Плазмові двигуни: історія, види, досвід

Для тривалої роботи в космосі повинні використовуватися надійні электроракетные двигуни зі швидкістю закінчення плазми близько ста п'яти метрів в секунду і більше. Плазмові двигуни почали активно розробляти ще в середині минулого століття. І сьогодні ця робота продовжується.

Початок досліджень

В космос наші предки давно хотіли полетіти. Вже давно активно вивчався газ за допомогою електричного розряду. Його поміщали в скляну ємність з електродами. Тоді при зниженні тиску з'являлися промені, які виходять з катода, що насправді, як пізніше з'ясували, було потоком електронів.


А в 1886 році виявилося, що, роблячи отвори в катоді, у зворотному напрямку від них тяглися інші промені — іонізовані атоми газів. Але тоді, звичайно, не здогадувалися, що їх будуть застосовувати для отримання реактивної тяги. В часи Радянського Союзу в лабораторіях фізико-технічного СОАН розроблялися іонні і плазмові двигуни, щоб застосовувати ці технології в апаратах для польоту в космос. Робота почалася ще в п'ятдесяті роки двадцятого століття. Були відкриті два типи пристроїв:

эрозионный двигун (імпульсний);

стаціонарний плазмовий двигун (неимпульсный).

Саме ці два види та використовуються донині.

Эрозионный і стаціонарний

Плазмовий двигун, який відомий сьогодні, функціонує за рахунок реактивної сили струменя плазми з сопла. Сама плазма утворюється за допомогою електророзряду. Для більш простого джерела живлення мотора вибирається імпульсний режим (эрозионный плазмовий двигун). Як енергоджерела виступає конденсатор, ємність якого становить 05 мкФ, а напруга — 10 кВ. Його зарядка відбувається від трансформатора діодами і резистором.


З допомогою таких пристроїв утворюються малі та точні імпульсні тяги, які неможливо отримати при роботі інших типів ракетних моторів. Успішні випробування імпульсні плазмові двигуни пройшли в 1964 році на космічній станції «Зонд-2». СПД є варіантом прискорювача на протяжної зоні і із замкненим дрейфом електронів. Такі пристрої здатні працювати тривалий період часу. Два двигуна на ксенон були вперше запущено в 1972 році на борту радянського «Метеора».

Принцип дії: досвідчений зразок

Робота установки здійснюється наступним чином. Напругою для конденсатора є зазор між колектором, що проводять струм, і електродами розрядної камери. При досягненні напругою величини пробою, в камері двигуна з'являється електророзряд. Повітря там нагрівається до десяти тисяч одиниць і набуває плазмове стан. Тиск з різкістю збільшується, і струмінь плазми з величезною швидкістю витікає з сопла. Ракета, яка з'єднана з двигуном, отримує реактивну силу від струменя. Для здійснення м'якого обертання ракета прикріплюється кульковим підшипником і завдяки противаги врівноважується. Найскладнішим электроузлом є колектор, що підводить струм. Зазори між електродами повинні бути не більше половини міліметра. Тоді потужність при передачі від конденсатора майже не загубиться, і не буде створено додаткове тертя, коли ракета почне обертатися.
Сама ракета і весь плазмовий ракетний двигун можуть мати різні розміри, однак повинна дотримуватися відповідність потужності джерела і розміру конденсатора. Для розрахунку базових вузлів і конструкції ракети зручно використовувати схему обчислення за спеціальними формулами.

Досвідчені значення на прикладі

На прикладі з заданим напругою в шість тисяч Ватт і ємності конденсатора 05*10(-6) ф у результаті обчислень вийде енергія, яка виділяється в камері двигуна, що дорівнює 54 Дж. А якщо різниця температур складе 10000К, то об'єм камери вийде рівний половині кубічного сантиметра. Тоді елементами електричної схеми стануть:

трансформатор 220*5000В, що має потужність 200 Вт;

дротяний резистор, що має потужність 100 Ватів.

Ця модель має робоча напруга більше тисячі вольт, а тому необхідно бути дуже обережним при роботі з нею і дотримуватися всіх необхідних правил безпеки.

Правила безпеки при проведенні досвіду

Запуск проводить одна людина. Інші можуть стояти на віддалі на відстані одного метра від приладу.

Всі операції і торкання установки руками можна робити тільки в тому випадку, якщо вона відключена від харчування, почекавши не менше хвилини після цього. Тоді конденсатор встигне розрядитися.

Джерело живлення повинен бути розташований в корпусі з металу, закритому з усіх боків. При роботі він заземлюється за допомогою мідного дроту, діаметр якого повинен становити не менше півтора міліметрів.

Плазмові двигуни для справжніх ракет повинні мати потужність в кілька тисяч разів більше! Може, тим, хто сьогодні проводить досліди з маленькими зразками, завтра доведеться відкривати нові можливості і властивості плазми.