Космические двигатели третьего тысячелетия

Предлагаю обсудить статью "Космические двигатели третьего тысячелетия"

http://www.membrana.ru/articles/readers/20.../15/204600.html

Достижения в освоении космического пространства зависят от уровня развития двигательных систем. Определяющим фактором эффективности двигателей космических аппаратов, являются их энергетические характеристики. По виду используемой энергии двигательные установки подразделяются на четыре типа: термохимические, ядерные, электрические, солнечно-парусные. В настоящее время основой космонавтики являются мощные термохимические двигатели. Электрические и ядерные установки находятся на стадии развития, и в будущем смогут найти широкое применение в космической технике. То же можно сказать и о солнечно-парусных двигателях и других перспективных силовых установках.

В данной статье рассматривается новый тип двигателей, работающих на кинетической энергии космического аппарата (или встречного потока вещества, в зависимости от выбора системы координат). Принцип действия двигателя основан на захвате и торможении встречного потока вещества. Захваченное вещество попадает внутрь двигателя. В результате его торможения, выделяется энергия. Часть этой энергии, тем или иным образом, может быть использована для ускорения бортовых запасов реактивной массы. При определенных условиях, реактивная сила тяги превышает силу торможения, и космический аппарат увеличивает скорость полета. Скорость космического аппарата возрастает, а его масса, импульс и кинетическая энергия уменьшаются (в соответствии с законами сохранения).

Возможны различные варианты двигательных установок нового типа. Например, кинетический двигатель, в котором происходит непосредственное преобразование части кинетической энергии встречного потока газа в энергию рабочего тела. Этот двигатель состоит из следующих, объединенных в одно конструктивное целое частей:

массозаборника, и диффузора, для торможения захваченного газа;
камеры, в которой нагретый, вследствие торможения, до очень высокой температуры газ смешивается с рабочим телом;
реактивного сопла, через которое, расширяясь, истекает полученная смесь.
Кинетический двигатель может использоваться при полетах в атмосфере планет-гигантов. Предположим, космический аппарат летит в верхних слоях атмосферы Урана, со скоростью 20 км/с. Космический аппарат находится в аэродинамической тени раструба массозаборника. Через массозаборник, внутрь двигателя попадает 1 кг водорода. Его кинетическая энергия 200 тыс. кДж, импульс 20 тыс. кг∙м/с. КПД двигателя 70%. В результате торможения захваченного газа, его кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию. Чтобы получить максимальную удельную тягу, расход рабочего тела должен составлять 2,422 кг. Раскаленный водород смешивается с рабочим телом, и образовавшаяся смесь в количестве 3,422 кг, истекает через реактивное сопло. Ее кинетическая энергия 140 тыс. кДж, скорость истечения 9045 м/с, импульс 30 955 кг∙м/с. Если разницу импульсов (10 955 кг∙м/с), разделить на расход рабочего тела (2,422 кг), получим эффективную скорость истечения 4523 м/с. Если разделить эффективную скорость истечения на коэффициент 9,81 м/с², получим удельную тягу 460 с.

Эффективность массозаборника значительно увеличится, если снабдить двигатель источником магнитного поля (соленоидом). Движение частиц плазмы поперек силовых линий магнитного поля затруднено, и магнитное поле играет роль воронки, направляющей потоки заряженных частиц в двигатель. В результате, эффективное сечение массозаборника может возрасти в тысячи раз. Кроме того, появится дополнительный энергетический эффект. Магнитная воронка играет роль своеобразного фильтра, направляя в двигатель лишь обладающие значительной энергией ионизированные частицы. Внутри двигателя ионизированный газ смешивается с рабочим телом. Происходит торможение и рекомбинация захваченных частиц, выделяется значительное количество тепла. Таким образам, бортовые запасы рабочего тела будут нагреваться не только за счет кинетической энергии захваченного газа, но и за счет его химической энергии. Поскольку, образовавшаяся газовая смесь состоит в основном из нейтральных частиц, магнитное поле двигателя не будет препятствовать ее истечению через реактивное сопло.

Кинетический двигатель, оснащенный магнитной воронкой, может использоваться при полетах в атмосфере планет земной группы. На высоте около 300 км над Землей, концентрация ионизированных частиц достигает максимального значения (примерно 1 млн ионов кислорода в 1 см³). Для захвата ежесекундно 1 кг плазмы, при скорости полета 8 км/с, нужна магнитная воронка диаметром около 110 км. Создание такой воронки, связано с определенными трудностями. Впрочем, плотность плазмы значительно возрастает в периоды активности Солнца. Кроме того, можно применять искусственные источники плазмы. Во многих случаях, достаточно использовать магнитную воронку значительно меньшего диаметра.

С целью исследования магнитного поля Земли, проводились опыты по созданию искусственной кометы. 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 за счет 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 километров в секунду. Возрастание плотности газа, повысит эффективность магнитной воронки. Кроме того, под давлением солнечных лучей, возрастает скорость и энергия поступающего в двигатель газа. Этот способ целесообразно применять на околоземных орбитах, и в центральных областях Солнечной системы.

Следующий способ заключается в использовании раскаленных газов, выброшенных из реактивного двигателя, установленного на другом космическом аппарате. Можно организовать полет таким образом, чтобы космические аппараты двигались навстречу друг другу. Подобная схема может использоваться для доставки грузов на околоземную орбиту. Предположим, на околоземной орбите движется космическая станция, выбрасывая перед собой поток плазмы. Космический аппарат доставляется многоразовым носителем на заданную высоту, и начинает двигаться навстречу потоку плазмы, с помощью кинетического двигателя. Носитель возвращается на Землю.

Ставиться задача, увеличить скорость космического аппарата с 0 км/с до 8 км/с. Скорость космической станции 8 км/с, скорость истечения плазмы 10 км/с. В результате сложения скоростей, скорость поступающей в двигатель плазмы возрастает с 18км/с до 26 км/с. При КПД кинетического двигателя 70%, и оптимальном режиме его работы, масса космического аппарата уменьшится со 100 т до 20 т. Масса рабочего тела 80 т, объем 40 м³ (при плотности 2000 кг/м³).

Предположим, продолжительность разгона 400 секунд, средний расход бортовых запасов рабочего тела 200 кг/с. Ракетный двигатель космической станции в среднем должен расходовать не менее 83 кг/с массы. При скорости истечения 10 км/с это соответствует мощности более 4 млн кВт. Для создания потока плазмы такой мощности, может использоваться термоэлектрический двигатель, с солнечной или ядерной энергоустановкой. По некоторым оценкам, удельная масса таких систем, примерно 1 кг/кВт. Таким образом, масса космической станции составит не менее 4000 т. Если полезная нагрузка космического аппарата 5 т, такая транспортная система обеспечит грузопоток порядка 500 т в сутки (с учетом того, что половина ресурсов массы и времени, расходуется на коррекцию орбиты станции).

Для многократного использования кинетических двигателей, необходимо создать недорогой атмосферно-космический аппарат, способный возвращаться на Землю. Его возвращение можно организовать таким образом, чтобы аэродинамическая сила была направлена к центру Земли, препятствуя преждевременному выходу аппарата из атмосферы. Аппарат сможет сделать несколько витков вокруг Земли, двигаясь на оптимальной высоте в верхних слоях атмосферы, со скоростью значительно превышающей первую космическую. При этом избыток тепла будет отводиться за счет излучения, скорость полета постепенно уменьшится, без перегрузок и перегрева конструкции. Это позволит упростить теплозащиту, снизить необходимый запас прочности. В результате уменьшится масса и стоимость атмосферно-космического аппарата, увеличится срок его службы. После погашения избыточной скорости полета, нужно направить аэродинамическую силу в противоположном направлении. Это можно осуществить за счет поворота аппарата вокруг продольной оси на 180°, или путем изменения геометрии его несущих поверхностей (крыльев).

Указанный выше грузопоток, значительно превышает потребности ближайшего будущего. Вероятно, реализация таких транспортных систем сможет осуществляться в рамках программ космической энергетики. Основная задача заключается в создании потока плазмы (а не передвижении космической станции пространстве). Поэтому, большая масса и размеры энергоустановки и ракетного двигателя, не являются непреодолимым препятствием. Более серьезная проблема пополнение запасов массы. При грузопотоке 500 т затраты массы на создание потока плазмы, составляют более 7000 т. Впрочем, если доставлять массу с Луны, затраты на ее транспортировку составят не более 15...20% общих затрат энергии.

Интересный способ разгона с использованием реактивной струи, полет в кильватере другого космического аппарата, на оптимальном расстоянии. Такой полет возможен, если «ведущий» аппарат оснащен ракетным двигателем, со скоростью истечения газов десятки километров в секунду. Лишь в этом случае кинетический двигатель, установленный на «ведомом» космическом аппарате, будет развивать достаточно высокую удельную тягу. Захваченный газ состоит из частиц с высокой степенью ионизации, при рекомбинации которых выделяется большое количество дополнительной энергии. Следовательно, при скорости захваченного газа 20 км/с, максимально возможная удельная тяга кинетического двигателя значительно выше 460 с (при КПД 70%).

Кроме кинетического двигателя, возможны другие варианты двигательных установок нового типа. Например, двигатель ЭОЛ. Этот двигатель состоит из массозаборника, МГД-генератора и электрореактивного движителя. Принцип действия следующий. Захваченный магнитной воронкой ионизированный газ проходит через канал МГД-генератора и, через реактивное сопло, вытекает наружу. При частичном торможении газа в канале МГД-генератора, вырабатывается электрический ток, который приводит в действие реактивный движитель и все бортовые системы. Сила тяги электрореактивного движителя, превышает силу, возникающую в результате торможения газа внутри канала МГД-генератора. В результате, космический аппарат будет увеличивать скорость полета, отбрасывая часть своей массы.

Чтобы получить наибольшую удельную тягу, отработанный газ должен истекать из реактивного сопла со скоростью, равной скорости истечения рабочего тела из реактивного движителя. Для создания силы тяги целесообразно использовать термоэлектрические движители. В таких движителях электрический ток нагревает рабочее тело до высокой температуры, в результате скорость истечения может достигать несколько десятков километров в секунду. Регулируя температуру рабочего тела, можно регулировать скорость его истечения. Кроме того, термоэлектрический движитель развивает значительную силу тяги.

Плотность межпланетной среды переменная величина, и может колебаться в очень широких пределах. При незначительной плотности около 10–17 кг/м³, эффективность входного устройства будет низкой. Чтобы обеспечить поступление ежесекундно около 1 кг плазмы, при скорости полета 50 км/с, нужна магнитная воронка диаметром около 1600 км. Создание подобного устройства весьма проблематично. Очевидно, в межпланетном пространстве применение двигателя ЭОЛ будет возможным, лишь при наличии соответствующих благоприятных обстоятельств. Эти обстоятельства, могут возникать в результате различных космических процессов, или создаваться искусственным путем.

При прохождении ядра кометы вблизи Солнца, образуется газово-пылевое облако. Газы, из которых оно состоит, ионизируются под действием солнечных лучей и могут быть захвачены магнитной воронкой. Кроме твердого ядра размером 10...50 км, в строении комет выделяют газово-пылевую оболочку (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.

Предположим, средняя плотность плазмы в газово-пылевом облаке 10–14 кг/м³. Магнитная воронка диаметром около 40 км, обеспечит ежесекундно поступление 1 кг плазмы. При скорости 80 км/с, кинетическая энергия 1 кг плазмы 3200 тыс. кДж. При общем КПД системы «магнитная воронка – МГД-генератор» 70%, получим 2240 тыс. кДж электрического тока. Из них 50 тыс. кДж, расходует холодильная установка. Остальные 2190 тыс. кДж расходует электрореактивный движитель. При КПД движителя 70%, кинетическая энергия реактивной струи составит 1533 тыс. кДж. Допустим, струя реактивного движителя истекает со скоростью 25 740 м/с, ее масса 4,628 кг (импульс ускорения 119 125 кг∙м/с). Захваченная плазма проходит через канал МГД-генератора, и вытекает в межпланетное пространство со скоростью 25 740 м/с, ее масса 1 кг (импульс торможения 54 260 кг∙м/с). Если разделить приращение импульса (64 865 кг∙м/с) на расход бортовых запасов реактивной массы (4,628 кг), получим эффективную скорость истечения (14 016 м/с). Если разделить эффективную скорость истечения, на коэффициент 9,81 м/с², получим удельную тягу 1430 с. Тяговое усилие двигательной системы 6618 кг.

Принимая массу космического аппарата равной 500 т, получаем ускорение 0,130 м/с². Если протяженность газово-пылевого облака 1 млн км, продолжительность работы двигательной установки примерно 210 минут (при относительной средней скорости полета 80 км/с). Общее приращение скорости составит лишь 1625 м/с. Тяговое усилие двигательной установки (ускорение космического аппарата) можно значительно увеличить, за счет некоторого снижения удельной тяги. Простой расчет показывает следующее. Если увеличить ежесекундный расход бортовых запасов реактивной массы в 10 раз (46,28 кг/с), удельная тяга уменьшится в 2,1 раза (670 с). Тяговое усилие возрастет в 4,7 раза (31 000 кг). Ускорение космического аппарата составит 0,608 м/с², общее приращение скорости около 7600 м/с.

В процессе работы двигательной установки, нужно обеспечить отвод от всех ее частей, определенного количества тепловой энергии. Предположим, эта энергия равна 160 тыс. кДж (или 5% кинетической энергии захваченной плазмы). В космическом пространстве отвод тепла возможен только излучением (энергетическая светимость пропорциональна четвертой степени температуры). Если температура излучающей поверхности будет равна 400 К, площадь излучающей поверхности составит 110 тыс. м². Таким образом, система отвода тепла если не самая тяжелая, то самая громоздкая часть энергоустановки. Кроме того, высокая вероятность попадания метеоритов, что может нарушить нормальную работу системы. Большие размеры вынуждают увеличивать скорость движения теплоносителя, что ограничивает размеры излучающей поверхности, а значит и мощность энергоустановки.

В двигателе ЭОЛ проблема отвода тепла решается значительно более эффективно. Такая возможность появляется в результате прямого (непосредственного) преобразования энергии, которое составляет главную особенность МГД–генератора, отличающую его от электромашинного генератора. Части двигателя ЭОЛ, работают при разной температуре. Наименее горячая часть это соленоид магнитной воронки, несколько выше температура МГД-генератора, и наиболее горячая часть это термоэлектрический движитель. Поток теплоносителя можно направить сначала для охлаждения более холодных, потом более горячих частей двигательной системы, по маршруту: магнитная воронка – МГД-генератор – термоэлектрический движитель.

Предположим, в конце цикла охлаждения (при выходе из охладительной рубашки термоэлектрического движителя), температура теплоносителя равна 1200 К. Площадь излучающей поверхности составит 1360 м². Ее можно дополнительно уменьшить с помощью холодильной установки. При затратах энергии 50 тыс. кДж, холодильная установка увеличит температуру теплоносителя до 1575 К (без учета КПД холодильной установки). Суммарная энергия теплового излучения составит 210 тыс. кДж (160 тыс. кДж + 50 тыс. кДж), площадь излучающей поверхности уменьшится до 600 м².

Возникновение достаточно большого (с высокой плотностью плазмы) газово-пылевого облака, довольно редкое явление. Приведенный выше пример служит в основном для иллюстрации возможностей двигателя ЭОЛ. Более благоприятные условия для его постоянного применения, в системах планет-гигантов. Плотность газа в системе планет-гигантов заведомо выше, чем за ее пределами. Первая космическая скорость для Юпитера около 60 км/с. Поскольку удельная тяга двигателя ЭОЛ прямо пропорциональна скорости полета, ее максимально возможное значение (при КПД 70%), составит не менее 1070 с (1430 с∙60/80). Что касается ускорения космического аппарата (которое зависит от плотности окружающей плазмы и диаметра магнитной воронки), при полетах в системах планет-гигантов, его величина не имеет решающего значения. Космический аппарат не сможет покинуть систему планеты-гиганта, прежде чем получит вторую космическую скорость.

Конечной целью систематических полетов к различным космическим объектам, является освоение этих объектов. В отдаленном будущем, здесь можно расположить и использовать для формирования потока плазмы, электрические ракетные двигатели (ЭРД). На космических базах искусственного или естественного происхождения, могут работать ЭРД практически любой мощности. Например, на поверхности Луны можно построить ядерную или солнечную электростанцию, и расположить нужное количество ЭРД различного типа. С их помощью, космический аппарат сможет осуществить посадку на Луну, взлет с Луны в космическое пространство.

Эти маневры могут осуществляться практически без затрат бортовых запасов рабочего тела; небольшие расходы рабочего тела понадобятся лишь для стабилизации положения космического аппарата в пространстве, и коррекции его курса. Такой результат, достигается при достаточно большой мощности МГД-генератора, когда сила, возникающая в результате торможения потока плазмы, превышает силу притяжения Луны. При недостаточной мощности МГД-генератора, вырабатываемый электрический ток будет приводить в действие реактивный движитель. В этом случае, космический аппарат осуществит взлет и посадку, с использованием бортовых запасов рабочего тела. Сила, возникающая в результате торможения плазмы, и сила тяги электрореактивного движителя, будут действовать в одном направлении.

ЭРД с небольшой скоростью истечения рабочего тела (электротермические) обеспечат запуск космических аппаратов с поверхности Луны, полеты с Луны на Землю и обратно, посадку на поверхность Луны. ЭРД с большой скоростью истечения рабочего тела (электромагнитные; электростатические), будут использоваться главным образом для обеспечения особо сложных и дальних космических полетов.

Для создания потока плазмы, ЭРД можно расположить на поверхности тех небесных тел Солнечной системы, которые вследствие небольшой силы тяжести не имеют плотной атмосферы. Это наименьшие планеты Меркурий, Марс и Плутон, естественные спутники более крупных планет, а также астероиды и кометы. Освоение всех планет Солнечной системы может осуществляться с помощью таких ракетно-космических комплексов, как на Луне. Единственное исключение Венера, у которой плотная атмосфера и нет естественных спутников.

В межпланетном пространстве, нужны другие источники поступления вещества: искусственная комета, реактивная струя космического аппарата, ядерный взрыв и т.д. Если на борту космического аппарата расположить ядерные заряды, с их помощью можно совершать любые маневры и передвижения. При необходимости, ядерное взрывное устройство подрывается на оптимальном расстоянии от космического аппарата. Для уменьшения скорости образовавшейся в результате взрыва плазмы, взрывное устройство снаряжается балластными веществами. Их количество должно быть таким, чтобы в результате взрыва не образовались твердые частицы. Или нужно использовать систему уничтожения (отклонения) метеоритов. Появляется реальная возможность пополнить запасы массы за счет практически любых материалов. На борту можно хранить лишь ядерные заряды, а запасы балластных веществ пополнять во время экспедиции (практически на любом космическом объекте).

Ядерные взрывные устройства можно предварительно расположить вдоль траектории полета космического аппарата. При этом не придется разгонять массу самих взрывных устройств. Взрыв происходит по специальному сигналу, когда космический аппарат пролетел вблизи взрывного устройства, и удалился от него на некоторое расстояние. Продукты взрыва (плазма с высокой плотностью), захватываются магнитной воронкой. Сила, возникающая при торможении захваченной плазмы в канале МГД-генератора, и сила тяги электрореактивного движителя, могут действовать в одном направлении (такой же результат можно получить, используя другие искусственные источники). Основная проблема при использовании взрывных устройств, неравномерность получаемого потока плазмы. Для более эффективной работы двигателя ЭОЛ, может понадобиться мощный бортовой аккумулятор электрического тока.

Если удастся решить возникающие проблемы, скорость космического аппарата будет определяться лишь количеством взрывных устройств. Взрывные устройства могут состоять из унифицированного ядерного (термоядерного) заряда, и оболочки различной массы. За счет этого, образовавшаяся плазма будет двигаться с различной скоростью при каждом взрыве. Полет организуется так, чтобы в момент пролета аппарата возле каждого взрывного устройства, образовавшийся в результате взрыва поток плазмы двигался относительно аппарата с определенной оптимальной скоростью.

Допустим, космический аппарат массой 10 т, разгоняется до скорости 20 тыс. км/с. При каждом взрыве, плазма двигается относительно аппарата, со средней скоростью 1100 км/с. В канале МГД-генератора, ее скорость уменьшается до 100 км/с. С учетом возрастания скорости аппарата от 0 км/с до 20 тыс. км/с, среднеквадратическая скорость плазмы примерно 12 тыс. км/с. Если не учитывать тягу электрореактивного движителя, для разгона аппарата необходимо пропустить через канал МГД-генератора около 200 т плазмы. Взрыв может быть организован таким образом, чтобы основная масса плазмы двигалась в двух противоположных направлениях. Если космический аппарат находится на расстоянии, равном диаметру магнитной воронки, количество захваченной плазмы может достигать 50%. Таким образом, суммарная масса взрывных устройств не менее 400 т. С учетом среднеквадратической скорости, суммарная энергия взрывов 2,88∙1016 кДж (в тротиловом эквиваленте 6,9 тыс. Мт).

В настоящее время человечество обладает достаточным потенциалом для производства взрывных устройств указанной суммарной мощности. К концу 1980 года, по оценкам экспертов ООН, суммарная мощность ядерного оружия в мире составляла 13 тыс. Мт. Очевидно, в обозримом будущем, появится возможность размещения вдоль траектории полета космического аппарата более 400 т груза. Очередь за созданием двигателя ЭОЛ с достаточно высокими характеристиками. Возникающие при этом технические проблемы значительно меньше, чем при создании любого другого двигателя аналогичного назначения. Есть основания считать, что стоимость запуска межзвездного аппарата с помощью двигателя ЭОЛ, может оказаться наиболее низкой среди всех конкурирующих схем.

Это рамжет Буссарда, что ли?

Межзвёздный прямоточный двигатель Буссарда (Bussard Interstellar Ramjet) предполагает использование в качестве горючего и рабочего вещества межзвёздного водорода (нужно организовать термоядерную реакцию).

В нашем двигателе используется кинетическая энергия космического аппарата или захваченного водорода (это зависит от выбора системы отсчета). Поэтому обходимся без термоядерной реакции.

Межзвёздный прямоточный двигатель Буссарда ... увеличивает ... скорость захваченного водорода (тяга возникает за счет энергии выделяемой в результате термоядерной реакции). Наш двигатель .... уменьшает .... скорость захваченного водорода (тяга возникает за счет перераспределения импульса, массы, кинетической энергии в системе "космический аппарат - внешняя среда").

Это вообще рамжет.
Для околоземного пространства абсолютно бесперпективно. Слишком мало вещества вокруг. Поэтому вылазят всякие магнитные воронки , станции на 4000 тонн и прочая эквилибристика, что лишний раз говорит о неправильности идеи. Если решение и существует, оно должно быть простым и изящным.

Сразу вспомнился похожий случай
В 50-х в НАКА (предок НАСА) был запатентован прямоточник для полетов в верхней атмосфере. С высот в 100 км значительная часть кислорода диссоциирует. Попадая в воздухозаборник атомы рекомбинируют обратно (5 эв на молекулу!) выделят кучу энергии, которая и пойдет на ускорение потока. Изобретателя спасает лишь тот факт что тогда плохо представляли устройство верхних слоев атмосферы. Как выяснилось позднее , для создания тяги , сравнимой с двигателями 3-ей ступени , требуется воздухозаборник сечением в несколько гектар.

Авторы книги "Ракеты будущего" доктора техничских наук В. Бурдаков и Ю. Данлов утверждали, что можно создать магнитную воронку диаметром около 1000 км.

Сама идея - дремучее извращение.

]Авторы книги "Ракеты будущего" доктора техничских наук В. Бурдаков и Ю.
]Данлов утверждали, что можно создать магнитную воронку диаметром около 1000 км.

На эту книжку лучше особо не ссылаться, как на надёжный источник:) Это такая своеобразная фантастика в рисунках, схемах, и прикидках, там еще и покруче чего можно найти.

Для планет-гигантов такой кинетический двигатель подходит лучше других (у химических низкий удельный импульс, у ядерных - низкая тяга). Кстати и без магнитной воронки можно обойтись.

С трудом себе такое представляю
Магнитное поле имеет очень нехорошую особенность - спадает как 1/R³ от источника тока. У нашей Земли уж на что мощный магнит, а всего в 7-8 радиусах от планеты уменьшается до межпланетного уровня.

В. Бурдаков и Ю. Данлов ИМХО поторопились с выводами.

Кстати, с площади в десяток кв. км около Земли можно насобирать несколько молей водорода в час... а ионному двигателю больше и не нужно.

Магнитная ловушка вообще хорошо сочетается с ионным двигателем: не нужен нейтрализатор "выхлопа" - электроны из приобретенной "магнитосферы" сделают это сами, замечательным образом. А взятые на противоположном двигателю полюсе протоны идеальны для употребления им: уже очищены от электронов (13 эВ сэкономили ) и имеют правильный вектор скорости. Нужно лишь чуток подразогнать...

Скажем, так: берем нитку из сверхпроводника (критерии выбора - критический ток и механическая прочность) в форме кольца и выкидываем ее из аппарата. Кольцо прицеплено к аппарату в нескольких местах тягами, через них или отдельным специальным устройством, которое затем выкинем, понемногу, чтобы не порвать нить, начинаем вталкивать в кольцо поле. Кольцо расправляется и окружает аппарат, ловушка готова к работе.
Прикинем: банальная ленточка из НТСП ниобий-олово сечением 0.1 кв.мм имеет рабочий ток 600 ампер и массу около 85 г на 100м. Тогда кольцо диаметром в десять километров вместе с тягами будет иметь массу около 30 килограмм, а с системой токовводов и прочими причиндалами (трансформатор потока/магнитный насос, криогеника, упаковка) обойдется дешевле полусотни кило.
И как результат - поле порядка единиц-десятых микротесла закрывающее объем в несколько сотен кубокилометров.

Честно считать тягу мне сейчас влом (спектр непростой и много учитывать надо), но на глаз на площади в десятки+/сотню+ кв. км мы выберем почти всю энергию солнечного ветра - полностью отберем импульс от основной массы электронов (до нескольких десятков кэВ) и протонов (сотни эВ). У орбиты Земли это даст силу порядка единиц, возможно - десяток с небольшим ньютон. ИМХО, имеет смысл. Нет?

 

Почитайте http://www.islandone.org/APC/Sails/03.html
Ленточка превращается в кабель массой в многие тонны, для накачки системы энергией требуется небольшой яд реактор, немалые сложности в управлении этой махиной и тд и тп.
Собирать энергию солнечного ветра таким способом - не самый лучший вариант. Если уж на то пошло , ничего прогрессивнее M2P2 еще не придумали, да и оно пока видится в очень туманной перспективе.

Эх , баловство все . Такое у меня ИМХО , что в 21 веке плюнут на эти фантазии, сделают нормальный реактор, нормальный ионник и будут летать на Марс как белые люди. А там глядишь и телепортацию изобретут

Татарин

 

Тогда кольцо диаметром в десять километров вместе с тягами будет иметь массу около 30 килограмм, а с системой токовводов и прочими причиндалами (трансформатор потока/магнитный насос, криогеника, упаковка) обойдется дешевле полусотни кило.
И как результат - поле порядка единиц-десятых микротесла закрывающее объем в несколько сотен кубокилометров.

 

Всё бы хорошо, но только если воронку желательно использовать в качестве массозаборника, то вышеописанная конструкция, увы, бесперспективна. Пускай мы получим поле в единицы-десятки микротесла на площади колечка в полсотни кв. км - чтобы это кольцо стало массозаборником, внутри него должна быть "железка", и в данном случае "железка" будет иметь примерно те же габариты - 10 км диаметра. В результате токовое колечко - лишь ненужный довесок (к еще более ненужной конструкции).
Магнитный плазмозаборник имеет смысл только в том случае, если основная токонесущая конструкция относительно мала - метры, максимум десятки-сотни метров (сотни - специально для больших оптимистов )

valik

Для планет-гигантов такой кинетический двигатель подходит лучше других (у химических низкий удельный импульс, у ядерных - низкая тяга).

 

У ядерных - низкая тяга?! Кто вам это сказал?

И еще к вопросу о магнитных воронках тысячекилометрового диаметра - тут еще весьма неочевидно, что есть диаметр (так сказать, вопрос, что называть трамваем). Обычно эту проблему трактуют весьма поверхностно

Mathieus

Такое у меня ИМХО , что в 21 веке плюнут на эти фантазии, сделают нормальный реактор, нормальный ионник и будут летать на Марс как белые люди.

 

Только не с ионником! Очень уж тяги малы, причём ограничения, увы, принципиальны. На ЯР имеет смысл вешать мощные движки либо типа последних морозовских, либо типа VASIMRа, но только не ионники. Оставьте этот принцип для кинескопов

Так что почему бы не МагСейл?

 

Наверно по той же причине, по которой мы до сих пор летаем на керосине и водороде , в то время как есть такие замечательные вещи как пентаборан, фтор и азид калия с заметно большими УИ. Нетехнологично это.

Теплоизоляцию все же придется ставить. Держать ленту все время торцом к солнцу - не верю. Большой размер конструкции - это чудовищные моменты инерции и большие проблемы с ориентацией. И как разворачивать конструкцию - тоже много неясного. А главное - парус диаметром в 10 км даст тягу менее ньютона. Эта цифра явно не оправдывает сложности, которые еще предстоит решить.

Татарин

А какие там принципиальные ограничения?

 

Закон Чайлда-Ленгмюра (может быть, правильнее было бы называть его законом Богуславского), он же закон трёх вторых. Плотность тока в вакуумных устройствах бех компенсации пространственного заряда зависит от напряжения как U³/2. Напряжение ограничено пробоем вакуума, отсюда ограничение на плотность тока, что в движках эквивалентно тяге на единицу площади сечения движка. Получаются предельные величины тяги где-то порядка 1 Н на 1 кв. м. Совсем не густо.

Ну так на то и есть дополнительное кольцо - защищающее структуры корабля, а возможно - и еще одно, совсем маленькое. Внешнее же кольцо будет помогать, захватывая плазму, создавая ее бОльшую плотность в районе массосборника (предполагается, что захваченная частица сделает не единственный виток вокруг основного кольца).

 

Э-э, вы как-то весьма оригинально представляете себе магнитный массозаборник Что-то не въезжаю в вашу идею... При чём здесь защита структур корабля? Зачем захваченной частице делать витки вокруг основного кольца, а главное - как она сможет сделать хоть один виток?

Вообще-то В. Бурдаков и Ю. Данилов - достаточно серьезные ученые - разработчики советской космической техники. Магнитные воронки - одно из направлений их научной работы. Хотя книга "Ракеты будущего" - научно-популярное издание, полагаю приведенным в ней данным вполне можно доверять. Тем более, что издавалась она в советские времена (т. е. наверняка прошла цензуру, рецензии, согласования - это так, к слову).

Магнитная воронка В. Бурдакова и Ю. Данилова, если мне не изменяет память - это кольцо диаметром 15 метров (намотано 1-2 слоя сверхпроводящей "проволоки"). При скорости 100 км/с такая воронка по расчетам авторов должна обеспечить поступление 1 кг водорода ежесекундно (при полетах в пределах Солнечной системы).

В нашем случае речь не идет о таких сверхмощных магнитных воронках. В статье сказано следующее. "Кинетический двигатель, оснащенный магнитной воронкой, может использоваться при полетах в атмосфере планет земной группы. На высоте около 300 км над Землей, концентрация ионизированных частиц достигает максимального значения (примерно 1млн. ионов кислорода в 1 см³). Для захвата ежесекундно 1 кг плазмы, при скорости полета 8 км/с, нужна магнитная воронка диаметром около 110 км."

Диаметр нашей воронки 110 км/с, при скорости 8 км/с (это один из вариантов). При скорости 100 км/с диаметр воронки уменьшится где-то до 10 км. Так что в статье используются цифры, которые на два порядка (!) меньше тех оценок, которые есть в литературе. Полагаю, вполне достаточный запас.

А если появится возможность создания магнитной воронки диаметром 1000 км (при скорости 100 км/с), то без проблем можно совершать полеты в пределах всей Солнечной системы (уже не размениваясь на разные вспомогательные варианты). За счет кинетической энергии не придется ломать голову над тем, как организовать термоядерную реакцию, где взять топливо:)

Кстати удельная тяга предложенных двигательных систем возрастает (!) прямо пропорционально скорости полета. Если при скорости полета 80 км/с удельная тяга 1430 с (из текста статьи), то при скорости 80 тыс км/с, удельная тяга может быть 1430000 с (естественно если удастся решить возникающие проблемы, в т. ч. и связанные с захватом массы).