Вчера - 25 сентября в Москве стартовал международный форум WorldAtomicWeek. Это крупнейшее мероприятие госкорпорации "Росатом" собрало представителей разных стран от Бразилии до Китая и Мьянмы. Форум приурочен к 80-летию атомной промышленности и посвящён атомной и смежным отраслям.
Перед посещением форума я, благодаря читателям и подписчикам канала, собрал ряд вопросов, за ответами на которые и отправился на форуме. В список вопросов вошли текущее состояние высокомощных плазменных двигателей (ВПД) и ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ). Обе разработки планируется использовать для космических полётов, в том числе на спутник Земли - Луну и на красную планету Марс.
Высокомощный плазменный двигатель.
За информацией о плазменном двигателе я обратился к специалистам Троицкого института Росатома, в котором прототип действующего аппарата уже собран и готовится пройти испытания в динамическом вакууме. То есть в специальной капсуле объёмом 150 кубометров из которой во время работы двигателя насосы откачивают рабочее тело - водород. Так создаётся имитация космического вакуума. Специалисты института меня перенаправили к своему непосредственному начальнику и куратору проекта - директору направления научно-технических исследований и разработок ГК "Росатом" Ильгисонису Виктору Игоревичу.
Виктор Игоревич пояснил принцип работы плазменного двигателя. В рабочей камере двигателя, наполненной газом, установлены два электрода - катод и анод. На них подаётся высокое напряжение. В результате газ ионизируется и переходит в состояние плазмы. Далее под действием магнитного поля, плазма ускоряется и возникает тяга.
Виктор Игоревич объяснил, что небольшие модели плазменных двигателей используются давольно давно. Их применяют для корректировки положения искусственных спутников Земли. Для решения более сложных задач, например, перемещении в космосе больших рабочих станций или космических пилотируемых аппаратов на более дальние расстояния потребовалось создать более мощный двигатель.
Сейчас ведётся очень много разговоров о полётах на Марс или о создании лунной станции. Именно здесь новая модель плазменного двигателя и пригодится. Скорость перемещения при использовании такого двигателя на полтора порядка (то есть в 15 раз) превосходит обычный химический. Химические двигатели - это те, которые используются сейчас.
На мой вопрос - откуда возьмётся электричество для работы двигателя? Виктор Игоревич пояснил, что для этого достаточно обычных солнечных панелей. А как же ЯЭДУ? - спросил я. ЯЭДУ здесь вообще ни при чём. По словам научного руководителя, мощность двигателя составляет всего 100 кВт.
Мощность двигателя меня очень изумила и я недоуменно высказался, что это сравнимо с 50-ю двухкиловатными чайниками. Но оказалось, что так и есть на самом деле.
Для сравнения, российский модуль МКС потребляет всего 6 кВт. Поэтому, чтобы добраться до Марса за 60 дней нужен только газ, солнечные панели и плазменный двигатель по мощности сравнимый с 50-ю чайниками. При этом надо не забыть взять с собой запасные электроды. Плазма очень агрессивная материя и вызывает эрозию, буквально "выбивая" частицы электродов. Отчего те со временем разрушаются. Электроды созданы из сверхпрочных сплавов и им придали определенную геометрическую форму, снизив воздействия плазмы. Но это всё равно не исключает периодическое обслуживание и замену.
Двигатель после вакуумных (ресурсных) испытаний отправится на стенд Роскосмоса проходить вибрационные испытания. А к 2030 году буде введён в эксплуатацию.
На форум плазменный двигатель не привезли, потому что его готовят к испытаниям. Однако, пару плазменных двигателей я всё таки увидел, правда на стенде Роскосмоса.
Плазменные двигатели Роскосмоса.
Покинув лекционный зал за ответами о плазменных двигателях я отправился на выставку достижений атомной промышленности. Среди массы стендов отдельный зал занимает Роскосмос. Здесь представлены две модели двигателей. Первая - холловский двигатель (двигатель на эффекте Холла, стационарный плазменный ракетный двигатель, СПД). Второй - ионный двигатель. Мощность первого составляет 50 кВт, второго - 80 кВт.
Очень интересно было узнать, что тестируемый в Росатоме плазменный двигатель заказал Роскосмос, а два плазменных двигателя по заказу Росатома, разработали в АО ГНЦ "Центр Келдыша" (входит в Роскосмос).
Принцип их работы точно такой же, как и у разработки Росатома - катод, анод, напряжение, магнитное поле, плазма и тяга. Но у двигателей Роскосмоса есть пара слабых мест.
Для холловского двигателя, напоминающего чашу в центре которой расположен цилиндрический сердечник, проблемой также является эрозия. Здесь из-за неё разрушается керамическая внутренняя облицовка (ниже на снимке жёлтого цвета).
Для ионного проблема связана с разрушением композитной сетки. Эта сетка прикрывает камеру двигателя. Ячейки сетки также имеют определённую геометрическую форму и размер, чтобы испытывать наименьшую нагрузку при работе двигателя.
Однако, как пояснил специалист Роскосмоса, волокна углеродного композита через некоторое время начинают "распушаться", в результате образуется электрическое поле. А это препятствует нормальной работе двигателя.
Таким образом, у двигателей Роскосмоса два вида расходных материалов - композитная сетка и керамическая облицовка. Они тоже требуют периодического технического обслуживания.
Зачем же тогда нужна ядерная энергодвигательная установка, если для работы плазменных двигателей не требуется много энергии?
ЯЭДУ - когда ждать релиз?
От представителя Роскосмоса я получил вполне однозначный ответ. Во-первых, пока нет таких задач, чтобы ЯДЭУ была нужна, точнее - себя окупала. Вот когда будем совершенно точно строить базу на Луне, тогда и пригодится. Возникнет необходимость доставлять к месту строительства грузы, а сама база должна быть запитана от атомного энергоблока, которым может стать ЯЭДУ.
Во-вторых, международная политика опасается использования ЯЭДУ из-за возможных аварий на старте. Взрыв ЯДЭУ - это непоправимая трагедия всемирного масштаба. Фактически - это взрыв атомной бомбы. На мой вопрос - когда же мы полетим строить базу на Луне? Представитель Роскосмоса ответил шуткой: "вот когда там нефть найдут, тогда и полетим".
Подведём итог.
Мини-плазменные двигатели есть со времён СССР и вполне себе работают. Более мощные двигатели уже созданы. К 2030 будет введён в эксплуатацию новый высокомощный плазменный двигатель способный за 60 дней доставить космический аппарат на Марс. ЯЭДУ пока на паузе по причинам отсутствия финансово окупаемых задач.
Статья подготовлена в рамках проекта Дзен "Неделя атомной промышленности (WAW) в Москве".