с огромной скоростью плазмы высокой температуры. В ряде опытов, проведенных в США, сопла Лаваля из разных материалов, от графита до вольфрама и молибдена, испарялись за доли секунды, когда через них протекал воздух с температурой 9000° К; тепловой поток в горловине сопла составлял при этом 400 кет!см. Для обеспечения надежности двигателя при длительной работе с высоким удельным импульсом эти проблемы эрозии и охлаждения должны получить удачное конструктивное разрешение.

За рубежом построен и испытывается в лабораториях ряд плазменных двигателей, разрабатываются двигатели, предназначенные для летных испытаний на ракетах. Характерно, что когда в 1960 г. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США (правительственная организация, ведущая, а также координирующая все исследования в этих областях) должно было передать заказ на разработку плазменных двигателей двух типов (один из них тягой около 225 Г, другой-—около 5 Г), на этот заказ претендовало 20 конкурирующих фирм. Фирма Рипаблик Авиэйшн в 1958—1961 гг. испытывала «пинчевые» плазменные двигатели, как маломощные — тягой от 5 до 50 Г с удельным импульсом от 700 до 9000 сек, — так и развивавший большую импульсную тягу, более 4000 кГ, но в течение весьма короткого промежутка времени, менее микросекунды. Такие циклы могут повторяться много раз в секунду. При частоте 500 циклов в секунду средняя тяга двигателя составляла 0,8 кГ, В двигателе фирмы, получившем обозначение ХЕ-1, также используется пинч-эффект. Тяга этого двигателя равна 4,5 Г, удельный импульс на разных режимах изменяется от 1000 до 7000 сек. На приводимой фотографии двигателя (рис. 63) видны 12 конденсаторов

Рис. 63. Экспериментальные «пинчевые» плазменные ракетные Двигатели фирмы Рипаблик (США), а) Двигатель ХЕ-1; )ХЕ-1А (Missiles and Rockets, 2.X. 1961; Flight, 6. VI. 1963).

емкостью по 10 мкф (напряжение 3000 в), расположенные по окружности вокруг сопла. Принципиальная схема этого двигателя была приведена на рис. 58.

На том же рис. 63 показан усовершенствованный вариант этого двигателя, созданный фирмой в 1961 г. и получивший обозначение ХЕ-1А. Тяга двигателя та же, но он снабжен автономным батарейным источником электропитания мощностью 1 кет. Длина двигателя 51 см, диаметр 61 см, вес 68 кГ).

В 1960 г. фирма Гранд Сентрал Рокет (США) разработала проект пульсирующего плазменного двигателя тягой 13,5 кГ с удельным импульсом 20000 сек; двигатель должен иметь 150 тяговых камер — ускорителей плазмы, работающих с частотой 10000 гц. Энергопитание этой силовой установки предполагается от атомной электросиловой установки весом 150 Т.

Фирма Дженерал Электрик испытывала непрерывно в течение 18,5 часа пульсирующий плазменный двигатель тягой в одном импульсе 45 Г. Другой подобный же двигатель фирмы с тягой 9 Г при частоте 1000 циклов в минуту (двигатель REPPAC III) наработал при испытании в барокамере 60 часов; к. п. д. этого двигателя мощностью 7 кет составил 32%, удельный импульс 5000 сек. Более поздняя модификация этого двигателя (модель А-7Д) испытывалась на стенде в течение 50 часов при том же значении удельного импульса и к. п. д. 67% ); внешний вид и схема двигателя показаны на рис. 64.

На Международном астронавтическом конгрессе в Мадриде в 1966 г. фирма Дженерал Электрик сообщила о разработанном ею микроракетном плазменном двигателе на твердом рабочем веществе SPET). Двигатель пульсирующего типа с тягой от 1 до 100 мГ и удельным импульсом от 800 до 3000 сек) (указывается, что возможен импульс до 4000 сек)) предназначен для систем ориентации и стабилизации искусственных спутников. При стендовых испытаниях, длившихся несколько месяцев, было произведено более 1 млн. импульров с частотой

) Flight, 6. VI. 1963.

) Aviation Week, 5. IX. 1966.

) Technology Week, 3. VII. 1967, стр. 22.

) Raumfahrtforschung, I, 1967.

°) Space/Aeronautics, III, 1967, стр. 113,

— внутренний электрод (катод), 2 — триггерные (зажигающие) электроды, з — подача рабочего вещества, 4 — наружный электрод (анод), 5 — стержень клапана, 6 — катушка, 7 — фланцы, 8 — изолятор, 9 — кольцевое отверстие подачи рабочего вещества, зазор 6,5 мм (Aviation Week, 5. IX, 1966, стр. 101).

2 импульса в секунду, что соответствует работе двигателя в системе стабилизации синхронного искусственного спутника весом 270 кГ в течение 26 месяцев)- Особенностями двигателя являются весьма малый собственный вес (менее 0,7 кГ) и размеры всей установки (общий объем примерно 400 см), причем собственно двигатель весит 0,45 кГ и занимает объем примерно 33 см3 * *), конструктивная простота и неприхотливость в эксплуатации, малая электрическая мощность (0,5—5 вт). В большой мере указанные особенности связаны с оригинальной системой подачи в двигатель рабочего вещества, которым служит тефлон (фторопласт), хранящийся в виде густой пасты (может применяться и взвесь твердого вещества в жидкости). Эта подача осуществляется специальным устройством с использованием капиллярных сил; затем рабочее вещество попадает на распределительную пластину, растекается по ней тонким слоем, поджигается триггерными электродами, а образовавшаяся плазма ускоряется затем в электромагнитном поле, которое создается системой ускоряющих электродов (рис. 65). В докладе на конференции по электроракетным двигателям в США в сентябре 1967 х. представители фирмы заявили о ресурсе двигателя в 10 импульсов и к. п. д. 67% ). Близок к описанному и разработанный во Франции (фирмой Сюд-Авиасьон) микроракетный импульсный плазменный двигатель ITEM тягой примерно 0,11 Г с удельным импульсом 15 000 сек). В этом двигателе рабочее вещество уже действительно твердое — графитовый стержень; поверхностный электрический разряд в вакууме на этом стержне вызывает его эрозию с образованием облака графитовой плазмы, которая затем нагревается до 15 000° С и ускоряется системой электродов (рис. 66). Двигатель предназначен для использования в качестве ориентационного, а также корректирующего.

Фирма Рокет Рисерч (США) создала экспериментальный пульсирующий плазменный двигатель рельсового типа), показанный на рис. 67. Сверху и снизу на параллельные, рельсовые электроды наложены стеклянные пластины, предотвращающие утечку рабочего вещества. По

Ч Flight, 3. VIII. 1967, стр. 195.

) AIAA Bull., 1967, т. 4, № 9, стр. 128.

) Luftfahrttechnik. Raumfahrttechnik, II, 1965, № 2, стр. ^1,

) Missiles and Rockets, 5. II. 1962,

утверждению фирмы, при опытах в барокамере был Aocfnf-нут к. п. д. двигателя 0,5—0,6 (предполагается его увеличение до 0,7—0,8) и удельный импульс в диапазоне

Рис. 65. Пульсирующий микроракетный электромагнитный двигатель SPET фирмы Дженерал Электрик. Внизу показана электрическая схема двигателя, слева — устройство подачи рабочего вещества в крупном масштабе.

1 — подача рабочего вещества на стеклянную или пластмассовую распределительную пластину, 2 — штифты подачи, создающие капиллярный эффект, з — пластмассовый пористый резервуар с рабочим веществом, 4 — экран, 5 — ускоряющий электрод, 6 — триггерный электрод, 7 — рабочее вещество высокой плотности с малой упругостью пара,

8 — электропитание, 9 — преобразователь тока высокого напряжения, 10 — конденсатор, 11 — двигатель, 12 — триггерный контур, 13 — силовые линии магнитного поля,

14 — ток в ускоряющих электродах, 15 — результирующая лоренцова сила, ускоряющая плазму (Raumfahrtforschung,

I, 1967).

5000—10000 сек. Двигатель предназначен для использования в системе ориентации искусственного спутника Земли: тяга двигателя равна примерно 5 мГ, его вес 2,7 кГ, габаритная длина 610 мм, высота 213 мм). *)

*) Aviation Week, 20. III. 1967.

Рис. 66. Схема французского импульсного плазменного электроракетного двигателя ITEM (фирмы Сюд-Ави-

асьон).

1 — корпус, 2 — графитовый стержень, з — подвод электроэнергии, 4 направляющие рельсовые электроды (Luftfahrt-techriik. Raumfahrttechnik, 1965, № 2, стр. 31).

Рис. 67. Экспериментальный плазменный ракетный двйгсггель рельсового типа фирмы Рокет Рисерч

(США).

1 — электроды; 2 — подача газообразного рабочего вещества; 3 — конденсатор; 4 — пружинные зажимы пластин.

«Гибридные» магнитоплазмодинамические двигатели разрабатываются в США-рядом фирм — Джанини, Авко, Электро-Оптикал Системз) и др. Двигатель Джанини мощностью 176 кет, работающий на водороде, развивал при испытаниях тягу 250 Г, двигатель мощностью 150—^ 200 кет —- тягу до 227 Г, двигатель Электро-Оптикал Системз мощностью 70—90 кет —тягу 150 Г; удельный им* пульс этих двигателей составлял 10000—12000 сек). Импульсный магнитоплазмодинамический микроракетный двигатель, разработанный НАСА, испытывался в тече^ ние более 400 часов), развивая тягу 2—7 мГ при удельном импульсе до 1300 сек; двигатель предназначен для системы ориентации и стабилизации искусственных спутников).

Все электромагнитные двигатели, разрабатываемые за рубежом, находятся, по существу, в экспериментальной стадии. Советские ученые впервые в мире испытали плазменные электроракетные двигатели в реальном космическом полете. Шесть таких двигателей было установлено в системе ориентации советской автоматической межпланетной станции «Зонд-2», запущенной в декабре 1964 г. ). В период с 8 по 18 декабря, когда станция находилась на большом расстоянии от Земли (18 декабря к 22 часам это расстояние достигло 5 млн. 370 тыс. км), по радиокоманде с Земли система ориентации станции была переключена на плазменные двигатели, которые в течение длительного времени поддерживали заданное положение станции относительно Солнца). Электрическое питание двигателей осуществлялось от солнечных батарей. Так впервые практически была доказана работоспособность плазменных двигателей в космосе.

Чтобы закончить главу о плазменных двигателях, хотелось бы подчеркнуть вот какое обстоятельство. Из всего изложенного у читателя могло сложиться представление о плазме как о газе, нагретом до весьма высокой температуры. Между тем это вовсе не так. Верно, что

*) Research, X, 1967, т. 18, № 10, стр. 54.

) Aviation Week, 23. III. 1964.

) Aviation Week, 10. IV. 1967.

) Technology Week, 20. III. 1967.

) Сообщение ТАСС, «Правда», 19 декабря 1964 г.

) «Известия», 19 декабря 1964 г., статья акад. М. Д. Миллион-Щикова.

сильный нагрев газа йрёвращает его в плазму. Верно й то, что в плазменных двигателях обычно имеют дело именно с такой плазмой. Но нагрев газа хоть и самый распространенный, но вовсе не единственный способ получения плазмы.

Плазму, с которой приходится иметь дело в электро* магнитных ракетных двигателях, в науке считают низкотемпературной. Действительно, что значат тысячи и даже десятки тысяч градусов по сравнению со многими миллионами градусов высокотемпературной плазмы в недрах звезд? Однако возможна и еще более «холодная» плазма, причем она не только встречается в природе (в частности, подобной плазмой заполнено пространство между галактиками; астрономы называют ее межгалактической плазмой), но и используется в технике.

В частности, например, в США создана низкотемпературная сверхзвуковая аэродинамическая труба с плазмой паров ртути, создаваемой путем высокочастотного возбуждения в вакууме, равном примерно 10 мм рт. ст. В результате воздействия радиочастотного электромагнитного поля атомы ртути, текущей в сопле Лаваля, ионизуются и образуется плазма, однако температура ее невелика, порядка 450° С. Высокоскоростная струя плазмы, образующаяся при расширении и ускорении в сопле Лаваля, используется для осуществления газодинамического эксперимента.

Этот пример показывает, что для электромагнитного ускорения плазмы она вовсе не обязательно должна иметь высокую температуру. Вполне возможен и широко применяется и «холодный» разгон.

Но здесь мы вступаем в область «холодного» электричества, которому посвящена следующая глава.



Электрические межпланетные корабли, Гильзин К.А., 1970



Блондинка за углом смотреть фильм
Маленькая Вера смотреть фильм
Любовь и голуби смотреть фильм