Измеряем плотность плазмы в проекте геликонного двигателя

    В 2016 году Хабр рассказал о старте проекта Курчатовского института по созданию прототипа безэлектродного плазменного ракетного двигателя (БПРД) мощностью 100 кВт. Сегодня этот проект выходит на финишную прямую, и пора измерять плотность плазмы и ускорение ионов, чтобы подобрать оптимальные режимы двигателя. Ведь двигателю придется работать на орбите десятки, а то и сотни часов, и фактическая плотность плазмы должна соответствовать расчетной для достижения требуемых параметров тяги и ресурса.

    Кому он нужен, этот геликонный двигатель

    Что такое геликонный двигатель.  Это один из видов плазменных двигателей, входящих, наряду с ионными двигателями (ИД), в более общий класс так называемых электрических ракетных двигателей.

    ГЕЛИКОН (от греч. helix, род. падеж. helikos - кольцо, спираль) - слабо затухающая электромагнитная волна, возбуждающаяся в газовой плазме или плазме твердых тел, находящейся в постоянном магнитном поле.

    Далее — зачем вообще нужен плазменный ракетный двигатель. В ракетостроении, начиная с самых первых полетов и по сегодняшний день используются ракетные двигатели на химическом топливе (жидкостные и/или твердотопливные). Из плюсов — у них высокая тяга, позволяющая отправлять многотонные космические аппараты на околоземную орбиту и к планетам Солнечной системы. Из минусов — эти двигатели чрезвычайно прожорливы, и топливо занимает до 99% от возможной полезной нагрузки.

    Что важно — для дальних перелетов в глубоком космосе традиционные ракетные двигатели не слишком подходят, т.к. при работе на химическом топливе имеют относительно низкую скорость выброса рабочих газов, не превышающую 5 км/с. Иными словами, с их помощью хорошо разогнать космический аппарат для дальнего полета с высокой скоростью не получится.

    Для длительного межпланетного полёта двигатели космического аппарата должны обладать большей скоростью истечения газов (рабочего тела), недоступной для химических ракетных двигателей. Кроме того, очень актуальна задача экономии топлива. Поэтому космической отрасли требуется двигатель с многократно увеличенным удельным энергосодержанием рабочего вещества.

    Схема работы геликонного двигателя. Источник: НИЦ "Курчатовский институт"
    Схема работы геликонного двигателя. Источник: НИЦ "Курчатовский институт"

    На эту роль уже несколько десятилетий претендуют различные типы электрического (плазменного) двигателя. В плазменном двигателе тяга возникает в результате выброса заряженных частиц, поэтому требуется источник электрической энергии для создания и ускорения заряженных частиц. К примеру, расчетная скорость выброса газов у плазменного двигателя находится в диапазоне от 5 до 50 км/с, т.е. может почти на порядок превышать скорость истечения газов у двигателя на основе химических реакций.

    Здесь следует отметить, что в создании плазменных двигателей конструкторы уже давно добились определенного практического успеха. Впервые такой двигатель был применен в 1964 году для ориентации советской автоматической межпланетной станции «Зонд-2». На современных спутниках также можно встретить маломощные плазменные двигатели, выполняющие задачу коррекции аппаратов на орбите, смены позиционирования и для иных небольших перемещений в космосе. Иными словами, идея плазменного двигателя вполне рабочая, но требуется ее масштабировать, создав двигатели с тягой, достаточной для буксировки грузов по орбите или для дальних перелетов.

    Геликонный плазменный ракетный двигатель (ГПРД) позиционируется в последнее десятилетие как новое поколение электрических двигателей для передвижения в космосе. Геликон — это название низкочастотной электромагнитной волны, которая возникает в плазме, находящейся во внешнем постоянном магнитном поле.

    Большой вклад в популяризацию идеи геликонных двигателей внес Олег Батищев, кандидат физико-математических наук, выпускник и доцент МФТИ, и позже сотрудник Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН. В конце 2000-х Олег Батищев, работая в MIT (Массачусетский Технологический Институт), предложил идею одноступенчатого геликонного двигателя в виде кварцевой трубки с навитой обмоткой для создания магнитного поля и антенной для возбуждения геликонной волны. Поступающий газ ионизируется мощностью, подводимой к антенне, плазма разогревается, и магнитное поле направляет плазменную струю в нужном направлении. 

    Чтобы популяризовать свою идею, в 2009 году Олег Батищев организовал публичную демонстрацию плазменного двигателя, сделанного из бутылки Кока-Колы и жестяной банки, помещенных в вакуумную камеру. На YouTube сохранилась запись этого эксперимента с макетом мини-геликонного двигателя, хотя видео и не очень хорошего качества. Можно увидеть, как с подачей тока в бутылке загорается свечение, и струя голубой плазмы истекает из отпиленного донышка.

    Небольшой итог: геликонный двигатель обладает несколькими преимуществами перед большинством других конструкций электрических ракетных двигателей. В нем отсутствуют электроды, погружаемые в плазму (эти электроды имеют малый ресурс), практически нет эрозии стенок рабочей камеры, можно относительно легко управлять тягой.

    Геликонный двигатель без движущихся механических частей и подверженности эрозии может иметь значительный ресурс, и работать, пока он обеспечивается энергией и рабочим телом для создания плазмы.

    Следует уточнить, что в геликонном двигателе, в отличии от традиционного реактивного двигателя, разделены источник энергии и рабочее тело. Источник энергии может быть любой — например, солнечная батарея или бортовой ядерный реактор. 

    В качестве рабочего тела (пока еще в теории) могут использоваться не только лабораторные водород или аргон, но и довольно распространенные во Вселенной виды газов, такие как азот. Иными словами, запас рабочего тела может пополняться прямо в космосе, «по дороге». Для работы на околоземной орбите или на орбите планет с атмосферой в этом качестве предполагается использовать разреженный атмосферный газ (воздух).

    Об интерферометрии как методе измерения параметров плазмы

    Прежде чем перейти непосредственно к рассказу о 94-гигагерцевом интерферометре, сделанном в Санкт-Петербурге для установки Е-1 Курчатовского института (на ней выполнен прототип геликонного двигателя), стоит рассказать, каковы типичные применения интерферометрии и почему они так важны для будущего мировой энергетики.

    Методы измерения параметров плазмы крайне разнообразны, без преувеличения можно сказать, что в этом вопросе используется большая часть арсенала экспериментальной физики, так или иначе связанная с электромагнетизмом.

    Для измерения плотности электронов в плазме можно использовать интерферометр. Метод интерферометрии основан на измерении фазового сдвига при прохождении электромагнитной волны через исследуемый объект. Фазовый сдвиг, вносимый плазмой, может быть измерен фазовым детектором, и затем по определенным формулам может быть рассчитана электронная плотность плазмы.

    Интерферометры для диагностики плазмы делаются на основе лазерного или СВЧ излучения. Использование излучения с различными длинами волн имеют свои преимущества и недостатки, но и те, и другие активно применяются в одной из наиболее многообещающих областей науки и техники — установках магнитного удержания плазмы, в том числе предназначенных для реализации так называемого «управляемого термоядерного синтеза».

    Наиболее известная конфигурация таких установок называется «токамак», что расшифровывается как «тороидальная камера с магнитными катушками». Сам термин появился в СССР вскоре после постройки первого токамака в 1954 году.

    Конечной целью, побуждающей вводить в строй новые токамаки во многих странах мира, и повышать температуру плазмы от десятков до сотни и выше миллионов градусов, является создание устройства, позволяющего осуществить управляемый термоядерный синтез в коммерческих целях, а если говорить шире — для обеспечения человечества неисчерпаемым источником экологически чистой энергии на ближайшие тысячелетия.

    Наиболее известным проектом в этой области является ITER – проект международного экспериментального термоядерного реактора (реактор расположен во Франции, но работу над его созданием ведут ученые из десятков стран мира, в том числе, большой вклад вносит Россия). Проект официально начат в 1988 году, в 2025 году планируется достройка самого большого токамака в мире, и только в 2035 году планируется достижение важнейшей промежуточной цели – получение энергии за счет слияния атомов дейтерия и трития (изотопов водорода) в гелий с выделением огромной энергии.

    Надо отметить, что ITER изначально не предполагал возможности не только использования выделяемой энергии в коммерческих целях, но даже перевода этой энергии в электричество. Эту цель предполагается достичь в планируемом термоядерном реакторе DEMO (DEMOnstration power plant). Выход на режим генерации электроэнергии, когда часть вырабатываемой энергии будет использована для поддержания термоядерной реакции в токомаке и для других нужд электростанции, а часть – передана во внешнюю сеть – планируется после 2050 года. Этот этап развития термоядерной энергетики также является промежуточным, поскольку стоимость и объем вырабатываемой электроэнергии будут еще не такими, как у существующих даже на текущий момент электростанций. Постройка коммерческих термоядерных электростанций планируется еще позднее.

    Впрочем, если большие международные проекты могут позволить себе развитие в течение многих десятилетий без коммерческого результата, частные компании, которые также существуют в этой области, рассчитывают получить коммерческие результаты гораздо быстрее.

    Например, американская компания TAE Technologies (Try Alpha Energy Technologies, tae.com), основанная в 1998, создает реактор иного типа, который сочетает в себе физику ускорителей частиц и физику плазмы для решения проблемы удержания плазмы. Это позволяет использовать в том числе реакцию водорода с бором, которая имеет более высокий порог зажигания, но зато дает возможность полностью избавиться от «радиоактивного следа». Коммерциализация термоядерной реакции планируется в середине 2020-х, не считая того, что компания продвигает также коммерческое применение своих промежуточных результатов работы по созданию реактора в других областях — например, в медицине и в системах для зарядки электромобилей. Идея плазменной установки FRC (Field-reversed configuration), как средства получения ядерного синтеза — согласно опубликованной дорожной карте, уже близка к коммерческой реализации.

    Дорожная карта создания промышленной электростанции на основе плазменного реактора в компании TAE Technologies (США). Источник: https://www.ukpropertyguides.com/wp-content/uploads/2019/01/ceo-of-tae-technologies-says-they-will-reach-commercial-fusion-by-2023-nextbigfuture-com.png
    Дорожная карта создания промышленной электростанции на основе плазменного реактора в компании TAE Technologies (США). Источник: https://www.ukpropertyguides.com/wp-content/uploads/2019/01/ceo-of-tae-technologies-says-they-will-reach-commercial-fusion-by-2023-nextbigfuture-com.png

    Следует упомянуть также британскую компанию Tokаmak Energy, основанную в 2009 году, которая ориентирована на создание сферических токамаков малых размеров с использованием высокотемпературных сверхпроводников. В планы компании входит запуск к 2030 году токамака с возможностью генерации электроэнергии.

    Интерферометры для измерения плотности плазмы — сделано в России

    Надо сказать, что разработка интерферометров для изучения плазмы, особенно под заказ для конкретной установки — это область высокого хайтека. В мире есть всего несколько компаний, способных изготавливать такие приборы, и одна из них — компания «ДОК» из Санкт-Петербурга. У команды «ДОК» большой опыт в изготовлении интерферометров для исследовательских токамаков, петербургскими интерферометрами оснащены многие токамаки в мире. Собранные в Петербурге интерферометры работают в компаниях TAE Technologies и Tokаmak Energy. Также петербургские интерферометры будут работать в токамаке Т-15МД, который планируется запустить в Курчатовском институте в 2021 году.

    Плазменная машина Norman С-2W в TAE Technologies, где установлен 300 гигагерцевый СВЧ-интерферометр, собранный в Санкт-Петербурге. Фото TAE: https://tae.com/wp-content/uploads/TAE_Technologies_6528.jpg
    Плазменная машина Norman С-2W в TAE Technologies, где установлен 300 гигагерцевый СВЧ-интерферометр, собранный в Санкт-Петербурге. Фото TAE: https://tae.com/wp-content/uploads/TAE_Technologies_6528.jpg

    Плазма в экспериментах по управляемому термоядерному синтезу— это состояние вещества с очень высокой температурой, когда атомы полностью ионизуются, т.е. электроны и ионы существуют отдельно. При этом плазма удерживается сильным магнитным полем, чтобы избежать контакта со стенками установки. В частности, согласно опубликованным сведениям от Блумберг, в 2021 году в плазменной установке Norman С-2W в TAE Technologies зарегистрирована температура плазмы в 50 млн °C.

    Разработчикам «ДОК» одним из первых в мире удалось решить важную задачу нечувствительности компонентов интерферометра к сильнейшему магнитному полю, которое используется в установках создания плазмы.

    Магнитное поле плазменной установки отрицательно влияет на работу любой установленной вблизи аппаратуры, включая интерферометр. Поэтому интерферометр приходилось отодвигать как можно дальше от магнитного поля установки, доставляя СВЧ-сигнал по длинным волноводам.

    Огромный минус такого решения — настолько большое затухание сигнала в длинных волноводах, что СВЧ-сигнал ослаблялся на один или даже два порядка по сравнению с ситуацией, когда СВЧ источник и приёмник расположены в непосредственной близости от установки. Поэтому создание нечувствительных к магнитному полю интерферометров — это большое технологическое достижение в отечественном и мировом приборостроении.

    Теперь перейдем от общих рассуждений к конкретике и расскажем о 94-гигагерцевом интерферометре, 3 экземпляра которого поставлены в НИЦ "Курчатовский институт" на проект создания прототипа 100-киловаттного геликонного двигателя. 

    Передатчик 94-гигагерцевого СВЧ-интерферометра производства компании «ДОК» на макете геликонного двигателя . Источник: НИЦ Курчатовский институт»
    Передатчик 94-гигагерцевого СВЧ-интерферометра производства компании «ДОК» на макете геликонного двигателя . Источник: НИЦ Курчатовский институт»

    Выбор рабочей частоты 94 ГГц был обусловлен в первую очередь концентрацией электронов в плазме. Частота 94 ГГц идеально подходит для измерения плазмы с плотностью электронов до 1013см-3. Именно такая плотность характерна для геликонных источников.

    Непосредственно вблизи плазмы располагается блок, состоящий из предусилителя, умножителя на лавинно-пролетном диоде, и узкополосного фильтра. Все эти элементы не чувствительны к магнитному полю. Высокостабильный источник «кварцевый синтезатор» располагается на отдалении от установки с макетом геликонного двигателя и соединяется с приёмником и передатчиком кабелями.

    Рабочая частота диагностического оборудования (интерферометра) должна в несколько раз превышать плазменную частоту, которая прямо пропорциональна плотности электронов
    (),
    иначе СВЧ-волна просто не проникнет в плазму и отразится от неё, как будто плазма является для волны зеркалом. Именно поэтому для интерферометрии более плотной плазмы требуется использовать более высокие частоты. Согласно техническому заданию на интерферометр для Курчатовского института, плазменная частота в установке макета геликонного двигателя составляет примерно 30 ГГц.

    Также, чтобы избежать проблем с отклонением зондирующего луча, отношение диаметра D плазменного облака к длине волны интерферометра λ, (D / λ) должно быть достаточно большим. В различных научных работах показано, что для цилиндрической плазмы с постоянной плотностью при соответствующем размере рупора должно соблюдаться условие D / λ > 3. Из-за особенностей, описанных выше, для макета геликонного двигателя была выбрана рабочая частота интерферометра 94 ГГц.

    Стендовая плита с компонентами 94 ГГц интерферометра с блоками питания производства компании «ДОК» на макете геликонного двигателя. Источник: НИЦ «Курчатовский институт»
    Стендовая плита с компонентами 94 ГГц интерферометра с блоками питания производства компании «ДОК» на макете геликонного двигателя. Источник: НИЦ «Курчатовский институт»

    Многие спросят, почему 94 ГГц, а не ровно 90 ГГц? Дело в том, СВЧ-компоненты выпускаются на определенные дискретные частоты, и выбор этих частот обусловлен локальными минимумами ослабления СВЧ-сигнала в атмосфере и под действием других факторов в общем частотном спектре. К таким минимумам относится и участок вокруг 94 ГГц. Другие ближайшие минимумы ослабления СВЧ-сигнала лежат вокруг частот 76 ГГц (что очевидно мало) и 130 ГГц (можно использовать, но излишне дорого, так как с ростом рабочей частоты стоимость СВЧ-компонентов растет почти экспоненциально).

    Особенностью СВЧ-интерферометрии и, в частности, интерферометров производства «ДОК», является возможность передачи «опорного» СВЧ сигнала не по «воздуху», а по коаксиальному кабелю, что гораздо удобнее с технической точки зрения. Преобразование в сигнал с частотой, необходимой для зондирования плазмы, происходит непосредственно в передатчике и в приемнике с помощью умножителей частоты (суммарный коэффициент умножения — это всегда целое число, и оно составляет, в зависимости от задачи, единицы или десятки раз).

    Структурная схема канала интерферометра имеет следующий вид:

    Структурная схема 94-гигагерцевого СВЧ-интерферометра производства ДОК для макета геликонного двигателя. Источник: «ДОК»
    Структурная схема 94-гигагерцевого СВЧ-интерферометра производства ДОК для макета геликонного двигателя. Источник: «ДОК»

    Гетеродины приемника и передатчика интерферометра запитаны от одного кварцевого генератора сигналами, немного разнесёнными по частоте. Прошедший через плазму сигнал преобразуется сначала в первую промежуточную частоту (ПЧ) 78 МГц, а затем во вторую ПЧ 200кГц.

    Выбор относительно низкой частоты второй ПЧ позволяет записывать и анализировать сигнал в большом временном окне. Также в усилителях промежуточной частоты была реализована фильтрация частот 2 МГц и 10 МГц. Это было необходимо, так как для разогрева плазмы в макете геликонного двигателя используются СВЧ-генераторы большой мощности (десятки киловатт), работающие именно на этих частотах. Поэтому, чтобы избежать наводок, в тракте ПЧ была предусмотрена дополнительная фильтрация.

    Измерения плотности плазмы проводятся на одной фиксированной частоте, поэтому сдвиг фазы возможно измерять с большой точностью и в реальном времени. Экспериментально измеренное среднеквадратичное отклонение фазы, которое обусловлено шумами прибора, составило 1°. Такая точность определения фазы позволяет проводить измерения плотности с погрешностью меньше 1%, поскольку в плазме геликонного двигателя набег фазы составляет несколько сот градусов.

    The road ahead или планы на будущее

    Впереди много работы — у НИЦ «Курчатовский институт» на горизонте года предстоит сдача макета геликонного двигателя заказчику с последующей работой над созданием промышленного образца маршевого ракетного двигателя на плазменной тяге, в том числе с масштабированием проекта под мощности двигателя до 1 МВт.

    «При помощи СВЧ интерферометра можно получать значения плотности электронов. Это дает возможность экспериментально подобрать оптимальный режим работы установки макетирования геликонного двигателя, изменяя входные параметры (расход рабочего газа, конфигурацию магнитного поля, вводимую мощность). В дальнейшем система с СВЧ интерферометром в ходе исследований может дать ясный и простой метод количественной оценки ускорения ионов за счет ионного циклотронного резонанса», — такой комментарий был дан Евгением Буниным, сотрудником НИЦ «Курчатовский институт».

    Компания «ДОК» работает над изготовлением интерферометра для токамака Т-15МД, нового проекта Курчатовского комплекса термоядерной энергетики и плазменных технологий. Для Т-15МД потребуется многоканальный интерферометр на частотах порядка 330 ГГц в так называемом терагерцовом диапазоне, т.е. на грани перехода радиоволн в область оптического спектра инфракрасного диапазона.

    Интерферометр на 330 ГГц (длина волны около 1 мм) также может быть интересен тем, что с его помощью можно создать особенно узкий луч для исследования плазменных пучков с малым сечением. В установке Е-1 в НИЦ "Курчатовский институт" есть подобные сечения. Такой интерферометр на 330 ГГц может найти применение и для исследования плазмы под антенной геликонной установки, где плотность плазмы выше значения в 1013см-3.

    Интересные проекты реализуют в России, не правда ли?

    Вы также можете к ним присоединиться — в компании «ДОК» открыты вакансии для специалистов по СВЧ-технике, конструкторов и сборщиков РЭА, программистов.

    Комментарии 34

      –4
      Очень полезная статья. Кстати, электростатическое отталкивание/притяжение движущихся электрических зарядов всегда больше их магнитного притяжения/отталкивания — заряды не могут двигаться со скоростью света. По этой причине обеспечить стабильное удержание плазмы в магнитных ловушках принципиально невозможно — всегда будет возникать неустойчивость. Нужно использовать совсем другое решение. Заинтересованным лицам предлагаю участвовать в моем проекте: startup-tour.ru/exhibitors/143
        +1
        Извините, может быть я что-то не так понял, но лучше обратиться к этому источнику: ru.wikipedia.org/wiki/EmDrive В нем четко указано, что данный двигатель работать не будет. «Однако работы научной группы из Дрезденского технического университета показали, что измеряемая «тяга» EmDrive возникает из-за влияния внешних факторов, а не из-за самого аппарата[17][3]. Высокоточные измерения установки EmDrive проведенные Дрезденской научной группой в 2021 году повысили точность результатов предыдущих измерений более чем на три порядка, никакой «тяги» обнаружено не было[18]». Вы не могли бы раскрыть принцип, на котором будет работать Ваш экземпляр?
          –6
          Не читайте бред из википедии и статьи «ученых» из Дрезденского университета. Что касается последнего вопроса — может вам дать еще ключи от квартиры, где деньги лежат?
            0

            Попробуйте как нибудь защищать свои идеи не оскорбляя других. Так обычно себя ведут фанатики. Если ваша идея действительно работает, — получите для начала патент!

              0
              патент — это, извините, фигня. Ничего не означающая, кроме того, что человек освоил соответствующий документооборот. Даже если заявка прошла формальную экспертизу, без экспертизы по существу это бумага, и только. До экспертизы по существу «никого не интересует, что конкретно в вашей заявке понаписано, хоть там межпланетный педальный звездолёт». Экспертиза по существу — как раз то самое, через что эмдрайв никогда и не продерётся :-)
                0
                На моем проекте можно получить множество патентов в самых разных отраслях науки и техники. Что касается EmDrive, то в качестве двигателя для космических аппаратов он абсолютно непригоден, однако люди просто не умеют читать и понимать прочитанное, да еще и предъявляют мне от фонаря взятые претензии. Кроме того, наиболее перспективные инновационные проекты очень часто не удовлетворяют критериям патентоспособности, что совершенно не является ограничивающим фактором в их успешной реализации и коммерциализации. Ссылка на мой проект: startup-tour.ru/exhibitors/143
              0
              У меня не идея, у меня проект. Он действительно работает. Я никого не оскорблял. Патент для начала мне не нужен.
              0
              Ключи мне не сильно нужны, а вот принцип было бы неплохо обсудить. По сути это единственная вещь из космической отрасли, за которой я следил в свое время на обывательском уровне. Если принцип секретен, тогда хотя бы результаты замеров как на видео в статье, банка там из под колы, пара деталек, ссылки на работы дрезденского университета, опровержение их опровержений. Хоть один реальный аргумент за то, чтобы вложить деньги.
                –1
                Никакого секрета в принципе нет — оба эффекта классической электродинамики описаны в литературе и учебниках по классической электродинамике для технических университетов не старше 1980-1990 года издания (в зависимости от издания). Другое дело, что за 20 лет исследований EmDrive ни один ученый в мире не обратил внимание на тот факт, что в авторском варианте EmDrive Роджера Шойера используется магнетрон — все смотрят только на пустое «медное ведро». Как слепые котята. Поэтому повторить мой эксперимент без моей поддержки не сможет ни один научный центр в мире, хотя себестоимость моего эксперимента не превышает 7 тысяч рублей (прототип стоит не более 5 тысяч рублей). Миллионы долларов ученым не помогут. Следует иметь в виду, что в качестве двигателя для космических аппаратов EmDrive сам по себе непригоден, однако инновационный потенциал проекта весьма большой: planeta.ru/campaigns/emdrive-start/updates!post112567
          0
          Все очень интересно, но что намерили в итоге или пока только стадия подготовки? Тогда заголовок статьи вводит в заблуждение… Не «измеряем», а «подготавливаемся к измерению». Я уж подумал, что двигатель готов. Хотелось бы о нем более подробную статью: про данный конкретный образец, если это не тайна, конечно. Спасибо за труды.
            0
            Статья от разработчика интерферометра, т.е. про прибор для измерения параметров плазмы. И измерения уже идут. Про сам двигатель автору было сообщено только то, что в статье. Также известно из открытой печати, что на горизонте ближайших лет будут создаваться рабочие образцы:
            www.militarynews.ru/story.asp?lang=RU
            «институт должен к декабрю 2021 года создать макет прототипа БПРД с введением электрической мощности до 100 кВт для исследований основных характеристик (тяга до 3 Ньютонов, удельный импульс до 5000 секунд) на модернизированном стенде Е-1 в импульсном режиме.
            Кроме того, будет разработан конструктивный облик прототипа лётного варианта такого двигателя и стенда для его испытания.
            Также договором предусмотрена обязанность Курчатовского института сформулировать технические требования к стенду для обеспечения работ по плазменному двигателю мощностью 1 мегаватт.
            По окончании работ должен быть создан и испытан лабораторный макет двигателя со сверхпроводящей магнитной системой, разработан облик его лётного варианта.»
            +2
            Куча-мала, а не пост. Вроде рассказ про плазменный двигатель, но много слов про недостатки химических и перескок на проблемы термояда…
            Потом оказывается, речь об измерении СВЧ-интерферометром! Но главная тема по тексту главной не является.

            Теперь об отступлениях, занявших так много места:
            Собственно, суть, похоже, в том, что предлагается и развивается двигатель с электромагнитным разгоном ионов в отличие от электростатического (в двигателях, называемых ионными). Иначе совершенно не понять, чем «плазменный» отличается от «ионного».
            Про недостатки химических: простые термодинамические соображения говорят, что максимальная эффективность двигателя достигается при равенстве скорости струи скорости полёта. Ровно потому для полётов на скоростях выше низкоорбитальных земных — химические двигатели неэффективны. И потому же ионные на орбитах будут (сюрприз) менее эффективны, чем химические. Выигрыш получается от наличия «халявной» и неограниченной энергии.

            Что же касается термояда, то никакого выигрыша в сравнении с реакцией деления он, на удивление, не даст. Потому как ограничение здесь в способах съёма энергии, а термояд, отдающий всю или большую часть энергии в заряженных частицах ещё очень долго будет недоступен. Снимать же тепло — значит не иметь особых преимуществ перед «атомным котлом».
              0

              Измерять "эффективность" двигателя таким образом довольно бессмыслено. Даже если у КА фиксированный запас энергии и есть возможность менять как угодно скорость струи - ограничивающим фактором может быть не запас энергиии а запас рабочего тела.

                0
                Измерять «эффективность» двигателя таким образом довольно бессмыслено.
                Более, чем осмысленно, так как это задаёт физические границы. Например, почему для взлёта с Земли очень красивые фантазии про ионную, фотонную и прочие «экологичные» тяги в этом режиме придётся забыть. Пока антигравы не появятся, придётся использовать «химию».
                Дальше можно обсуждать другие факторы.
                  0

                  Для взлёта с Земли ионные двигатели не подходят по причине низкой тяги. Ну, точнее, высокой энергетической цены тяги, т.е. необходимости тратить очень много энергии на создание сколько-нибудь существенной тяги. И цена тяги вообще никак от скорости движения космического аппарата не зависит.

                    0
                    высокой энергетической цены тяги
                    которая является следствием базовых положений. Которые нужны, чтобы понять, чего можно достичь техническими улучшениями (снижением внутренних потерь и т.п.), а чего нельзя.

                    По той же, кстати, причине, самый экономичный способ взлёта — вертолёт с огромным винтом.
                0

                Про недостатки химических: простые термодинамические соображения говорят, что максимальная эффективность двигателя достигается при равенстве скорости струи скорости полёта

                Понимаете ли какое дело, ракета - это не автомобиль, который движется относительно дороги, и не самолёт, который движется относительно воздуха. Ракета движется относительно... ничего. Для ракеты есть только ускорение, но не абсолютная скорость. Вы, конечно, при желании можете измерить скорость ракеты относительно чего-нибудь. Но вы же понимаете, что если ракета летит с Земли на Марс, меняя свою орбиту относительно Солнца, то мы можем измерять её скорость и относительно Земли, и относительно Марса, и относительно Солнца с равным успехом. Скорости при этом будут сильно разные... Но эффективность двигателя будет оставаться строго одинаковой, независимо от того, относительно чего мы там скорость ракеты намеряли.

                  0
                  Не так. Ракета совершает перелёт в некоторой системе координат, задаваемой, например, начальной и конечной точкой. И наиболее эффективным будет такая работа реактивного двигателя, при которой в этой системе координат кинетическая энергия оставленного за собой рабочего тела равна нулю. Почему, надеюсь, поймёте сами.
                    0
                    Ракета совершает перелёт в некоторой системе координат, задаваемой, например, начальной и конечной точкой.

                    Отлично! «задаваемой, например, начальной и конечной точкой». Мы летим с Земли на Марс. Как будем измерять скорость ракеты?
                    И наиболее эффективным будет такая работа реактивного двигателя, при которой в этой системе координат кинетическая энергия оставленного за собой рабочего тела равна нулю. Почему, надеюсь, поймёте сами.

                    Я прекрасно понимаю, что КПД ракетного двигателя — это тяга, умноженная на удельный импульс и делённая на две потребляемые мощности. Именно так определяется эффективность ракетных двигателей. Скорость ракеты относительно чего бы то ни было никак на это отношение не влияет.
                      0
                      Мы летим с Земли на Марс. Как будем измерять скорость ракеты?
                      По времени, требуемому для перемещения по единице длины траектории. Конечно, сама траектория зависит от того, с какой скоростью её преодолеваем — но мы же не строим здесь полную модель? Если ракета не изменяет своего положения на этой траектории, то её скорость можно считать нулевой. Даже если при этом всё вместе летит вокруг центра Галактики на 230 км/с.
                      Если выхлоп остаётся неподвижным — значит, вся энергия перешла в энергию ракеты, что и есть наибольшая эффективность. Если он полетел назад (относительно точки выхлопа), значит, часть энергии потеряна на это. Если летит вперёд, значит, рабочее тела выброшено недостаточно эффективно, можно было больше энергии вложить при том же расходе массы.

                      КПД ракетного двигателя — это тяга...

                      Впрягаем ракетный двигатель в плуг. Формально КПД может быть предельным. А фактически бездарно сожгли топливо.
                      Летим к Бетельгейзе, скорость хотелось бы хотя бы 0.1С. На том же химическом движке. Формально он работает с предельным КПД. А фактически бездарно жжём топливо на то, чтобы тащить уйму этого же топлива.

                      КПД — это про технические подробности, я же писал.
                      Опять земной пример
                      ТРД, вне зависимости от отработанности и КПД, крайне неэффективен при вертикальном взлёте. Для этого нужно уменьшить скорость струи до предела (вертикальная скорость почти нулевая), а тягу добрать за счёт сечения струи. Получаем — вертолёт.
                      Вот так и бабочки.
                        0
                        По времени, требуемому для перемещения по единице длины траектории. Конечно, сама траектория зависит от того, с какой скоростью её преодолеваем — но мы же не строим здесь полную модель?

                        Нет, мы строим! Ибо только когда вы построите полную модель — именно тогда вы осознаете бессмысленность попытки привязать эффективность двигателя к скорости ракеты относительно чего бы то ни было.

                        Если ракета не изменяет своего положения на этой траектории, то её скорость можно считать нулевой.

                        В нашем примере ракета не имеет нулевой скорости никогда. Даже лёжа в ангаре она всё равно движется, т.к. непрерывно меняется взаимное расположение Земли и Марса,.

                        Если выхлоп остаётся неподвижным — значит, вся энергия перешла в энергию ракеты, что и есть наибольшая эффективность. Если он полетел назад (относительно точки выхлопа), значит, часть энергии потеряна на это. Если летит вперёд, значит, рабочее тела выброшено недостаточно эффективно, можно было больше энергии вложить при том же расходе массы.

                        Нам плевать на энергию ракеты. Все космические манёвры определяются изменением скорости ракеты, delta-V, а не изменением её энергии.
                        Выйти с поверхности Земли на низкую орбиту — 9,5 км/с delta-V. Улететь с низкой околоземной орбиты к Марсу — 4,3 км/с (в среднем, бывают более и менее удачные окна запуска). Перейти с межпланетной траектории на низкую орбиту вокруг Марса — 2,7 км/с. И т.д. Как при этом меняется энергия ракеты — это никого не волнует.
                        Так, для справки, чтобы перейти с низкой экваториальной орбиты на геостационарную нужно совершить манёвр с delta-V 1,6 км/с. При этом скорость движения ракеты снизится с 7,8 до 3,1 км/с. Т.е. ракета уменьшит свою удельную кинетическую энергию более чем в шесть раз! По вашему выходит, что эффективность двигателя якобы отрицательная… Причём независимо от скорости его струи она всё равно будет отрицательной!
                        Только вот в реальности она всегда положительная, т.к., ещё раз, всем плевать на кинетическую энергию ракеты или её скорость в какой-либо системе отсчёта, значение имеет только изменение скорости, которое во всех инерциальных системах отсчёта будет одинаковым.

                        КПД — это про технические подробности, я же писал.

                        КПД — это и есть эффективность!

                        ТРД, вне зависимости от отработанности и КПД, крайне неэффективен при вертикальном взлёте. Для этого нужно уменьшить скорость струи до предела (вертикальная скорость почти нулевая), а тягу добрать за счёт сечения струи. Получаем — вертолёт.

                        ТРД, равно как и вертолёт, имеют бесконечный запас рабочего тела, а потому этот пример абсолютно недействителен при обсуждении ракеты.
                          0
                          Мда… такое называется «заклёпочник»? С точки зрения двигателиста Вы правы, выдал КПД, и с плеч долой. А вот с точки зрения «выполнить задание» — правота на моей стороне.
                          ТРД, равно как и вертолёт, имеют бесконечный запас рабочего тела, а потому этот пример абсолютно недействителен при обсуждении ракеты.
                          не так, но это скучно уже становится.
                            +1
                            А вот с точки зрения «выполнить задание» — правота на моей стороне.

                            Задание — это выполнить орбитальный манёвр. Перевести спутник с одной орбиты на другую, отправить его на траекторию к Луне/планете/астероиду, перевести с пролётной траектории на орбиту и т.д. Все эти манёвры определяются такой величиной, как delta-V, т.е. изменением скорости. Задача двигателиста — именно обеспечить заданную баллистиками величину delta-V.

                            не так, но это скучно уже становится.

                            Именно так.
                            На ракете есть два ограниченных ресурса — масса рабочего тела и средняя электрическая мощность. Обращаю внимание: именно мощность, а не энергия. Запасы энергии постоянно восстанавливаются солнечными батареями космического аппарата, но вот средняя мощность, которую аппарат может выдавать на двигательную установку, ограничена.
                            Соответственно, двигатель имеет две характеристики эффективности: удельный импульс и энергетическая цена тяги.
                            В случае химических ракетных двигателей потребляемая мощность пренебрежимо мала, т.к. энергия берётся из рабочего тела, а не из энергосистемы космического аппарата. Соответственно, эффективность какого-нибудь ЖРД полностью определяется его удельным импульсом. Чем выше удельный импульс — тем эффективнее двигатель. Даже если ракета имеет околонулевую скорость, всё равно эффективней тот двигатель, который выбрасывает рабочее тело быстрее, имеет более высокий удельный импульс. Т.к. он тратит меньше рабочего тела на создание той же тяги в течении того же времени.
                            В случае электрических ракетных двигателей потребляемая мощность уже очень значительна, т.к. именно из энергосистемы космического аппарата берётся энергия для разгона рабочего тела. Но, ещё раз, энергии у нас потенциально бесконечно много, так что никому нет дела до того, сколько энергии уйдёт на манёвр. А вот мощность — важна… Теперь эффективность двигателя в равной степени определяется как удельным импульсом, так и энергетической ценой тяги. Последняя определяется удельным импульсом (чем он больше — тем «дороже» тяга) и КПД двигателя (тут, ясное дело, чем выше — тем «дешевле»).
                            В случае ЭРД появляется точка наилучшего баланса между удельным импульсом и ценой тяги, существует оптимальная скорость истечения рабочего тела, при которой и расход массы не слишком велик, и мощности двигатель у аппарата отбирает не слишком много. Но эта точна никак не связана со скоростью движения космического аппарата. Так, например, спутники на геостационарной орбите движутся со скоростью 3,07 км/с. По вашим убеждениям при такой скорости наиболее эффективны классические ЖРД, у которых скорость струи обычно где-то 3,0-3,2 км/с, как раз близко к скорости спутника. Но от ЖРД на них «почему-то» отказываются, всё чаще создавая all-electric satellite… ЖРД заменяются на стационарные плазменные двигатели со скоростью струи примерно 15-16 км/с — пятикратно выше скорости спутника! Причём нет проблем сделать СПД со скоростью струи вдвое ниже, но нет, ставят двигатели, где 15-16 км/с. Именно на таком удельном импульсе получается оптимальный баланс для геостационарных спутников.
                              0
                              Вы так замечательно выделили изменение скорости… значимость которого в предыдущем комменте так яро отрицали.
                              Думаю, Вы просто запутались в собственном полемическом задоре — и не вижу смысла продолжать.
                              Спасибо за общение, до свидания.
                                0
                                Вы так замечательно выделили изменение скорости… значимость которого в предыдущем комменте так яро отрицали.

                                В прошлом комментарии я точно также выделял «изменение скорости»… Или вы его не читали?.. Ну ладно, повторю:
                                «всем плевать на кинетическую энергию ракеты или её скорость в какой-либо системе отсчёта, значение имеет только изменение скорости, которое во всех инерциальных системах отсчёта будет одинаковым».
                0

                Тег "фантастика" выглядит забавно. Поддерживаю предыдущих ораторов в плане того, что врезка про токомаки слишком пространная, а про сам двигатель маловато.

                  0
                  про сам двигатель маловато
                  Легко могу ошибиться, но вроде как двигатели на заряженных частицах принципиально бывают двух типов:
                  — «Ионные». Заряженные частицы разгоняются статическим электричеством. Достоинства: разгон идёт строго прямолинейно в сторону электродов, КПД велик. Недостатки: сверхвысокие напряжения (изоляция в вакууме неплоха, но проблемы это всё равно порождает), износ электродов (потому что ионы контактируют с их поверхностью), скорость струи ограничивается электрическим потенциалом, который удастся создать на электродах.
                  — «Плазменные». Заряженные частицы разгоняются электромагнитым способом. Достоинства: бесконтактно, нет износа (по крайней мере, теоретически). Не требуется сверхвысоких напряжений, Напряженность магнитного определяется силой тока и формой проводника, так что ограничений «сверху» меньше. Недостатки: траектории заряженных частиц не прямолинейны, отсюда «геликоны» и средства противодействия замыканию струи ионов на стенки двигателя.
                  Стеллараторы пытаются бороться с проблемой, повторяя траекторию частиц
                  image
                    0

                    У них там, конечно, всё плохо с неймингом и я тоже могу ошибаться, но...

                    1) Плазменные-ионные - и те и другие переводят вещество в плазму и ускоряют ионы. Типичный "ионный", например - СПД = стационарный плазменный двигатель.

                    2) статическим электричеством - там ток течет между катодом и анодом, это уже электродинамика, ионизация опять же омическая. Притом магнитное поле тоже используется, только не для ускорения, а для "фокусировки".

                    3) Заряженные частицы разгоняются электромагнитым способом - так про любой двигатель можно сказать. По всей видимости, в геликоне ускоряет магнитное поле, но там много деталей, что за волна вообще.

                    Вообще же два основных класса электродвигателей - импульсные и стационарные. Но про импульсные я не знаю совсем ничего - вот относится ли геликон к импульсным?

                      0
                      и те и другие переводят вещество в плазму и ускоряют ионы.
                      Ессно! Именно потому я поставил названия в кавычки.
                      это уже электродинамика,
                      я пытался показать базовое: движение заряженной частицы инициируется электрическим потенциалом.
                      в геликоне ускоряет магнитное поле
                      именно так. И не «в геликоне», а в любом «плазменном двигателе». Геликон — это то, что получается из пучка заряженных частиц при движении в магнитном поле. Иллюстрацию стелларатора специально привёл. Соответственно, геликонный двигатель — такой, в котором в явном виде делается противодействие этому процессу (хотя бы и за счёт хитровывернутой формы, как в стеллараторе).

                      Вообще-то есть ещё двигатели на эффекте Холла и т.п., я попытался предельно упростить, до уровня «чтобы самому было понятно».
                        0

                        Вообще-то есть ещё двигатели на эффекте Холла и т.п - в книжке "Стационарные плазменные двигатели Морозова" написано, что то, что на западе называют двигателем на эффекте Холла - это наш же СПД (впрочем, в вики то же самое написано). И в процессе изучения выяснилось, что эффект Холла там не является основным, т.е. зря они его так называют.

                        Оффтоп, а как в этом новом дизайне цитаты делать? Никак не могу кнопку найти.

                    0
                    про сам двигатель маловато

                    Про сам двигатель, как намекнули, информация не для публичного использования, от института ничего к сказанному в статье добавлять не стали.
                    Поэтому в статье довольно большие отступления на соседние темы, в частности про токамаки.
                      0

                      При том, что изобретатель - товарищ из MIT. Понятно, что инженерные решения палить не надо, но про основные принципы было бы интересно почитать.

                    –1
                    Основное преимущество предлагаемого двигателя перед обычными ионными и плазменными двигателями заключается в возможности значительно увеличить время ускорения ионов/плазмы при небольшой длине ускорительной системы — ионы/плазма могут двигаться по криволинейному пути! Именно так работают кольцевые ускорители элементарных частиц, например бетатроны. Мое решение еще более интересно и перспективно, причем проект им не ограничивается: startup-tour.ru/exhibitors/143

                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                    Самое читаемое