Космические двигатели будущего - Александр Дмитриев

МГД-двигатель транспортного космического корабля с площадью поперечного сечения, равного площади поперечного сечения ракеты-носителя «Сатурн-5», имеет впереди приемник лазерного излучения, за ним кольцевой воздухозаборник. Из воздухозаборника воздух попадает в ионизационную камеру, где под воздействием лазерного излучения ионизуется и превращается в плотную плазму. Основная часть лазерного излучения не поглощается в образовавшейся плазме, а отражается на стенки, вдоль которых размещены преобразователи лазерного излучения в электрический ток. Вырабатываемая электроэнергия используется для создания тяги, подобно тому, как это делается в торцевых плазменных двигателях: плазма ускоряется силой, возникающей в результате взаимодействия электрического тока с собственным магнитным полем. Струя плазмы, вылетающая из двигателя, создает реактивную тягу.

Анализ рабочих параметров проводился применительно к величине орбитальной массы транспортного космического корабля 22 т: ток 360 кА — на уровне Земли, 600 кА (максимум) — при максимальной тяге для скорости полета 500 м/с и при орбитальной скорости 280 м/с, скорость истечения реактивной струи заряженных частиц несколько сотен метров в секунду у Земли и 460 км/с на орбите. Мощность лазерного излучения быстро возрастает до 1,35 ГВт при разгоне космического корабля до достижения скорости полета 750 м/с, а со скорости полета порядка 1,5 км/с линейно растет до 3,75 ГВт на скорости орбитального полета.

Электромагнитный резонаторный двигатель. В отличие от ранее рассмотренных схем двигателей, в этом двигателе отсутствует рабочее тело, вернее, в его роли выступает электромагнитное излучение. Мы рассматривали уже возможность использования давления электромагнитного излучения для создания тяги в системах типа солнечный парус и выяснили, что при использовании даже такого практически неограниченного источника электромагнитной энергии, каким является Солнце, возможное значение тяги составляет несколько килограммсил.

Можно ли рассчитывать на получение заметной тяги за счет давления электромагнитного излучения при использовании искусственного источника излучения (например, лазера или мощного генератора электромагнитных волн СВЧ-диапазона)?

Рассмотрим подробнее процесс создания тяги за счет давления электромагнитного излучения. Пусть на поверхность падает поток электромагнитного излучения с достаточно большой плотностью на единицу площади. Если бы вся эта мощность могла бы быть преобразована в тягу, величина последней при достаточно развитой поверхности приема излучения могла быть значительной. Однако процесс преобразования энергии электромагнитного излучения в кинетическую энергию космического аппарата обладает той особенностью, что только крайне незначительная часть падающей энергии (а именно W/c, где W — поток энергии; с — скорость света) преобразуется в кинетическую энергию космического аппарата.

Остальная часть энергии снова безвозвратно уходит в космическое пространство. Если бы эту энергию удалось заставить многократно падать на одну и ту же поверхность, существенно можно было бы повысить эффективность преобразования энергии электромагнитного излучения в кинетическую энергию движения космического аппарата. Эта идея реализуется в электромагнитном резонаторном двигателе.

Принципиальная схема электромагнитного резонаторного двигателя (ЭМРД) показана на рис. 12. Разгон космического аппарата осуществляется за счет давления электромагнитного излучения в открытом резонаторе, образуемом зеркалами 2, 3, на зеркало космического аппарата.

Накачка электромагнитного излучения источником 1 в резонатор осуществляется через вентиль 4. Давление электромагнитного излучения в резонаторе во много раз превосходит давление излучения источника (за счет накопления электромагнитного излучения в резонаторе). Разгон аппарата продолжается до полного затухания электромагнитных колебаний в резонаторе после выключения источника 1. При отсутствии бокового рассеяния и потерь в зеркалах и среде энергия электромагнитных колебаний должна полностью переходить в кинетическую энергию космического аппарата.

Двигательная система предполагает наличие у неподвижного источника и космического аппарата строго-ориентированных относительно друг друга зеркал. Это позволяет многократно использовать импульс волн, отражающихся попеременно от каждого зеркала, для увеличения импульса космического аппарата. Именно за счет многократного использования импульса фотонов, передающих малую долю всей энергии космическому аппарату при каждом отражении от его движущегося зеркала, достигается высокий коэффициент преобразования энергии электромагнитных колебаний в кинетическую энергию аппарата, что является серьезным преимуществом ЭМРД перед другими типами двигателей, использующих для создания тяги давление электромагнитного излучения. Вместе с тем следует отметить огромные технологические трудности, которые предстоит преодолеть в случае реализации этой схемы.

Рис. 12. Принципиальная схема электромагнитного резонаторного двигателя: 1 — источник электромагнитного излучения, 2 — зеркало наземной установки, 3 — зеркало летательного аппарата 4 — вентиль, 5 — космический аппарат

Анализ схемы ЭМРД показывает, что основные параметры двигательной системы определяются характеристиками зеркал, источника излучения и точностью взаимной ориентации стационарной установки и космического аппарата. В свою очередь, эффективность ЭМРД определяется прежде всего максимальным удалением аппарата d, на котором коэффициент преобразования еще достаточно велик. Можно показать, что максимальный КПД передачи мощности между двумя зеркалами посредством электромагнитного излучения зависит только от параметра τ: τ = λd/R1R2, где R1R2 — размеры зеркал. Для τ < 1 КПД передачи может быть равным практически 100 %. С увеличением расстояния эффективность ЭМРД резко падает, как только перестает выполняться это условие.

Требования к КПД передачи достаточно жесткие. Так, например, при полном КПД системы 10 % минимально допустимый коэффициент полезного действия передачи составляет 99,9 %. Отметим, однако, что 10 % очень высокое требование к полному КПД системы. В традиционной схеме выведения космического аппарата на орбиту с использованием ЖРД полный КПД преобразования химической энергии топлива в кинетическую энергию космического аппарата составляет всего 2–3 %. Поскольку в случае ЭМРД источник энергии находится вне космического аппарата, вполне допустимо даже некоторое уменьшение полного КПД преобразования по отношению к этому значению.

Сверхвысокочастотные реактивные плазменные двигатели. Ранее обсуждались двигательные схемы на основе внешних источников электромагнитного излучения, в основном использующие лазеры в качестве генератора. Соответственно этому излучаемые частоты этих типов генераторов лежат в инфракрасном и видимом диапазонах. Длины волн, соответствующие этим частотам, варьируются от 0,3 до 15 мкм, и хотя размеры антенн, необходимые для формирования лучей с малой расходимостью, составляют сотни тысяч и даже миллионы длин волн, абсолютные размеры не превосходят нескольких метров.

Возможность реализации мало расходящихся пучков при относительно небольших размерах антенн является одной из причин пристального внимания к видимому и инфракрасному диапазонам длин волн, а в перспективе к ультрафиолетовому и рентгеновскому излучениям с целью реализации двигательных систем, основанных на внешних источниках энергии. Однако исторически сложилось так, что предложения по использованию электромагнитного излучения для создания тяги были связаны с СВЧ-излучением. И очень может быть, что несмотря на ряд преимуществ оптического и инфракрасного диапазонов первоначальная реализация двигателей с внешними (искусственными) источниками энергии будет осуществлена в СВЧ-диапазоне.

Одной из возможностей преобразования энергии СВЧ-диапазона в энергию силы тяги является введение СВЧ-мощности в высокоионизированную плазму на частоте циклотронного резонанса (т. е. на частоте, с которой вращаются электроны вокруг линий магнитного поля). При совпадении частоты СВЧ-излучения и частоты циклотронного резонанса происходит интенсивная передача энергии электромагнитной волны электронам плазмы. В процессе столкновений между электронами и ионами часть энергии электронов передается ионам, в результате температура плазмы повышается, а СВЧ-излучение, проходя через нее и отдавая энергию, затухает. Требуемое магнитное поле В создается во внешней части ускорителя.