Как работает мини-геликонный плазменный двигатель

11.12.2015

По своей конструкции двигатель очень прост. В кварцевую трубку подается газ . На трубку навита обмотка, которая при …По своей конструкции двигатель очень прост. В кварцевую трубку подается газ . На трубку навита обмотка, которая при пропускании электрического тока создает внутри сильное аксиальное (направленное вдоль оси) магнитное поле В (вместо обмотки могут быть использованы сильные постоянные магниты].
Рядом с магнитами расположена специальная антенна, коротко во лновоб излучение которой ионизирует поступающий а трубку газ, превращая его в плазму, и разогревает ее электронную компоненту. Магнитное поле обеспечивает радиальное удержание плазмы и изоляцию стенок трубки, а также направляет поток электронов. При этом за счет высокого давления электронов образуется амбиполярное электрическое поле [Ед], которое разгоняет ионы по образованному соленоидальным магнитным полем каналу.

Сила и имгульс такого двига-теля зависят от соотношения расхода газа и подаваемой на антенну мощности, а скорость истечения плазмы очень высока — до 11О км/с (длн азота]. Двигатель не имеет электродов, а стенки камеры не подвержены эрозии за счет магнитной изоляции.
Прототип, который в М1Т назвали мини-гепиконным двигателем, по своей конструкции очень прост: это кварцевая трубка с навитой обмоткой для создания магнитного поля и антенной для возбуждения геликонной волны. Поступающий газ ионизируется высокочастотным радиоизлучением, плазма разогревается, а магнитное попе направляет плазменную струю в нужном направлении. «Наш двигатель отличается от УА51МР — он одноступенчатый, для нагрева плазмы не нужен циклотронный нагрев ионов, не нужно магнитное сопло, он компактнее, — объясняет Батищев.

При этом в качестве рабочего тепа в УАЬНУ! сначала использовали водород, потом перешли на гелий, сейчас используют аргон — более тяжелые газы снижают удельный импульс, зато повышают тягу. А наш двигатель способен работать практически нэ чем угодно — на азоте и даже на воздухе’ Можно непрерывно менять состав рабочего тела, и двигатель будет продолжать работу».
По сравнению с современными плазменными двигателями мини-геликонный имеет ряд существенных преимуществ Двигатели на эффекте Холла (к которым относятся российские СПД) не позволяют использовать полное сечение канала, разогнанные тяжелые ионы ксенона (очень дорогого и редкого газа) вызывают эрозию стенок камеры, для их работы необходимо высокое напряжение.
СПД, как правило, снабжен двумя катодами, поскольку это одно из самых уязвимых мест конструкции, что значительно увеличивает габариты двигателя. «Мини-геликонный двигатель лишен всех этих недостатков: плазма не касается стенок, так что эрозия минимальна, зажигание автоматическое, не нужен катод, размеры могут быть любыми, от миниатюрных двигателей точной коррекции до больших и мощных — по нашим расчетам, двигатель мощностью 1 МВт будет иметь диаметр около 30 см, — говорит Олег Батищев.
Расходимость плазменного пучка у нас очень небольшая, около 10 градусов (для сравнения — в СПД она порядка 45 градусов), КПД нашего прототипа пока не очень высокое, около 20%, но это объясняется тем, что он работает на азоте, да и оптимизацией мы пока не занимались».

Двигатель из бутылки

Мини-геликонный двигатель столь прост по своей конструкции, что это навело Олега на мысль о популярной демонстрации: «Мы работали с мощными постоянными магнитами, и один из студентов не удержал их при изменении конструкции стенда — магниты устремились навстречу друг другу, столкнулись и раскололись на куски.
А пока мы ждали новые, мне пришла в голову идея сделать двигатель из подручных средств, чтобы показать, насколько он прост. Я решил использовать в качестве камеры стеклянную бутылку из-под кока-колы, а геликонную антенну вырезать из жестяной банки».
Демонстрация плазменного двигателя из бутылки и банки принесла группе Батищева широкую известность и буквально мировую славу: телеканалы охотно транслировали эффектную запись эксперимента, где за кадром голос одного из студентов зачитывает показания амперметра, в бутылке загорается свечение, и струя плазмы вырывается из отпиленного донышка (разумеется, эксперимент проходит в вакуумной камере).
Чтобы убедиться, что мини-геликон представляет собой не просто источник плазмы, а именно двигатель, исследователи измерили характеристики полученной плазмы.
Энергию ионов измеряли двумя методами — спектрометрическим, за счет измерения доплеровского сдвига спектральной линии, и с помощью энергетического анализатора сза-медляющим потенциалом. Скорость ионов составила от 10 до 40 км/с. Причем ее можно варьировать за счет изменения расхода газа и подаваемой мощности, изменяя тем самым удельный импульс. Но самым простым и эффектным способом демонстрации наличия тяги оказалось, по словам Олега, очень простое решение: «Мы просто подвесили наш прототип на двух лесках к потолку вакуумной камеры нэ магнитах и измерили отклонение трубочки при холодной продувке (подаче газа) и при истечении струи плазмы. Разницу было видно невооруженным глазом!»

К далеким планетам

Дальние космические полеты с использованием геликонных плазменных двигателей выглядят пока еще фантастически, но все же гораздо более предпочтительны, чем нэ химическом топливе, — была бы только энергия (ее планируется получать от ядерной энергетической установки). Рабочее тело может быть любым: азот, аргон, воздух, даже вода (правда, этот вопрос нуждается в дополнительных исследованиях).
По мнению Олега Батищева, плазменные геликонные двигатели имеют замечательные перспективы уже в СЭМОМ ближайшем будущем — когда начнется освоение околоземного пространства и Луны частными компаниями.
Сейчас срок службы различных спутников во многом ограничен запасом топлива или рабочего тела для двигателей коррекции орбиты. Мини-геликонные двигатели в этом отношении превосходят любые химические- они экономичны, имеют большой удельный импульс и способны использовать в качестве рабочего тепа дешевый азот, «Или даже воздух, — добавляет Олег — Представьте себе спутник нэ эллиптической орбите, который в перигее способен пополнять запэсы рабочего телэ, или низкоорбитальный спутник с неисчер-пэемым запасом рабочего телэ, которое он берет из атмосферы!»
Сообщает: Журнал Популярная Механика 2/2010

Комментариев нет

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Confirm that you are not a bot - select a man with raised hand: