Что такое лазерный ракетный двигатель

Физика ядерных лазеров

Принцип работы лазера с ядерной накачкой

Лазер с ядерной накачкой — это лазер, в котором возбуждение и создание инверсии в специальной лазерно-активной среде осуществляется продуктами ядерных реакций. Наиболее перспективным видится использование в качестве источника энергии осколков деления тяжелых ядер.
Принцип работы лазера с накачкой осколками деления показан на данном рисунке:

Схема Лазерно-активного элемента: 1 — поток нейтронов; 2 — осколки делений; 3 — слой U 235 ; 4 — лазерно-активная среда; 5 — оптические окна; 6 — «глухое» зеркало; 7 — выходное зеркало; 8 — лазерный пучок.

Нейтроны из запального реактора, проходя через лазерно-активный элемент (ЛАЭЛ), вызывают деления урана-235, нанесенного на внутреннюю поверхность ЛАЭЛа. Осколки деления, попадая в лазерно-активную среду, создают рекомбинационно неравновесную ядерно-возбуждаемую плазму и инверсию лазерных уровней. Запасенную в среде энергию можно вывести из лазерно-активного элемента с помощью специальной оптической системы, состоящей из «глухого» и выходного зеркал (т.н. «лазерный генератор с ядерной накачкой»).

Лазерная установка с ядерной накачкой ГНЦ РФ — ФЭИ

Акционерное общество «Государственный научный центр Российской Федерации – Физико-энергетический институт имени А.

1700 мм, а длина

2500 мм. В состав лазерного блока входят лазерно-активные элементы (ЛАЭЛы), их имитаторы и элементы замедлителя нейтронов. ЛБ окружен двумя рядами внешнего отражателя нейтронов. В нейтронно-физическом смысле лазерный блок является глубоко подкритической системой со значением эффективного коэффициента размножения нейтронов значительно меньше 1.

Лазерно-активный элемент представляет собой тонкостенную стальную трубу с внешним диаметром 50 мм и длиной 2500 мм, на внутреннюю поверхность которой нанесен тонкий слой металлического урана-235 эффективной толщиной

5 мкм. ЛАЭЛ загерметизирован с торцов оптическими окнами и заполнен лазерно-активной средой, в качестве которой в настоящее время используется Ar-Xe (200:1) смесь.
Имитатор ЛАЭЛ является полным аналогом в нейтронно-физическом смысле лазерно-активного элемента и представляет собой двухстенную алюминиевую трубу между стенками которой размещен диоксид урана. Количество урана-235 эквивалентно количеству делящегося вещества в ЛАЭЛе.
Внешний отражатель нейтронов набирается из тонкостенных стальных труб заполненых парафином. Если небходимо, в лазерный блок устанавливается внутренний отражатель нейтронов эффективной толщиной

7 см.
ОКУЯН функционирует следующим образом. Нейтроны, рожденные в импульсном запальном реакторе, проходя через лазерный блок, замедляются в нем и вызывают деления урана-235 в лазерно-активных элементах. Осколки деления создают рекомбинационно неравновесную ядерно-возбуждаемую плазму в объеме лазерно-активной среды. Запасенную в лазерно-активной среде энергию можно вывести из ЛАЭЛов используя специальную оптическую систему. На данной установке предполагается использовать схему «задающий генератор — двухпроходовый усилитель» (см. Рис.). В качестве задающего генератора будет использован лазер с накачкой электронным пучком.

Т.о. расчеты показали, что, если все имитаторы ЛАЭЛов (

650 ед.) будут заменены на реальные лазерно-активные элементы, суммарная энергия выходного лазерного пучка из системы будет

50 кДж длительностью

В настоящее время физический и энергетический пуск установки полностью завершен и проводятся лазерные эксперименты.

Основные характеристики ОКУЯН
Число делений в реакторе БАРС-6 — 5.10 17
Длительность импульса в ЛБ — 1-10 мс
Лазерно-активная среда — Ar-Xe
Лазерный переход — Xe1
Длина волны лазерного перехода — 1.73 мкм
Выходная энергия лазерного излучения (650 ЛАЭЛов) — до 50 кДж
ГНЦ РФ Физико-энергетический институт. Отделение Перспективных ядерно-лазерных и термоядерных исследований. Лаборатория Технической физики

Реакторы-лазеры из ВНИИЭФ

Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ) — федеральное государственное унитарное предприятие Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом». РФЯЦ-ВНИИЭФ — крупнейший в стране научно-исследовательский институт, решающий сложные задачи оборонного, научного и народнохозяйственного значения. Основанный в 1946 году институт внес определяющий вклад в создание ядерного и термоядерного оружия в СССР, ликвидацию атомной монополии США. Здесь были разработаны первые отечественные атомная и водородная бомбы. Деятельность института обеспечила достижение мирового ядерного равновесия в годы «холодной войны», удержала человечество от глобальных военных конфликтов. ВНИИЭФ положил начало реализации масштабной программы Советского Союза по проведению ядерных взрывов в мирных целях. В 1962 году была решена уникальная задача зажигания и горения термоядерного горючего при отсутствии делящихся материалов. Это был важный шаг на пути к термоядерной энергетике будущего.

Главная задача ядерного центра сегодня — обеспечение и поддержание надежности и безопасности ядерного оружия России.

На базе водно-импульсного реактора ВИР-2М с энерговыделением в активной зоне до 60 МДж и длительностью нейтронного импульса 3 мс и более создан экспериментальный комплекс для исследования характеристик лазеров с ядерной накачкой (ЛЯН) и отработки элементов конструкции ядерно-лазерных устройств. В состав комплекса входят лазерные установки ЛУНА-2М, ЛУНА-2П и ЛЯН-2Т. На реакторе ВИР-2 проведен большой объем фундаментальных исследований по поиску и оптимизации параметров газовых ЛЯН и изучению их энергетических и спектральных характеристик, измерены неоднородности плотности газовых сред, расходимость лазерного излучения, характеристики пленочного уранового топлива. В РФЯЦ-ВНИИЭФ получена и исследована генерация более чем на сорока переходах атомов Xe, Kr, Ar, Ne, C, N, O, Cl, ионов Cd + , Zn + в видимой и ИК-областях спектра при возбуждении газовых смесей осколками деления урана, а также продуктами реакций 3 He(n,p)3H и 10 B(n,α) 7 Li в нейтронных полях импульсных ядерных реакторов. Одним из главных научных достижений, реализованных на этой установке, наряду с высокими значениями КПД (до 2,5 %) является демонстрация возможности работы ЛЯН даже при нейтронных потоках на периферии активных зон практически всех энергетических и исследовательских ядерных реакторов непрерывного действия.

На комплексе ВИР-2М/ЛУНА-2М проведен большой объем экспериментов по исследованию спектральных характеристик различных газовых сред, возбуждаемых осколками деления урана, и поиску новых ЛЯН, получена информация о начальных коэффициентах усиления и параметрах насыщения активных сред лазеров на смесях Ar-Xe (λ = 1,73 мкм) и He-Ar-Xe (λ = 2,65 мкм). При разработке реакторов-лазеров непрерывного действия необходимы практическая демонстрация такого режима, конструкторско-технологическая отработка и изучение характеристик устройств с поперечной прокачкой газа. Для решения этих задач разработан и изготовлен лазерный 4-канальный модуль ЛМ-4.

Установка ЛМ-4 состоит из четырех лазерных каналов сечением 20х60 мм и активной длиной 1 м, включенных совместно с размещенными между каналами пластинчатыми радиаторами в единую газовую петлю, в которой осуществляется поперечная прокачка. Система возбуждается потоком нейтронов от реактора БИГР длительностью

1,5 с. Длительность генерации определяется длительностью импульса облучения реактора БИГР. Впервые в мире на практике продемонстрирована непрерывная генерация в лазерах с ядерной накачкой и показана эффективность способа поперечной прокачки газа. Мощность лазерного излучения

100 Вт. В настоящее время эти энергетические характеристики для лазеров с ядерной накачкой являются рекордными. В 2000-2001 гг лазерный модуль был существенно модернизирован, переделаны оптическая схема и системы регистрации, юстировки и управления.

Эксперименты показали, что при работе в квазиимпульсном режиме длительность импульса, мощность и энергия генерации в сложенном канале оказались существенно выше, чем в одинарном, а пороги генерации – существенно ниже. Данные результаты являются наглядным доказательством возможности применения последовательной схемы сложения лазерных каналов и снижения, таким образом, диаграммы направленности светового луча.

В ходе исследований, проведенных на модернизированном экспериментальном комплексе ЛМ-4М/БИГР, продемонстрирована работа многоэлементного ядерно- лазерного устройства в непрерывном режиме после длительной (7 лет) консервации установки без замены оптических и топливных элементов. Фактически модуль ЛМ-4 может рассматриваться как реактор-лазер (РЛ) в миниатюре, обладающий всеми его качествами кроме возможности самоподдерживающейся (цепной) ядерной реакции, обеспечивающей ядерную накачку без использования внешних нейтронных полей. Эта задача решается простым масштабированием рабочей зоны ЛМ и введением системы управления реактором. Выработана концепция РЛ как автономного ядерно-физического устройства, совмещающего функции лазерной системы и ядерного реактора и осуществляющего прямое преобразование энергии ядерных реакций в лазерное излучение.

Реактор-лазер является, в сущности, набором определенного количества лазерных ячеек, размещенных должным образом в матрице замедлителя нейтронов. На основе результатов расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, конструкторско-технологических проработок, опыта отечественного реакторостроения, эксплуатации исследовательских ядерных реакторов и лазерных комплексов определены основные энергетические, ядерно-физические, технические и эксплуатационные параметры различных вариантов РЛ с мощностью лазерного излучения от 100 кВт до нескольких мегаватт, работающих во временных интервалах от нескольких секунд до непрерывного режима. Рассматривались РЛ с аккумулированием тепла в активной зоне (АЗ) реактора в пусках, продолжительность которых ограничена допустимым нагревом АЗ (теплоемкостные РЛ), и РЛ с выносом тепловой энергии за пределы АЗ, т.е. без ограничения по энергетике.

Реактор-лазер для промышленного применения с невысокой при мощности лазерного излучения

1 МВт должен содержать

конструкторско-технологическим и эксплуатационным соображениям такую установку удобно выполнить секционированной, состоящей из функционально законченных модулей.

Реактор-лазер непрерывного действия имеет сменные лазерные модули,составляющие в совокупности активную зону РЛ.
Лазерный комплекс кроме собственно РЛ включает в себя оптические системы формирования лазерного излучения и транспортировки его к объекту воздействия, систему управления и защиты реактора и систему управления лазерным излучением, периферийные системы прокачки и охлаждения лазерной среды и теплоносителя. Система формирования лазерного излучения в значительной степени определяется назначением комплекса. Преимущества РЛ обусловлены высокой удельной и абсолютной энергоемкостью, практически недостижимой в других типах лазеров, эффективным преобразованием в широком оптическом диапазоне, отсутствием промежуточных ступеней преобразования энергии, гибкостью управления.

Возможные применения реакторов-лазеров:

Снабжение энергией спутников, базы на темной стороне Луны,космических объектов.
Лазерные ракетные двигатели для старта с Земли и межпланетных полетов.
Очистка космоса от мусора и отработавших ЯЭУ.
Вывод полезных грузов на космические орбиты.
В качестве инструмента для резки и сварки крупногабаритных установок.
Утилизация экологически опасных установок.
Утилизация особо прочных и толстостенных конструкций,разделка которых традиционными способами затруднена или невозможна.
Оперативный ремонт дорогостоящих производственных установок с непрерывным циклом работы.
Ликвидация последствий стихийных бедствий, аварий и катастроф, в особенности сопровождающихся повышенной экологической.

Работы по созданию мощных РЛ непрерывного действия с прямым преобразованием ядерной энергии в лазерное излучение являются новым направлением современной физики, возникшим на стыке последних достижений в ядерной энергетике и лазерной технике. Такие работы в стране и за рубежом проводятся впервые. Реализация такой программы станет существенным вкладом в создание энергетики будущего, позволит сохранить научно-технический потенциал России и мировой приоритет в новой перспективной области науки и техники.
Во ВНИИЭФ завершается создание ядерно-физической установки, являющейся физической моделью РЛ непрерывного действия с поперечной прокачкой лазерной среды.

P.S. от Pl

Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов

Принцип работы

На удивление экспериментальная установка устроена очень просто. При помощи компрессора воздух под давлением идет в кварцевую трубку. К ней присоединен волновод, у которого на одном конце установлен магнетрон мощностью в 1 кВт. Именно это то устройство, которое отвечает за разогрев еды в микроволновке. Оно генерирует излучение в 2,45 ГГц, благодаря которому происходит ионизация и нагрев подаваемого воздуха. В итоге мы получаем плазму, в будущем отводящуюся в «реактивное сопло». Данный аппарат выглядит как кварцевая трубка в диаметре 24 см.

Таким образом, один конец у нас с, так называемой, микроволновкой. Отметим, что аппарат охлаждается простой водой. Если этого не делать, то есть риск возникновения выскоплазменного электромангала.

В результате эксперимента тяга, которую создали китайские ученые, заставляет подпрыгивать стальной шар, который весит 1 кг. Его крепят на конце импровизированного сопла. Проанализировав полученные данные, можно сказать, что подъемная сила в 28 Н/кВт, а также давление в 24 кН/кв.м. дает вполне реальную жизнь идее, когда воздушно плазменный реактивный двигатель становится интересным аналогом обычного реактивного двигателя, который работает на ископаемом топливе.

Ошеломляющий результат разработки – сразу три весомых для планеты пункта:

1. Больше не надо жечь нефтепродукты.
2. Заметно сократиться загрязнение атмосферы углеродом.
3. Замедлится процесс глобального потепления.

Ученые предполагают, что в будущем такими двигателями можно оснастить самые разные устройства, в том числе и самолеты. Но внедрить изобретение можно только тогда, когда будут разработаны компактные и мощные источники энергии. Ими вполне могут стать портативные термоядерные реакторы.

Для всех плазменных ракет свойственно работать по одному принципу. Речь идет о ситуации, когда предельно близко работают электрические и магнитные поля. На первом этапе происходит преобразование газа, как правило, ксенона или криптона, в плазму. Дальше происходит ускорение ионов в плазме из двигателя при скорости больше 72 тыс. км/ч. При этом создается тяга в необходимом направлении. На данный момент есть ни один способ, который дает возможность применить данную формулу для формирования рабочей плазменной ракеты. Три из них считаются максимально удачными и перспективными.

Двигатель Холла

Отличается этот вариант тем, что здесь нет ограничений, которые налагаются объемным зарядом. Благодаря этому обеспечивается большая плотность тяги. Как результат, этот тип двигателя способствует увеличению скорости ракет в несколько раз в сравнении, к примеру, с ионными агрегатами в том же размере.

Идея принадлежит американскому физику, Эдвину Холлу. Ученый показал миру, как в проводнике с взаимно перпендикулярным электрическим и магнитным полем образуется электроток. Основная фишка в направлении – оно для обоих перпендикулярно. Иными словами, в данном устройстве образование плазмы происходит при помощи заряда между анодом и катодом. Это совершенно простое действие отделяет электроны от нейтральных атомов.

В наше время в пределах околоземных орбит находится около 200 спутников, работающих на данном устройстве.

Эта грозная аббревиатура расшифровывается как абляционный импульсный плазменный двигатель. Основная зона его предназначения – малые космические аппараты, оснащенные неплохим спектром функциональных возможностей. Расширение устройства обеспечивает высокоэффективный малогабаритный агрегат, который сможет корректировать и поддерживать орбиту.

Стоит отметить, что данное устройство весьма перспективно и имеет весомые плюсы:

• всегда готов к работе;
• большой ресурс;
• низкая инерционность;
• может точно дозировать импульс;
• тяга обуславливается потребляемой мощностью.

Стационарные двигатели

В первую очередь, при рассмотрении этого устройства, важно отметить малую врабатываемость мощности и компактность. Область применения его в космической технике – исполнительный орган электрореактивной установки.

Также он является незаменимым помощников во время научных исследований. Стационарный двигатель дает возможность моделировать с высокой точностью направленные плазменные потоки. Иначе говоря, его можно назвать магнетроном, который часто используют в промышленном направлении.

Преимущества ионного двигателя для космического корабля

Ионы на выходе из двигателя разгоняются до очень высоких скоростей. В своем максимуме они могут достигать 210 км/с. При этом, химические ракетные двигатели не способны достигать и 10 км/с, находясь в диапазоне 3-5 км/с.

В нашем Telegram-чате все говорят про варп-двигатель, но давайте сначала с ионным разберемся.

Возможность достижения большого удельного импульса позволяет очень сильно сократить расход реактивной массы ионизированного газа в сравнении с аналогичным показателем для традиционного химического топлива. А еще, ионный двигатель может непрерывно работать более трех лет. Энергия, которая нужна для ионизации топлива берется от солнечных батарей — в космосе с этим проблем нет.

Если спешить с ускорением некуда, то ионный двигатель станет отличным вариантом.

Как двигатель создает тягу

Ученые Fraunhofer IWS и TU Dresden ищут оптимальную систему впрыска, чтобы повысить эффективность двигателя. Этот проект, получивший название CFDμSAT, осуществляется с января 2020 года, и в качестве ассоциированных партнеров участвуют Ariane Group и Siemens AG. Инжекторы создают серьезные проблемы при проектировании и изготовлении. «Топливо сначала служит для охлаждения двигателя. Оно нагревается и затем подается в камеру сгорания. Жидкий кислород и этанол добавляются отдельно для смешивания через инжектор. Полученная газовая смесь воспламеняется. Она расширяется в камере сгорания, а затем течет через зазор в камере сгорания, чтобы разжиматься и ускоряться соплом».

Исследователи из Дрездена уже опробовали прототип авиационного двигателя в испытательной камере в Институте аэрокосмической техники им. Т.У. Дрездена, достигнув времени горения 30 секунд. «Этот процесс особенный, потому что было мало прецедентов для испытаний форсунок подобным способом. Мы доказали, что работающий реактивный двигатель с жидким топливом может быть изготовлен путем аддитивного производства», — говорит Мюллер.

masterok

Хочу все знать

Проблема перемещения в космосе стоит перед человечеством с момента начала орбитальных полетов. Ракета взлетая с земли расходует практически все свое топливо, плюс заряды ускорителей и ступеней. И если ракету еще можно оторвать от земли, заправив её огромным количеством топлива, на космодроме, то в открытом космосе заправляться попросту негде и нечем. А ведь после выхода на орбиту нужно двигаться дальше. А топлива нет.

И в этом то и состоит основная проблема современной космонавтики. Выбросить на орбиту корабль с запасом топлива до луны еще можно, под эту теорию строятся планы создать на луне базу дозаправки «дальнобойных» космических кораблей, летящих например на Марс. Но это все слишком сложно.

А решение проблемы было создано очень давно, еще в 1955 году, когда Алексей Иванович Морозов опубликовал статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». В ней он описывал концепцию принципиально нового космического двигателя.

Устройство ионно плазменного двигателя

Принцип действия плазменного двигателя состоит в том, что рабочим телом выступает не сгорающее топливо, как в реактивных двигателях, а разогнанный магнитным полем до безумных скоростей поток ионов.

Источником ионов служит газ, как правило это аргон или водород, бак с газом стоит в самом начале двигателя, оттуда газ подается в отсек ионизации, получается холодная плазма, которая разогревается в следующем отсеке посредством ионного циклотронного резонансного нагрева. После нагрева, высокоэнергетическая плазма подается в магнитное сопло, где она формируется в поток посредством магнитного поля, разгоняется и выбрасывается в окружающую среду. Таки образом достигается тяга.

С тех пор плазменные двигатели прошли большой путь и разделились на несколько основных типов, это электротермические двигатели, электростатические двигатели, сильноточные или магнитодинамические двигатели и импульсные двигатели.

В свою очередь электростатические двигатели делятся на ионные и плазменные (ускорители частиц на квазинейтральной плазме).

В данной статье мы напишем про современные ионные двигатели и их перспективные разработки, так как на наш взгляд именно за ними будущее космического флота.

Ионный двигатель использует в качестве топлива ксенон или ртуть. Первый ионный двигатель назывался сетчатый электростатический ионный двигатель.

Принцип его действия таков:

В ионизатор подается ксенон, который сам по себе нейтрален, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны.

Положительные же ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2 или 3 сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против – 225 на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона.

Российские ионные двигатели. На всех хорошо видны катодные трубки, направленные в сторону сопла

Электроны, пойманные в катодную трубку выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается по двум причинам:

Во первых чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным, а во вторых чтобы ионы «нейтрализованные» таким образом не притягивались обратно к кораблю.

Чтобы ионный двигатель работал нужны всего две вещи – газ и электричество. С первым все просто отлично, двигателю американского межпланетного аппарата Dawn, который стартовал осенью 2007-го, для полета в течении почти 6 лет потребуется всего 425 килограммов ксенона. Для сравнения для корректировки орбиты МКС с помощью обычных ракетных двигателей каждый год затрачивается 7,5 тонн горючего.

Одно плохо – ионные двигатели имеют очень небольшую тягу, порядка 50–100 миллиньютонов, что абсолютно недостаточно при перемещении в атмосфере Земли. Но в космосе, где нет практически никаких сопротивлений, ионный двигатель при длительном разгоне может достигнуть значительных скоростей. Общее приращение скорости за всё время миссии Dawn составит порядка 10 километров в секунду.

Тест ионного двигателя для корабля Deep Space

Недавние испытания проведенные американской компанией Ad Astra Rocket, проведенные в вакуумной камере показали, что их новый Магнитоплазменный двигатель с переменным удельным импульсом” (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) VASIMR VX-200может дать тягу уже в 5 ньютонов.

Второй вопрос – электричество. Тот же VX-200 потребляет 201 кВт энергии. Солнечных батарей такому двигателю просто мало. Следовательно необходимо изобретать новые способы получения энергии в космосе. Тут есть два пути – заправляемые батареи например тритиевые, выводимые на орбиту вместе с кораблем, либо автономный атомный реактор, который и будет питать кораблю на протяжении всего полета.

Еще в 2006 году Европейское космическое агентство (European Space Agency) и Австралийский национальный университет (Australian National University) успешно провели испытания нового поколения космических ионных двигателей, достигнув рекордных показателей.

Двигатели, в которых заряженные частицы ускоряются в электрическом поле — давно известны. Они применяются для ориентации, коррекции орбиты на некоторых спутниках и межпланетных аппаратах, а в ряде космических проектов (как уже осуществившихся, так и только задуманных — читайте тут,тут и тут) — даже в качестве маршевых.

С ними специалисты связывают дальнейшее освоение Солнечной системы. И хотя все разновидности так называемых электроракетных двигателей сильно уступают химическим в максимальной тяге (граммы против килограммов и тонн), зато кардинально превосходят их в экономичности (расходе топлива на каждый грамм тяги за секунду). А эта экономичность (удельный импульс) прямо пропорционально зависит от скорости выбрасываемой реактивной струи.

Так вот, в опытном двигателе, названном «Двухступенчатый с четырьмя решётками» (Dual-Stage 4-Grid — DS4G), построенном по контракту ESA в Австралии, скорость эта достигла рекордных 210 километров в секунду.

Это, к примеру, раз в 60 выше, чем скорость выхлопа у хороших химических двигателей, и в 4-10 раз больше, чем у прежних «ионников».

Как ясно из названия разработки, такая скорость достигнута двухступенчатым процессом разгона ионов при помощи четырёх последовательных решёток (вместо традиционных одной стадии и трёх решёток), а также высоким напряжением — 30 киловольт. Кроме того, расхождение выходного реактивного пучка составило всего 3 градуса, против примерно 15 градусов — у прежних систем.

А вот информация последних дней.

Ионный двигатель (ИД) работает просто: газ из бака (ксенон, аргон и пр.) ионизируется и разгоняется электростатическим полем. Поскольку масса иона мала, а заряд он может получить значительный, ионы вылетают из двигателя со скоростями до 210 км/с. Химические двигатели могут достичь… нет, ни чего-то подобного, а всего лишь в двадцать раз меньшей скорости истечения продуктов сгорания лишь в исключительных случаях. Соответственно, расход газа в сравнении с расходом химического топлива крайне мал.

В 2014 году ионные двигатели справляют полувековой юбилей в космосе. Всё это время проблему эрозии не удавалось решить даже в первом приближении. (Здесь и ниже илл. NASA, Wikimedia Commons.)

Как и всё хорошее, ИД любит, чтобы его питали: на один ньютон тяги нужно до 25 кВт энергии. Представим, что нам поручили запустить 100-тонный космический корабль к Плутону (вы уж простите нас за мечтательность!). В идеале даже для Юпитера нам потребуется 1 000 ньютонов тяги и 10 месяцев, а до Нептуна на той же тяге — полтора года. В общем, давайте про Плутоны всё-таки не будем, а то грустно как-то…

Ну а чтобы получить эти пока умозрительные 1 000 ньютонов, нам потребуется 25 мегаватт. В принципе, ничего технически невозможного — 100-тонный корабль мог бы принять атомный реактор. Кстати, в настоящее время НАСА и Министерство энергетики США работают над проектом Fission Surface Power. Правда, речь идёт о базах на Луне и Марсе, а не о кораблях. Но масса реактора не так уж высока — всего пять тонн, при размерах в 3×3×7 м…

Ну ладно, помечтали и хватит, скажете вы, и тут же вспомните частушку, якобы придуманную Львом Толстым во время Крымской войны. В конце концов, такой большой поток ионов, проходящий через двигатель (а это ключевое препятствие), вызовет его эрозию, и значительно быстрее, чем за десять месяцев или полтора года. Причём это не проблема выбора конструкционного материала — благо разрушаться в таких условиях будут и титан, и алмаз, — а неотъемлемая часть конструкции ионного двигателя per se.

Так вот, исследователи из Лаборатории реактивного движения НАСА считают, что как минимум частично покончили с этой проблемой.

При большой тяге ионы в двигателе врезаются в анод, что ведёт к анодному разбрызгиванию. Чем выше тяга двигателя и скорость ионов, тем быстрее, следовательно, будет эродировать анод.

Стенки из нитрида бора — самое уязвимое место ионного двигателя, однако магнитное поле смогло повысить их предельный ресурс в 500–1 000 раз.

Они попробовали изолировать стенки анода (на базе нитрида бора) от положительных ионов магнитным полем. А линии такого магнитного поля были параллельны поверхности стенок, и по ним заряженные частицы уносились прочь, не трогая стенок. Решение, при всей его очевидности, оказалось довольно эффективным: скорость эрозии упала в 500–1 000 раз. Испытания проводились на ИД, основанном на эффекте Холла и потребляет значительное количество электроэнергии — около 25КВатт на создание силы тяги в 1 ньютон…

Разумеется, это не конец всех проблем. При дальнейшем масштабировании ИД энергия ионов может оказаться такой, что на защитное магнитное поле либо не хватит располагаемой электрической мощности, либо даже при её наличии обеспечить защиту от ионов полностью не получится. И всё же это решительный шаг вперёд — такое замедление эрозии делает принципиально возможной отправку даже весьма тяжёлого корабля к относительно удалённым объектам Солнечной системы.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Applied Physics Letters .

Подготовлено по материалам Gizmag. и http://lab-37.com

А вы в курсе что в России активно работает над ядерным двигателем для ракет или например о том, что скоро может появится Первый автомобиль с ядерным двигателем

Плазменный двигатель

Если степень ионизации атомов становится высокой (порядка 99%), то такое агрегатное состояние вещества называется плазмой. Достичь состояния плазмы можно лишь при высоких температурах, поэтому в плазменных двигателях ионизированный газ разогревается до нескольких миллионов градусов. Разогрев осуществляется с помощью внешнего источника энергии – солнечных батарей или, что более реально, небольшого ядерного реактора.

Горячая плазма затем выбрасывается через сопло ракеты, создавая тягу в десятки раз большую, чем в ионном двигателе. Одним из примеров плазменного двигателя является проект VASIMR, который развивается еще с 70-х годов прошлого века. В отличие от ионных двигателей, плазменные в космосе еще испытаны не были, но с ними связывают большие надежды. Именно плазменный двигатель VASIMR является одним из основных кандидатов для пилотируемых полетов на Марс.

Как работает жидкостный ракетный двигатель

Чтобы получить полезное действие, достаточное для прорыва в космос, нужно получить большое количество энергии − эффективно сжечь большое количество топлива. Как известно, любой процесс горения представляет собой химическую реакцию окисления. И если на Земле для других видов тепловых двигателей в качестве окислителя можно использовать атмосферный кислород, то для ракетного двигателя, и тем более в космосе, окислитель и горючее надо иметь непосредственно на ракете, и лучше всего в максимально плотном и удобном для подачи жидком виде. В РД-107/108 в качестве окислителя используется жидкий кислород, а в качестве горючего – керосин.

Фото: Объединенная двигателестроительная корпорация

В камере сгорания подаваемые специальными насосами в нужном количестве и с необходимым давлением окислитель и горючее смешиваются и сгорают. Горячие (с температурой в несколько тысяч градусов) продукты сгорания в конструкции особого профиля – сверхзвуковом сопле Лаваля – разгоняются до многократно сверхзвуковых скоростей и уходят в пространство. Если умножить сумму секундных расходов масс горючего и окислителя на скорость выхода продуктов сгорания из сопла, можно в первом приближении получить силу тяги двигателя. Так, в общих чертах, можно описать схему работы жидкостного ракетного двигателя.

Где используется

Свойства металла обусловили его востребованность практическими сферами.

Конкурентные преимущества

Вещество наделено свойствами, выделяющими его среди металлов:

• Порог прочности на разрыв сравним со сталью (плотность иттрия вдвое меньше).
• Плюс образование при нагреве на воздухе поверхностной пленки. Она делает химически активный металл неуязвимым к окислению до 999°C.

Предел прочности, температура плавления «нерасползаемость» под нагрузкой делает иттрий конкурентом титана.

• По термостойкости его соперник оксид скандия, но он не востребован из-за дороговизны.

Применение нашлось чистому металлу, соединениям и сплавам иттрия.

Промышленный комплекс

Главный потребитель иттриевых продуктов.

Самая востребованная – керамика:

• Термо. Нагревательные элементы из хромита – лучшие в своем сегменте. Они выдерживают повышенную температуру, агрессивные среды-окислители (воздух, кислород).
• Инфракрасная. Растворенная окисью металла двуокись тория – материал оконец для спецприборов. Вещество пропускает свет, видимый человеком, и инфракрасное излучение. Деформируется с 2208°C. «Оконцами» из него снабжают оптику специального назначения: печи металлургических заводов, космический сектор. Продукт реализуется под брендом «Иттралокс».
• Сверхпроводимая. Это компонент иттриево-медно-бариевой керамики, превращающий ее в сверхпроводник при минус 184°С.

Керамика – это диоксид циркония. Его структура под воздействием оксида иттрия становится стабилизированной даже при обычной температуре.

Другие направления использования:

• Огнеупоры. Нагреваясь, оксид вещества упрочняется. Задействован в выплавке активных металлов (включая иттрий и уран), производстве стаканов для дозированного разлива стали.
• Сварка. Дуэт «вольфрам + иттрий» – материал электродов для дуговой сварки. Соединение с бором входит в состав катодов пушек для вакуумной резки и электронно-лучевой сварки.
• Лигатура. Малая доля металла в алюминиевом проводе повышает порог электропроводности почти на 8%
• Покрытия. Слой иттрия напыляют на компоненты двигателей для уменьшения износа. Это рентабельнее хрома на порядки.
• Светотехника. Сплав с ванадием плюс микродоза европия – люминофор, компонент, создающий красную гамму в цветных телевизорах.

• Бериллид – один из лучших материалов для спутников, ракет, других космических аппаратов.
• Из тетраборида делают стержни атомных реакторов.

Металлом упрочняют жаростойкие нихромы (никель + хром). В результате нагревательную ленту, проволоку используют при более жестких условиях, служит она вдвое – втрое дольше.

Другие сферы

Пользу металла ощутили сферы, не связанные с промышленностью.

Полученные лабораторно гранаты на основе иттрия и алюминия оценены ювелирами и производителями лазеров.

Изотопом иттрия-90 уничтожают онкологию. Соединение с танталом задействовано при производстве контрастного вещества для рентгенологов.

Перспективы

Металл, его соединения, сплавы изучаются на предмет использования при производстве термических электрогенераторов с КПД под 90% и как материал двигателей ракет, работающих на ядерном топливе.