В прошлом году группа исследователей из Китая представила новую конструкцию плазменного реактивного двигателя. Хотя сама по себе технология не является новой, эта новая конструкция может предоставить возможность использовать эти двигатели не только в космосе, но и в атмосфере.
Хотя выходная тяга все еще довольно мала по сравнению с обычными атмосферными двигателями, после масштабирования этот новый тип двигателя может оказаться революционным для аэрокосмической промышленности.
Но прежде чем мы рассмотрим эту новую конструкцию, давайте разберемся, как работают плазменные реактивные двигатели.
Что такое плазменный силовой двигатель?
Плазменные двигатели обычно рассматриваются как потенциальная форма движения космических кораблей . Такие двигатели отличаются от двигателей с ионным двигателем, которые генерируют тягу, отбирая ионный ток из своего источника плазмы. Затем эти ионы ускоряются до высоких скоростей с помощью решеток или анодов.
Плазменные двигатели обычно не требуют высоковольтных решеток или анодов / катодов для ускорения заряженных частиц в источнике плазмы, но используют токи и потенциалы, которые генерируются внутри в виде сильноточной электрической дуги между двумя электродами, для ускорения. Это имеет тенденцию приводить к более низкой скорости выхлопа, поскольку для ускорения используется ограниченное напряжение.
Пример работающего плазменного движителя. Источник: МФТИ / Flickr
Тем не менее, с минимальным трением воздуха в космосе или его отсутствием, тяга этих двигателей не должна быть такой высокой. Если постоянное ускорение может наростать месяцами или годами за один раз, можно в конечном итоге достичь очень высокой скорости.
Такие двигатели имеют различные преимущества перед другими видами электрических двигателей. Например, отсутствие высоковольтных сеток анодов снижает риск ионной эрозии сетки.
Еще одно преимущество состоит в том, что выхлоп плазмы называется «квазинейтральным». Это означает, что положительные ионы и электроны существуют в равных количествах, а это означает, что простая ионно-электронная рекомбинация в выхлопе может использоваться для тушения выхлопного шлейфа , устраняя необходимость в электронной пушке.
Типичные примеры этих двигателей имеют тенденцию генерировать исходную плазму с использованием различных методов, включая радиочастотную или микроволновую энергию с использованием внешней антенны. Из-за особенностей конструкции этих двигателей в них может использоваться ряд ракетных топлив, включая аргон или двуокись углерода .
Как и следовало ожидать, у этой технологии есть и некоторые недостатки. Главный из них — высокий спрос на энергию, необходимую для их работы .
Например, двигателю VX-200 с регулируемым удельным импульсом магнитоплазменной ракеты ( VASIMR) требуется электрическая мощность 200 кВт для создания тяги в 5 Н или 40 кВт / Н. Теоретически такая потребность в энергии может быть удовлетворена с помощью реакторов деления на космических кораблях, но добавленный вес может оказаться недопустимым для запуска корабля.
Еще одна проблема — плазменная эрозия. Во время работы плазма может термически разрушать стенки полости двигателя малой тяги и опорной конструкции, что в конечном итоге может привести к отказу системы.
На сегодняшний день такие двигатели действительно полезны только тогда, когда космический корабль находится в космосе. Это связано с относительно низкой тягой, которая не позволяет реально использовать их для вывода корабля на орбиту. В среднем эти ракеты обеспечивают тягу около 4,45 Н.
Источник: Натанаэль Койн / Flickr
Большинство космических агентств разработали плазменные двигательные установки в той или иной форме, включая, помимо прочего, Европейское космическое агентство, Иранское космическое агентство и, конечно же, НАСА.
Были разработаны различные примеры из реальной жизни, которые использовались в некоторых космических полетах. Например, в 2011 году НАСА в партнерстве с Busek запустило первый двигатель на эффекте Холла на борту спутника Tacsat-2. Они также используются на космическом зонде NASA Dawn .
Другой пример — вышеупомянутая магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом, которую в настоящее время разрабатывает компания Ad Astra Rocket .
VASIMR работает с использованием источника электроэнергии , чтобы ионизировать с пропеллент в плазме. Электрические поля нагревают и ускоряют плазму, в то время как магнитные поля направляют плазму в нужном направлении, когда она выбрасывается из двигателя, создавая тягу для космического корабля. Теоретически двигатель VASIMR мощностью 200 мегаватт может сократить время путешествия от Земли до Юпитера или Сатурна с шести лет до четырнадцати месяцев, а от Земли до Марса — с 6 месяцев до 39 дней.
Что такого особенного в этом новом китайском плазменном двигателе?
В прошлом году группа китайских инженеров представила рабочий прототип микроволнового двигателя. По словам исследователей, двигатель должен работать в атмосфере Земли с такой же эффективностью и тягой, что и обычные реактивные двигатели.
Плазменные двигатели, обычно использующие благородный газ, например ксенон, не могут применяться в атмосфере Земли, поскольку генерируемые ионы имеют тенденцию терять силу тяги из-за трения с воздухом. Еще одна усугубляющая проблема состоит в том, что существующие образцы создают довольно низкую тягу, которая хороша в космосе, но была бы ничтожно мала на Земле.
Новая конструкция, созданная исследователями из Института технических наук Уханьского университета, использует воздух и электричество вместо таких газов, как ксенон. Испытания показали, что двигатель способен создавать впечатляющую тягу, которая однажды может найти применение в современных самолетах.
Этот новый плазменный двигатель работает немного аналогично двигателю внутреннего сгорания, в котором плазма генерируется из исходного газа, который затем, в свою очередь, быстро нагревается и расширяется для создания тяги. В новом двигателе ионизированный воздух используется для создания низкотемпературной плазмы, которая затем подается в трубу с помощью воздушного компрессора. Когда воздух движется вверх по трубке, он подвергается бомбардировке микроволнами, которые сильно встряхивают ионы, заставляя их сталкиваться с другими неионизированными атомами.
Художественный портрет многомегаваттного космического корабля ВАСИМР. Источник: Ad Astra Rocket Company / Wikimedia Commons
Этот процесс резко увеличил температуру и давление плазмы, тем самым создавая значительную тягу дальше вниз по трубе.
Удивительное достижение частично достигается за счет использования плоского волновода (прямоугольной металлической трубки), через который фокусируются микроволны. Микроволны, генерируемые специально разработанным магнетроном мощностью 1 кВт, 2,45 ГГц, направляются вниз по направляющей, которая сужается до половины своего первоначального размера по мере приближения к плазме, а затем снова расширяется. Этот процесс увеличивает напряженность электрического поля и оказывает на плазму как можно больше тепла и давления.
Кварцевая трубка также помещается в отверстие в волноводе в самом узком месте. Воздух проходит через эту трубку, затем проходит через небольшой участок волновода и выходит из другого конца кварцевой трубки.
Когда воздух входит в трубку, он проходит над электродами, которые подвергаются воздействию очень сильного поля. Эта обработка удаляет электроны с некоторых атомов воздуха / газа (в основном азота и кислорода), что создает низкотемпературную плазму низкого давления. Давление воздуха от нагнетателя устройства на входе в трубку затем продвигает плазму вверх по трубке, пока она не попадет в волновод.
Как только плазма попадает в волновод, заряженные частицы начинают колебаться в микроволновом поле, вызывая быстрый нагрев. При этом смесь атомов, ионов и электронов часто сталкивается друг с другом, передавая энергию от ионов и электронов к нейтральным атомам, быстро нагревая плазму.
В результате, как утверждают исследователи, плазма быстро нагревается до более чем 1000 ° C. Истощенная горячая плазма создает пламя, подобное факелу, когда горячий газ выходит из волновода, создавая таким образом тягу.
Насколько мощный новый плазменный двигатель?
Исследователи заметили, что если поток воздуха в компрессоре точно настроен, струя пламени, образующаяся в трубке, удлиняется в ответ на увеличение мощности микроволн. Основываясь на этом наблюдении, исследователи попытались определить количество создаваемой тяги.
Хотя на первый взгляд это звучит относительно просто, в этом есть одна серьезная загвоздка. Плазменная струя под углом в тысячу градусов, создаваемая двигателем, разрушила бы обычный барометр.
Чтобы преодолеть это, команда решила немного нестандартно мыслить. Они изобрели способ уравновесить полый стальной шар на вершине трубы. Этот шар был заполнен стальными шариками меньшего размера, чтобы изменять его вес по мере необходимости. При определенном весе тяга будет такой, что она будет противодействовать гравитационным силам, действующим на шар вниз на выпускном конце трубы, позволяя поднять его на определенную высоту над трубкой.
Схема недавно разработанного плазменного реактивного двигателя. Источник: Дэн Йе и др. 2 020.
Используя это измеренное расстояние и вычитая тягу, добавленную компрессором, команда смогла косвенно получить оценку тяги плазменной струи.
Используя этот инновационный, хотя и нетрадиционный метод, команда смогла протестировать устройство в диапазоне уровней мощности и скорости воздушного потока. Как оказалось, им удалось найти линейную зависимость между движущей силой и мощностью микроволн и воздушным потоком.
Более того, технология тоже оказалась довольно эффективной и способной выдавать движущую силу при потребляемой электрической мощности 400 Вт и 1,45 кубических метров воздуха в час, что составляет 11 Н), что представляет собой преобразование мощности в тягу со скоростью 28 Н / кВт.
Предполагая линейную зависимость между мощностью СВЧ (и потоком воздуха) и выходной мощностью, должно быть возможно использовать батарею Tesla Model S, способную выдавать 310 кВт и превратить это примерно в 8,5 кН движущей силы тяги.
Двигаясь вперед, команда уже ищет способы использовать более сложный и надежный метод для проверки выходной тяги технологии. Они также ищут способы дальнейшего усовершенствования и повышения эффективности двигателя.
При этом все, безусловно, идут в ногу с этой инновационной концепцией плазменного двигателя. Но если бы все было так просто. Конечно, есть несколько серьезных возражений против такого нововведения.
Какой бы захватывающей ни была эта технология, она, вероятно, не сможет найти много покупателей на перспективном рынке eVTOL. Несмотря на то, что технология тише, чем опоры канальных вентиляторов, выхлоп в тысячу градусов может вызвать серьезные проблемы. Другая проблема заключается в том, что, как указывает Ars Technica , «потоки воздуха примерно в 15 000 раз меньше, чем у полноразмерного двигателя. Тяга также должна увеличиваться примерно на четыре порядка.
Некоторые эксперты, просматривающие данные, также указали на странные упущения в имеющихся в настоящее время данных. По какой-то причине (и не приведенной) точки данных не показывают наивысшие уровни мощности микроволн при самых высоких скоростях полета прототипа.
Хотя этот вопрос просто связан с тем, что установка не тестировалась на таких уровнях, это также может указывать на наличие серьезных проблем с двигателем на этих уровнях мощности.
Изображение, показывающее линейную зависимость между шлейфом тяги в кварцевой трубке и потребляемой мощностью. Источник: Дэн Йе и др. 2 020.
Еще одна проблема будущего такого двигателя — его источник питания. Факт остается фактом: авиационное топливо является очень энергоемким источником топлива. Особенно это касается аккумуляторов (на самом деле где-то в 43 раза больше).
Сравните 28 Н / кВт новых двигателей с двигателями коммерческого Airbus A320, которые вместе развивают около 220 000 Н тяги. Это означает, что для нового двигателя для реактивного самолета сопоставимых размеров потребуется более 7 800 киловатт мощности — примерно столько же, сколько производится 570 единицами Tesla Powerwall 2.
При этом это очень интересная технологическая инновация. Если этот новый плазменный двигатель малой тяги действительно окажется настоящим жизнеспособным и будет масштабируемым, не говоря уже об эффективности, это может означать нечто вроде квантового скачка в авиационных силовых установках, работающих на неископаемом топливе.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК