В предыдущих статьях «Ворота в дальний космос открыты» и «Двигатель для глубокого космоса» автор доказал принципиальную возможность ускорения космических кораблей без потери части их массы. Была представлена теория рекуперационных двигателей, а также две конструкции таких двигателей. В рекуперационных двигателях газ работает в замкнутом цикле и используется снова, снова и снова. Рекуперационные двигатели снимают ограничения скорости и дальности полета космических аппаратов, которые сегодня обусловлены необходимостью перевозки топлива.
В предыдущей статье я обещал представить еще одну из разновидностей рекуреационых двигателей. И это будет сделано. Но. Опять это НО. ))) Но действительно, я не имею права не рассказать об этом человеке и его значении для цивилизации. В конце концов, именно пример его беспримерного служения человечеству, и его целеустремленность заставили меня встать с дивана и написать цикл статей о рекуперационных двигателях. Вильям Эллиотт, когда ты будешь читать эту статью, прими мою благодарность.
Это история начала экспансии человечества в дальний космос, и история из первоисточника.
В предыдущей статье «Двигатель для глубокого космоса» я сказал, что рекуперативные приводы не основное направление моих разработок. И это действительно так. Теория рекуперативных двигателей появилась как побочный продукт, в процессе исследований на совершенно другую тему. Возможно, когда-нибудь я найду время рассказать Предысторию теории рекупаративного движения, но это не тема данной статьи.
А История Теории Рекуператовного Движения такова. Сформировав, в процессе работы над другим проектом, общие принципы теории рекуперативного движения я начал искать возможности подтвердить теорию экспериментом. Эксперимент должен был наглядно показать возможность изменения кинетической энергии тела без взаимодействия с другими телами, за счет преобразования одного вида энергии в другой. И никакого конфликта с Ньютоном. Ведь рекуперационный двигатель является ТЕЛОМ с точки зрения Ньютоновской механики только в первом приближении. В реальности это система взаимодействий тел и процессов преобразования энергии.
В условиях крайне скудного бюджета и ограниченного времени родились пол дюжины вариантов конструкций рекуперационного двигателя. В жестких рамках возможностей только с Турбо-компрессорной версией мог быть поставлен эксперимент. Поставить эксперимент ни с хомико- восстановительном ни с термо-реактивным ни с другими вариантами рекуперационного двигателя шансов у меня не было. Эксперимент дал стабильный положительный результат. После подтверждения теории я потерял интерес к этой теме и вернулся к другим проектам. И вы представить себе не можете мое удивление, когда алгоритмы YouTube выдали в рекомендациях видео, на заставке которого я увидел рекуперационный двигатель Турбо-компрессорного типа. Оказалось, что за много – много лет до того, как мне пришла в голову идея о рекуперационных двигателях, изобретатель из Чили уже создал действующий прототип рекуперационного двигателя Турбо-компрессорного типа. Имя этого человека Вильям Эллиотт. Мы стали обмениваться идеями и личными сообщениями. Многие годы вместе с сыном и единомышленниками он создавал будущее космонавтики. И я не могу назвать результат их титанического труда иначе кроме как Двигатель Эллиотта. Elliott Drive и ни как иначе.
Elliott Drive
Elliott Drive относится к рекуперационным двигателям Турбо-компрессорного типа. В Elliott Drive, как и в других рекуперационных двигателях Турбо-компрессорного типа, рабочее чело получает энергию не в результате нагрева, а в результате механического воздействия. Устройствами, выполняющими полезную работу в таких двигателях, служат турбины, компрессоры, вентиляторы и другие нагнетатели газа. Рассмотрим работу рекуперационных двигателей Турбо-компрессорного типа на примере Elliott Drive.
На схеме вы видите герметичную емкость, заполненную газом, в которой расположен толкающий пропеллер на валу электродвигателя. При включенном электродвигателе пропеллер толкает электродвигатель с силой R в одну сторону, а газ с силой –R в другую.
Если бы вся сила -R передавалась бы через газ на правую стенку, то она бы уравновешивала силу R, передаваемую электродвигателем через кронштейн на левую стенку. Для наглядности обратите внимание на площади заштрихованных областей.
Но прямому воздействию потока газа от пропеллера на правую стенку препятствует газ, заполняющий емкость. В результате чего мы имеем зону повышенного давления между пропеллером и правой стенкой. А давление в газе распределяется равномерно во все стороны.
Энергия, затраченная пропеллером на поддержание давления между ним и правой стенкой равна энергии передаваемой на левую стенку. При этом на левую стенку она передается полностью без потерь. А вот правая стенка принимает только часть этой энергии, пропорциональную её части площади поверхности ограничивающей зону повышенного давления.
Давление на противоположных стенках взаимно компенсируется, и его энергия рассеивается в пространстве.
Разница между давлением, получаемым левой стенкой через кронштейн и правой стенкой поучаемым через газ, создает силу, которая двигает всю систему влево. Эта сила и создает тягу рекуперационного двигателя.
Также как и для других типов рекуперационных двигателей для Elliott Drive действует правило – чем больше площадь рассеивающей поверхности, тем выше КПД двигателя. Или иными словами, чем длиннее баллон, тем сильнее тяга при тех же затратах энергии. Elliott Drive, также как и другие рекуперационные двигатели нуждается в охлаждении, хотя и в меньшей степени. И также должен быть экранирован от солнца, чтобы не допускать перегрева. К особенностям Elliott Drive нужно отнести пониженное давления в зоне захвата газа пропеллером и движение газа вдоль стенок вблизи этой зоны. Понижение давления рядом с левой стенкой снижает эффективность работы двигателя из-за уменьшения компенсационного давления на неё. И это негативный эффект усиливается по закону Бернулли. Поэтому при проектировании необходимо обеспечить достаточный зазор между пропеллером и стенками баллона. А также отодвинуть пропеллер на достаточное расстояние от левой стенки. Расстояние на которое надо отодвинуть пропеллер сегодня можно определить только экспериментально. И на схеме Elliott Drive вы можете заметить выступающую часть кронштейна крепления электродвигателя. Это направляющая, которую проектировщик должен предусмотреть для перемещения электродвигателя на стадии экспериментов.
Тип нагнетателя также подбирается экспериментально. Во многих экспериментах многолопастной вентилятор показал лучшие результаты, чем пропеллер. Наибольшую наглядность имеют эксперименты с использованием компьютерных кулеров, запитанных от блока питания системного блока.
Elliott Drive обладает рядом преимуществ перед другими рекуперационными двигателями.
· В первую очередь это простота конструкции.
· Не менее важно и то, что все элементы конструкции уже имеют отработанные технологии изготовления и выпускаются промышленностью в широком ассортименте.
· Малый вес.
· Широкий диапазон размеров.
· Быстрое изменение и точная регулировка мощности.
· Поворот относительно всех трех осей.
· Надежность.
· Продолжительность работы
· Пониженные требования к охлаждению.
· Включение и выключение без дополнительных процедур.
· Простота проектирования.
· Высокая ремонтопригодность.
· Легкая замена.
· Безопасность хранения и эксплуатации.
· Реверс.
· Универсальность.
К недостаткам можно отнести необходимость компенсации вращательного момента, возникающего при включении двигателя и гироскопические эффекты вращающихся частей. Однако эти недостатки не являются критическими, будут учтены при проектировании, и в процессе эксплуатации возможно даже станут преимуществами. А для их устранения уже есть технические решения. Также к недостаткам можно отнести ограничения мощности, характерные для механических нагнетателей типа турбины, пропеллера и компрессора. Но они хорошо компенсируются соотношением мощность / масса. Современный технологический уровень позволяет вычеркнуть это из списка недостатков.
Простота конструкции сделает применение Elliott Drive по настоящему массовым. А доступность комплектующих дешевым. Малый вес позволит оснастить Elliott Drive каждый спутник, выводимый на орбиту. Сроки службы космических аппаратов увеличатся на порядки. Любой спутник сможет скорректировать свою орбиту. Земля наконец то сможет очистить от мусора околоземные орбиты. Группа автономных спутников оснащенных Elliott Drive и Гаусс катапультой сбросит весь космический мусор с орбиты. И при этом заставит всё это упасть в заранее заданных районах.
На сегодняшний день опыты подтвердили возможность широкого изменения размера и мощности Elliott Drive. Были получены положительные результаты и с моделями объемом менее 5 литров, и более 2 кубометров. Думаю это далеко не предел. Elliott Drive может быть использован и как маршевый двигатель и как маневровый для космических кораблей любого типа.
Космические расстояния требуют высочайшей точности направления и величины импульсов, получаемых космическими аппаратами. Elliott Drive позволяет очень точно регулировать мощность и время работы. Дополнительная точность навигации обеспечивается отсутствием изменения массы космического корабля в результате расхода топлива. Независимость Elliott Drive от топливных магистралей позволяет ему поворачиваться под любым углом к месту крепления. Космический аппарат может быть ориентирован под любым углом к двигательной установке. Это открывает широкие возможности для выбора направления приборов на борту.
Современные двигатели космических аппаратов имеют ограниченный ресурс, а их надежность вызывает много нареканий. Детали Elliott Drive имеют глубокую инженерную проработку. Прошли испытания в самых разных условиях эксплуатации. Интенсивно используются нашей цивилизацией и имеют ресурс в сотни тысяч моточасов. Мы доверяем электродвигателям и турбинам не только ценные грузы, но и свои жизни. Для освоения глубокого космоса нужны двигатели, которые могут стабильно работать на протяжении всего полета. Надежные как Elliott Drive.
Все рекуперационные двигатели требуют охлаждения. Уже известные вам двигатели Химико-восстановительного и Термо-реактивного типа могут развивать большую мощность. Но они очень требовательны к системе охлаждения. Это усложняет и утяжеляет конструкцию, что во первых снижает итоговую тягу двигателей, а во вторых делает их менее надежными и более уязвимыми перед опасностями открытого космоса. Термозащита Elliott Drive в разы проще надежнее и легче.
Как для запуска, так и для останова Термо-реактивного или Химико-восстановительного двигателя необходимо соблюдать строго определённой порядок действий. Эти действия выполняются вспомогательными механизмами. Все эти процессы занимают определенное время и несут в себе риски поломки оборудования. Для запуска Elliott Drive в очень редких случаях может понадобиться прогрев газа в баллоне до рабочей температуры. И для этого достаточно электронагревателя на внутренней стороне баллона. Такая потребность может возникнуть после длительного пребывания неработающего Elliott Drive в тени. В других условиях Elliott Drive стартует без дополнительных процедур. Останов же вообще не выдвигает каких либо требований.
Elliott Drive состоит из следующих обязательных частей: Баллон с газом, расположенная внутри него турбина и закрепленный снаружи солнечный отражатель. Также на баллоне имеется кронштейн для крепления и электрический разъем. Снабжать баллон газовым штуцером или нет, конструктор решает исходя из условий монтажа и эксплуатации. Сегодня нужны эксперименты для того, чтобы оптимизировать параметры Elliott Drive для каждого конкретного случая. Но я уверен, что очень скоро появятся таблицы, которые будут содержать сведения об оптимальных параметрах баллонов, турбин и давления газа для Elliott Drive. Это значительно упростит проектирование. Однако для конструкторов всё равно останется место для творчества. Главным вопросом станет доставлять ли двигатель на орбиту в полностью собранном виде, или окончательную сборку делать на орбите. Места в космосе много, а вот на ракете места ограничены, и пустые баллоны возить не всегда рационально. Как вариант, баллон может быть изготовлен из эластичных материалов и надут на орбите.
По моему скромному мнению оснащать космический корабль одним мощным двигателем – не очень хорошая идея. Метеоры имеют очень большие скорости. И хотя встреча с ними явление довольно-таки редкое, но такой снаряд выведет двигатель из строя. Для пилотируемых миссий такая ситуация неприемлема. С точки зрения безопасности правильнее будет использовать несколько двигателей меньшей мощности. Выход одного – двух двигателей не станет окончанием миссии. Но что не менее важно, поврежденные баллоны Elliott Drive можно будет перенести внутрь космического корабля, отремонтировать и установить на прежнее место. Конструкция Elliott Drive позволит проводить ремонт в полете или на орбите, что положительно скажется на безопасности.
Простота снятия и установки Elliott Drive делает легким не только ремонт, но и модернизацию космических кораблей. Эти двигатели не требовательны к условиям хранения, не представляют опасности при длительном хранении и всегда готовы к немедленной установке. В них не используются опасные вещества, а их малый вес облегчает транспортировку и монтаж.
Возможно кто то уже заметил, что если вращать турбину в обратную сторону, то Elliott Drive будет работать в режиме реверса. Это будет не так эффективно, но возможность затормозить, не меняя ориентации космического аппарата очень важна при стыковке. Кроме того, для работы вблизи космических объектов могут быть использованы Elliott Drive специально сконструированные с одинаковой тягой в обе стороны.
Универсальность Elliott Drive делает его лучшим кандидатом на место главного двигателя космических аппаратов в ближайшем будущем. И малые спутники и орбитальные станции, так же как исследовательские миссии в дальний космос и грузопассажирские корабли к другим планетам будут оснащены Elliott Drive. Внимательно изучив изложенные здесь последовательности хорошо изученных физических явлений, вы получите новое понимание физики. Это понимание вдохновит тысячи инженеров на создание рекуперативных приводов самых разных конструкций. И в результате откроет человечеству врата в дальний космос. Многочисленные исследователи создадут основу для коммерческого успеха новых и новых покорителей космоса. Но Вильям Эллиотт и его команда уже сделали шаг в неизвестность. При обильном финансировании и удачном стечении обстоятельств другие группы исследователей могут пройти их двадцатилетний путь за 7-8 лет. Но на сегодняшний день существует только лишь одна команда способная в течение года подготовить первый Elliott Drive к работе в космосе.
В следующей статье «Ключ на старт» вы узнаете о подготовке Elliott Drive к запуску на орбиту.
Владимир Криворотько
Луганск 19.09.2022