Космические двигатели третьего тысячелетия

Достижения в освоении космического пространства зависят от уровня развития двигательных систем. Определяющим фактором эффективности двигателей космических аппаратов, являются их энергетические характеристики. По виду используемой энергии двигательные установки подразделяются на четыре типа: термохимические, ядерные, электрические, солнечно-парусные. В настоящее время основой космонавтики являются мощные термохимические двигатели. Электрические и ядерные установки находятся на стадии развития, и в будущем смогут найти широкое применение в космической технике. То же можно сказать и о солнечно-парусных двигателях и других перспективных силовых установках.

В данной статье рассматривается новый тип двигателей, работающих на кинетической энергии космического аппарата (или встречного потока вещества, в зависимости от выбора системы координат). Принцип действия двигателя основан на захвате и торможении встречного потока вещества. Захваченное вещество попадает внутрь двигателя. В результате его торможения, выделяется энергия. Часть этой энергии, тем или иным образом, может быть использована для ускорения бортовых запасов реактивной массы. При определенных условиях, реактивная сила тяги превышает силу торможения, и космический аппарат увеличивает скорость полета. Скорость космического аппарата возрастает, а его масса, импульс и кинетическая энергия уменьшаются (в соответствии с законами сохранения).

Возможны различные варианты двигательных установок нового типа. Например, кинетический двигатель, в котором происходит непосредственное преобразование части кинетической энергии встречного потока газа в энергию рабочего тела. Этот двигатель состоит из следующих, объединенных в одно конструктивное целое частей:

массозаборника, и диффузора, для торможения захваченного газа;

камеры, в которой нагретый, вследствие торможения, до очень высокой температуры газ смешивается с рабочим телом;

реактивного сопла, через которое, расширяясь, истекает полученная смесь.

Кинетический двигатель может использоваться при полетах в атмосфере планет-гигантов. Предположим, космический аппарат летит в верхних слоях атмосферы Урана, со скоростью 20км/с. Космический аппарат находится в аэродинамической тени раструба массозаборника. Через массозаборник, внутрь двигателя попадает 1кг водорода. Его кинетическая энергия 200тыс.кДж, импульс 20тыс.кг∙м/с. КПД двигателя 70%. В результате торможения захваченного газа, его кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию. Чтобы получить максимальную удельную тягу, расход рабочего тела должен составлять 2,422кг. Раскаленный водород смешивается с рабочим телом, и образовавшаяся смесь в количестве 3,422кг, истекает через реактивное сопло. Ее кинетическая энергия 140тыс.кДж, скорость истечения 9045м/с, импульс 30955кг∙м/с. Если разницу импульсов (10955кг∙м/с), разделить на расход рабочего тела (2,422кг), получим эффективную скорость истечения 4523м/с. Если разделить эффективную скорость истечения на коэффициент 9,81м/с², получим удельную тягу 460с.

Эффективность массозаборника значительно увеличится, если снабдить двигатель источником магнитного поля (соленоидом). Движение частиц плазмы поперек силовых линий магнитного поля затруднено, и магнитное поле играет роль воронки, направляющей потоки заряженных частиц в двигатель. В результате, эффективное сечение массозаборника может возрасти в тысячи раз. Кроме того, появится дополнительный энергетический эффект. Магнитная воронка играет роль своеобразного фильтра, направляя в двигатель лишь обладающие значительной энергией ионизированные частицы. Внутри двигателя ионизированный газ смешивается с рабочим телом. Происходит торможение и рекомбинация захваченных частиц, выделяется значительное количество тепла. Таким образам, бортовые запасы рабочего тела будут нагреваться не только за счет кинетической энергии захваченного газа, но и за счет его химической энергии. Поскольку, образовавшаяся газовая смесь состоит в основном из нейтральных частиц, магнитное поле двигателя не будет препятствовать ее истечению через реактивное сопло.

Кинетический двигатель, оснащенный магнитной воронкой, может использоваться при полетах в атмосфере планет земной группы. На высоте около 300км над Землей, концентрация ионизированных частиц достигает максимального значения (примерно 1млн ионов кислорода в 1см³). Для захвата ежесекундно 1кг плазмы, при скорости полета 8км/с, нужна магнитная воронка диаметром около 110км. Создание такой воронки, связано с определенными трудностями. Впрочем, плотность плазмы значительно возрастает в периоды активности Солнца. Кроме того, можно применять искусственные источники плазмы. Во многих случаях, достаточно использовать магнитную воронку значительно меньшего диаметра.

Другое по технологическим наукам

До полной ocтановки
Говорите, тормоза придумали трусы? Что ж, хвала им, быстро сообразившим, что даже гужевой повозке, если, конечно, запрячь в нее не пару флегматичных волов, а четверку бодрых скакунов, просто необходимо какое-то приспособление для быстрой остановки. Тормоза первых автомобилей были построены по г ...