Ещё осенью 2019-го года промелькнули сообщения, что российские инженеры предложили ДВА новых типа двигателей для перемещения в космосе. Революции в скорости никто не обещал, но сообщения об ожидаемых КПД были обнадёживающие.
Увы, потом наступила тишина. Номера обоих патентов были доступны и теория смотрелась неплохо, но вестей об успехах не было.
И, те кто был в теме, разделились.
Одни решили, что это были очередные прожекты без последствий.
Другие ванговали, что это было просто преждевременное сообщение и работы ведутся втихую, а болтливые торопыги (возможно) получили "по-шапке" ;)
И вот, наконец появилась хорошая новость об одном из проектов - об испытаниях первой модели магнитоплазмодинамического двигателя.
Это уже не теория - вот кадр с первых испытаний:
Пояснение для тех, кто не в теме
(Сведущие сразу могут прокрутить вниз, к самой новости)
Для выхода на орбиту с поверхности Земли по-прежнему нужны ракеты. И так будет ещё очень долго. А вот, на чём летать в межпланетном пространстве - большой вопрос.
Обычные жидкостные двигатели хороши тем, что быстро разгоняются. Но, развиваемые ими итоговые скорости слишком малы для быстрых перелётов от планеты к планете. Путь до Марса занимает больше полугода в лучшем случае - за это время космонавты получат довольно высокую дозу радиации (привет StarShip-у Илона Маска).
Станция "Кассини" летела к Сатурну почти 7 лет...
Нужно сокращать время полёта.
Одно из решений - российский космический ядерный буксир "Нуклон". Это ядерный электрогенератор, который запитывает электрические двигатели. Да, установка в целом всё равно "реактивная", но её КПД в разы выше, чем у обычных ракет. При той же массе топлива, мы получаем более высокую скорость в итоге.
Но, одно из ограничений "Нуклона" - малая тяга движков. Да, при полёте к Юпитеру, он обгонит "обычную" ракету. На расстояниях до Марса выгоды уже практически нет. А, до Луны он и вовсе будет лететь аж 200 дней (хотя, для беспилотника с полезной нагрузкой 10 тонн это не так плохо).
В итоге, Россия спроектировала энергоустановку в 480 кВт. Но, один из важнейших вопросов - увеличение тяги двигателей - остался. Самые лучшие ионные двигатели имеют тягу, с трудом дотягивающую до 1 Н (ньютона)...
Вот об этих конечных двигателях и идёт речь. "Нуклону" нужны новые технологии электрических "приводов".
Ионные движки близки к своему пределу - сейчас тяга лучшего из них - всего 1,5 Н. Теоретически, могут сделать ещё раза в два больше. Дальше - тупик.
Магнитный плазмодинамический двигатель
На этом фоне очень интересно сообщение, что российская компания «СуперОкс» представила данные об испытаниях первой версии своей силовой установки с использованием сверхпроводящих магнитов. Насколько можно понять, это промежуточный итог трёхлетней работы. Сообщается, что в работе также принимала участие кафедра физики плазмы НИЯУ МИФИ.
Статья об этом была опубликована в британском журнале Journal of Physics в декабре 2020 года. Посмотрите источник на английском - буду признателен за уточнения.
Кому лень - может посмотреть новость на русском на сайте самой компании.
Вообще, двигатель на этом принципе был предложен нашим изобретателем Ю. В. Кубаревым в 1958 году (работы под его руководством велись ещё недавно в Воронежском ОАО КБХА).
Так что, неверно говорить о новом типе двигателя в теоретическом смысле.
Но, с точки зрения практики, вполне можно говорить о новинке. Потому что рабочего образца ещё не было ни у кого. Так, в 2014 году Кубарев обмолвился в одном интервью, что американская опытная установка "никуда не полетит, слишком тяжёлая" - изобретателю точно виднее было :).
Эти установки должны обеспечивать скорость истечения рабочего тела от 15 до 60 км/с, а по последним данным до 110 км/с и более. Это в 25 раз выше, чем в жидкостных реактивных двигателях (~4 км/с у водородных).
В двух словах: для создания тяги в этом двигателе используется сила Лоренца (сила, действующая на заряженные частицы электромагнитным полем). В статье также говорится, что это магнитоплазменные двигатели имеют потенциал тяги до 200 Н (правильно ли я перевёл это место? - уж больно хорошо звучит...).
Хотя, зам. ген. директора ЗАО «СуперОкс» Алексей Воронов был более осторожен, сказав, что:
«Разработанная технология позволяет проектировать двигатель с реактивной тягой вплоть до 5 Ньютонов и более без потери качества преобразования энергии. Этот результат стал возможен только благодаря высокому магнитному полю в нашем двигателе, которое создается магнитом из высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП)»
Сейчас испытан только лабораторный опытный образец, который развил мощность почти в 1 Н при мощности установки ~30 кВт.
Не впечатлило? Тогда ещё раз вспомните, что это пока только опытный образец, но он уже сравнялся с хорошими ионниками, которые развиваются много лет... есть над чем подумать и помечтать :)
(наш ИД-500 развивает 0,35-0,75 Н при чуть большей потребляемой мощности)
Приведу цитату из статьи с более точными данными:
Средние данные с расходом топлива (аргона) 20, 15 и 10 мг/с составляют 1,22, 1,34 и 1,75 кДж/мг.
Максимальная расчетная тяга достигается 850 мН при 50 мг/с. Наилучший полученный удельный импульс равен 3840 с при 10 мг/с. Максимальные получаемые значения тяги при заданной тяге расход топлива 48 мН / кВт при 50 мг / с.
Получена максимальная мощность дуги составляет 27,5 кВт при 20 мг/с.
Наилучшая достигнутая эффективность катода диаметром 10 мм составляет 54% при 15 мг/с при тяге 554 мН и удельном импульсе 3763 с при 18,9 кВт (450 А, 42,1 В) при 29,3 мН / кВт и 1,3 кДж / мг.
Кому мало данных - читайте статью.
Что сказать, пока не густо, но для начала очень даже прилично.
Даже если в итоговых рабочих изделиях будут всего лишь заявленные 5-6 Н, - это в 3-4 раза лучше того, что могут обеспечить лучшие ионники... Лиха беда - начало :)
И ещё об одном. В двигателе применены сверхпроводники. А это означает уменьшение массы магнита в 4 раза по сравнению с медными магнитами в современных электрореактивных двигателях.
Меньше масса - выше ускорение, быстрее долетим!
Думаю, что именно об этих движках говорилось в ТЗ на Нуклон - если мне не изменяет память, там шла речь именно о плазменных двигателях, а не об ионниках.
Два вопроса...
Первый - как обеспечат низкие температуры для сверхпроводников? Принято считать, что в космосе холодно, но не достаточно (и не забудем, что вакуум - лучший теплоизолятор). Значит, будет криогенная установка, а это дополнительный груз, снижение надёжности и т.д.
С другой стороны - материаловеды работают, иногда проскакивают сообщения о высокотемпературных сверхпроводниках... И тут следует заметить, что написано на сайте самой компании:
Компания СуперОкс создана в 2006 году Андреем Вавиловым для разработки технологии производства высокотемпературных сверхпроводниковых проводов 2го поколения – ВТСП-проводов.
Выводы делайте сами. Мне пока ясно одно - явно не новички в этой теме, но об их вовлечённости в космические проекты ничего не знаю.
Второе. В двигателях этого типа используется электроразряд. Значит, есть эррозия элементов конструкции. Специалисты «СуперОкс» говорят, что нашли довольно удачную конструкцию катода:
Говорится, что катод испытывался суммарно 2500 секунд с максимальным непрерывным временем 140 с. В итоге отмечен низкий износ...
Но, это всё частности. Главное то, что износ от электрокоррозии вообще есть - это влияет на срок службы всего двигателя. На Земле электрод - всего лишь быстро заменяемый расходник, а в космосе он становится непреодолимой проблемой.
Это насчёт работы в составе многоразового космического буксира...
В итоге
А в итоге мы имеем ещё один прототип электрического реактивного двигателя. Вдобавок к плазменным и ионным, появился магнитоплазмодинамический. Интересным является применение в нём сверхпроводников, хотя ряд вопросов конечно остаётся.
Пока он не впечатляет, да и не обязан - от первого рабочего образца много ожидать не следует. Его задача - отработать основные принципы работы. Первые автомобили ездили не быстрее лошадей... Но, теория говорила, что они могут гораздо больше - вскоре это и произошло.
Здесь - то же самое. Осталось набраться терпения. И пожелать нашим инженерам успехов! :)
Дорогие друзья, очень нужна ваша поддержка - подпишитесь на канал. Нажмите палец вверх - Вам не сложно, а автору приятно.
Статьи по теме:
Ядерный буксир - разбираем вопросы и заблуждения
"Нуклон": похоже, что Россия "сделает" США в лунной гонке
