НЕСОРАЗМЕРНОСТЬЗАДАЧ И СРЕДСТВПри запусках искусственных спутников Землипостоянно возникает одна и та же ситуация. Спутник выводится на первоначальную,опорную орбиту высотой около 150 километров. Далее его нужно перевестина рабочую орбиту, скажем, геостационарную, на высоту 36 тысяч километров.Для этого включают двигатель, который и производит нужный маневр, проработавнекоторое время. Оценить произведенную им работу можно через понятие такназываемой характеристической скорости. Суть его заключается в следующем.Предположим, что имеются два абсолютноодинаковых аппарата: один, скажем, на орбите возле Земли, другой - в абсолютнопустом пространстве, без полей тяготения и других воздействий. Они одновременновключают двигатели, работающие в совершенно одинаковом режиме. Первый аппаратсовершает маневры, садится на Луну, возвращается и вообще делает все, чтотребуется. А второй движется по прямой, не маневрирует, но его двигательвсе время работает в том же режиме, что и у первого. В конце концов этотаппарат приобретает некую скорость, которая и называется характеристической.Она-то и определяет эффективность двигателя в данных условиях. Посколькудля каждого полета она своя, можно, сделав несложные расчеты, сразу и сбольшой точностью оценить, во сколько обойдется каждый маневр.В 1897 году К. Э. Циолковский вывел длявеличины характеристической скорости несложную формулу:V = w lnM₀/M₁,где w- скорость истечения газов из сопла реактивного двигателя, M₀- начальная масса аппарата, M₁- его конечная масса.

В Политехническом музее Москвыхранится уникальный экспонат - двигательная установка малой тяги с питаниемот солнечных батарей, созданная в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатовапод руководством профессора Алексея Ивановича Морозова. Реактивную тягуэтого стационарного плазменного двигателя (СПД) создает не поток газовили продуктов химической реакции топлива с окислителем, а плазма, разогнаннаяэлектромагнитным полем. Двигатели такого рода предназначены для переходаискусственных спутников Земли с одной орбиты на другую, стабилизации наорбите и других целей. Стационарные плазменные двигателиполучили высокую оценку и за рубежом. СПД - единственная отечественнаяразработка, представленная в отделе космонавтики парижского Дома наукии техники. Доктор физико-математических наукА. Морозов .

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯЭНЕРГИЯВМЕСТО ХИМИЧЕСКОЙЧтобы поднять с Земли и разогнать до первойкосмической скорости огромный космический аппарат, требуются мощности вмиллионы и десятки миллионов киловатт. На этом этапе никаких реальных альтернативреактивным двигателям на химическом топливе пока нет. Но если аппарат ужевыведен на орбиту, им вполне можно управлять при помощи двигателей малоймощности. Они могут поддерживать ориентацию спутника, стабилизировать егона орбите, переводить с одной орбиты на другую.Существует несколько конструкций такихдвигателей. В настоящее время, например, созданы хорошие модели так называемыхэлектронагревных двигателей. Газ - аммиак или гидразин - пропускают черезкатализатор, который его разлагает на молекулы, и нагревают изотопным источникомтепла или электрической печкой. Молекулы имеют гораздо меньшую массу ипри нагреве приобретают более высокую скорость. Но есть и другой путь:получить направленный поток не молекул, а ионов или плазмы, разогнав ихпри помощи электрических и магнитных полей.Путь этот чрезвычайно перспективен. Элементарныерасчеты показывают, что ион водорода, пройдя разность потенциалов 4,5 вольта(напряжение батарейки "Крона" в два раза выше), приобретет скорость 30км/с - гораздо большую, чем может дать химическая реакция. Неудивительно,что в начале 60-х годов, после запуска первого искусственного спутникаЗемли, работы по созданию электрореактивных двигателей развернулись сразуво многих странах, но ведущими оставались СССР и США. В нашей стране былисозданы очень сильные научные коллективы, среди которых особенно выделиласьгруппа из Института атомной энергии. Ей удалось найти интересные научныерешения, благодаря которым мы до сих пор удерживаем лидирующее положениев этой области, а созданные ею стационарные плазменные двигатели (СПД)признаны лучшими в мире.КАК РАБОТАЕТСПДУскорение ионов в полях позволяет получитьскорости, которые решают все проблемы обозримого будущего космонавтики.Оставалось эту принципиальную возможность реализовать в металле. Для этогоесть два пути.Можно взять два электрода и приложить кним постоянное напряжение. Пусть на одном будет напряжение +4,5 вольта,а потенциал второго (катода) будем считать нулевым. Положительный электрод(анод) соединен с ионизатором газа. Ионы, вышедшие из него через отверстиев аноде, начнут ускоряться в электрическом поле, устремляясь к электродус нулевым потенциалом. Если в нем сделать отверстие, ионы пролетят сквозьнего в пространство со скоростью 30 км/с. А электроны, оставшиеся в ионизаторе,уходят через электрическую цепь и источник питания на катод. Эта системаполучила название ионный двигатель: в зоне его ускорения находятся толькоионы.На самом же деле водородных ионных двигателейна 4,5 вольта нет. Причина этого одна: в ускоряющем промежутке невозможнополучить высокую плотность частиц. Ионы создают в нем довольно большойобъемный заряд, который быстро экранирует потенциал нулевого электродаи "запирает" поток. Чтобы обеспечить достаточно большой ток,нужно создать высокую напряженность поля, как можно сильнее сдвинув электроды.Но предельное расстояние между ними ограничено долями миллиметра: в слишкомузком зазоре возникнет пробой. Скорость наращивать тоже нельзя: это ведетк повышению энергетических затрат на единицу тяги. Поэтому в таком двигателеиспользуют тяжелые частицы - ионы ксенона, ртути или цезия, работают принапряжении порядка тысячи вольт и получают довольно приличный ток и сравнительнобольшую тягу.Второй путь - плазменные двигатели, гдев зоне ускорения имеются и электроны, и ионы. Рассмотрим подробнее, какони работают.Наиболее существенный недостаток ионныхдвигателей - появление объемного заряда в ускоряющем промежутке. Казалосьбы, этого можно избежать, поместив в него электроны и получив квазинейтральнуюплазму. Однако в электрическом поле сразу же начнут ускоряться более легкиеэлектроны, причем до скоростей в тысячи и десятки тысяч километров в секунду.Это в сотни раз больше, чем нам нужно.Чтобы преодолеть подвижность электронов,их нужно к чему-то "привязать". Это легко сделать, создав в промежуткемагнитное поле, перпендикулярное электрическому. В магнитном поле заряженныечастицы вращаются по круговой, так называемой ларморовской, орбите. У электроновее диаметр в наших условиях - десятые доли миллиметра, а у ионов - порядкаметра. Ионы практически не чувствуют магнитного поля, движутся только поддействием поля электрического и с большой скоростью покидают двигатель.Таким образом, система превращается в ускоритель ионов,в котором мешающего объемного заряда нет.На первый взгляд плазменный двигатель -очень простое устройство. Это кольцевой электромагнит, в зазор которогопомещена камера (ее называют также каналом) из диэлектрического материала.В глубине камеры расположен анод. Снаружи, возле среза камеры, расположенкатод-нейтрализатор. Рабочее вещество (ксенон) поступает в канал и вблизианода ионизуется. Ионы ускоряются в электрическом поле и вылетают из двигателя,создавая реактивную тягу. А электроны, как и в ионном двигателе, попадаютна анод, проходят по цепи до катода-нейтрализатора и поступают в ионныйпоток, нейтрализуя и его, и двигатель. Делать это абсолютно необходимо- в противном случае спутник, выбрасывая положительные ионы из двигателя,приобрел бы отрицательный потенциал большой величины.

Из формулы видно, что разгонять аппарат доскорости V, большей скоростиистечения w, за счет увеличения выбрасываемой массы крайне невыгодно. Еслина долю топлива приходится 0,9 всей массы ракеты и, следовательно, конечнаямасса составляет 0,1 массы начальной (M₀/M₁= 10), характеристическая скорость V= 2,3w. Когда это отношение масс уменьшаетсядо 0,01, скорость возрастает только в два раза, и, даже сделав M₀/M₁= 0,001, удастся получить всего V= 6,9w: величина логарифма растет оченьмедленно. Поэтому во время полета приходится катастрофически уменьшатьмассу аппарата: вспомним, как выглядят тяжелая ракета-носитель на стартеи спускаемый аппарат в конце полета. Этот путь в принципе возможен, нодля высоких скоростей практически неосуществим.Остается второй вариант: увеличить скоростьистечения реактивных газов. Характеристическая скорость зависит от неелинейно, то есть пропорционально. Она вырастет во столько же раз, во сколькоувеличится скорость истечения газов.Современные реактивные двигатели работают,как правило, за счет химической реакции соединения компонентов топливаи окислителя. Чем больше энергии выделяется в ходе этой реакции, тем вышескорость истечения из сопла двигателя ее газообразных продуктов одинаковоймассы. Почти предельную энергию обеспечивает реакция кислорода с водородом(больше дает только фтор, особенно атомарный, с водородом; но и сам окислитель,и фтористый водород невероятно химически активны и агрессивны). Однакои она неспособна создать потоки со скоростями больше 4-5 км/с. Для современнойкосмической техники этого во многих случаях недостаточно.Чтобы вывести спутник на круговую орбиту,носитель должен развить скорость около 8 км/с; чтобы отойти от Земли вкосмическое пространство - более 11 км/с; соответствующие характеристическиескорости будут процентов на тридцать выше. И если скорость истечения газовсделать порядка характеристической скорости для данного маневра, конечнаямасса аппарата будет соизмерима с массой начальной. Она может быть меньшепусть даже в два-три раза, а не в десятки и сотни, как сегодня. Для этогонужны другие двигатели, основанные не на химических реакциях, а на другихпроцессах. Они потребуют новых источников энергии, ибо, чем выше скоростьистечения рабочего вещества, тем больше энергии требуется на единицу тяги:P/F = w/2h,где Р - мощность двигателя в ваттах,F - сила тяги в ньютонах, w- скорость истечения в м/с, h - коэффициент полезного действия.В космосе есть только два источника энергии- Солнце и ядерные реакции.Внутриядерную энергию получают либо изреакций деления тяжелых элементов, либо путем синтеза элементов легких.Реакция синтеза способна дать колоссальное количество энергии, но управлятьею в ближайшее время вряд ли научатся. Остаются реакторы, основанные наделении, а для маленьких аппаратов - изотопные батареи. Ядерная энергетика,однако, себя сильно скомпрометировала и нажила множество противников.На внутренних орбитах источником энергииможет служить Солнце. Был, например, проект использовать бортовые зеркала-концентраторы,собирающие солнечную энергию на теплообменнике с водородом. Нагретый до2000о газ потечет из сопла реактивного двигателя со скоростьюпорядка 10 км/с, что уже вполне достаточно для маневра в околоземном пространстве.Однако такая система громоздка и ненадежна, поэтому основным источникомэлектроэнергии на борту пока остаются солнечные батареи. Если в 60-х годахкиловатт мощности снимался с панели массой около центнера, то сегодня "рекордные"устройства дают ту же мощность с 20 килограммов массы. В целом же бортовыебатареи дают суммарную мощность не выше 20 кВт и остаются достаточно эффективнымитолько сравнительно недалеко от Солнца - внутри орбиты Марса или поясаастероидов. Интенсивность света сильно падает с расстоянием
(I " R-2),и для полетов к удаленным планетам волей-неволей придется использоватьреакторы. Ибо переход на скорости истечения газов, соизмеримые с характеристическими,- абсолютно неизбежный путь развития космонавтики.

ПОДРОБНОСТИ ДЛЯЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ
ИСТОРИЯ
ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Первые предпосылки для создания плазменно-ионныхдвигателей возникли более ста лет назад.В конце прошлого века начались интенсивныеработы по изучению газов при помощи электрического разряда. Исследуемыйгаз под невысоким давлением помещался в стеклянную трубку с впаянными электродами- анодом и катодом. При дальнейшем снижении давления в трубке стали виднылучи, исходящие из катода. Детальное исследование показало, что эти "катодныелучи" - поток электронов.В 1886 году обнаружилось еще одно интересноеявление. Если в плоском катоде проделать отверстия ("каналы"), то черезних в обратном направлении протянутся другие лучи, которые назвали каналовыми.Это были потоки ионизованных атомов газа. Однако в то время, разумеется,никто не предполагал, что их можно использовать для получения реактивнойтяги.Первый эффективный ионный двигатель былсоздан американцем Г. Кауфманом в
60-х годах и использован в космическомэксперименте Sert-II. В двигателях этого типа имеются ионизационная камерас электрическим разрядником и ускоряющий электрод в виде пластины с отверстиями.Рабочий газ (скажем, ксенон) поступает в камеру, где его атомы распадаютсяна электроны и положительно заряженные ионы. Поток ионов выходит из камерыи ускоряется под действием напряжения, приложенного к дырчатому электроду.Электроны проходят по цепи питания двигателя и поступают на нейтрализатор,стоящий на пути ионного пучка. Ионы, удаляясь от двигателя, увлекают ихза собой.Примерно в это же время в нашей странебыл создан плазменно-эрозионный двигатель конструкции А. М. Андрианова.Он стал первым устройством такого типа, выведенным в космос: в 1964 годуего установили на аппарате "Зонд-2" в качестве двигателя ориентации с питаниемот солнечных батарей.Двигатель выполнен в виде двух цилиндрическихкоаксиальных электродов, разделенных изолятором. К центральному электродуподведена поджигающая игла, соединенная с конденсаторной батареей. Приразряде конденсатора между иглой и электродом происходит разряд, вызывающийих испарение (эрозию) и ионизацию. Эта "затравочная" плазма поступает впромежуток между электродами, на которые подано высокое напряжение основнойконденсаторной батареи. Появление плазмы инициирует поверхностный разряд,который испаряет материал изолятора и ионизует его молекулы. Нагрев и взаимодействиетока с собственным магнитным полем ускоряют плазму.К середине 60-х годов в нашей стране былиполучены обнадеживающие результаты по разработке плазменных двигателейразных типов. Но наибольший успех пришел к группе из Института атомнойэнергии им. И. В. Курчатова, которой руководили А. И. Морозов и Г. Я. Щепкин.Этот коллектив к маю 1969 года создал работающий макет двигательной установки.После конструкторской доработки в ОКБ "Факел" двигатель в последних числах1970 года был установлен на спутнике "Метеор"и выведен на орбиту. С техпор прошло почти тридцать лет, но этот стационарный плазменный двигатель(СПД) все еще не имеет конкурентов - другие схемы оказались менее эффективнымии штатной принадлежностью космических аппаратов не стали.В середине 80-х годов работы над СПД изИнститута атомной энергии были переведены в Московский институт радиотехники,электроники и автоматики (МИРЭА) и продолжены в лаборатории профессораАнтонины Ивановны Бугровой. В 1992 году лабораторию посетил вице-президентфранко-европейской космической фирмы SEP г-н Буланже. Он предложил заключитьконтракт на создание патентно чистой модели СПД с улучшенными характеристиками.Дело в том, что двигатели имеют два существенныхнедостатка: большую расходимость плазменного пучка (до 45о)и кпд порядка 50%, что было меньше их возможностей. И была у них одна странность:наиболее сильная тяга получалась при геометрии полей, с точки зрения теориидалекой от оптимальной. Когда причины такого поведения удалось понять,сотрудники лаборатории МИРЭА изменили конфигурацию канала, анода и магнитногополя. Это сразу же дало удивительные результаты: кпд вырос почти до 70%,а расходимость пучка стала меньше 10о. Так были созданы СПДвторого поколения. Американский ракетный комплекс "Сатурн- Аполлон" при стартовой массе 2900 тонн выводит в космос только 129 тонн.Аналогичное соотношение и во всех других ракетах- носителях, в том численаших. Причина в том, что ракета в полете вынуждена выбрасывать огромнуюмассу реактивных газов, чтобы компенсировать низкую скорость их истечения.

СПД НА ЗЕМЛЕИ В КОСМОСЕНаша страна продолжает лидировать в областиконструирования электроракетных систем. Стационарные плазменные двигателистоят почти на шестидесяти отечественных спутниках в качестве двигателейкоррекции. Они подстраивают положение спутника на орбите и в принципе могутперевести его, скажем, с опорной орбиты на высоте 150 - 200 километровна геостационарную орбиту высотой 36 тысяч километров. Для этой операциипонадобятся три-четыре месяца непрерывной работы, за которые будет выброшеновсего-навсего десять килограммов вещества. Специалисты считают, что в ближайшиедва-три года начнется настоящий бум использования электроракетных двигателейи для коррекции орбит искусственных спутников Земли, и для полетов на другиепланеты. Для всех этих работ СПД незаменимы; они будут стоять и на автоматическойстанции, которую по программе Российской академии наук запустят к спутникуМарса Фобосу в самом начале третьего тысячелетия. А вот для ориентациикосмического аппарата они слишком мощны, для этого нужны совсем миниатюрныеконструкции.И для решения чисто земных задач поле деятельностиплазменных двигателей огромно. Уже сейчас СПД в соответствующем исполнениииспользуются для обработки различных поверхностей - из металла, стекла,полупроводников. Но, по-видимому, область их применения, а точнее - принципов,в них заложенных, будет несравненно шире, тем более, что мощность подобныхсистем может быть увеличена в тысячи раз. И в первую очередь связано этос принципиально новым их конструктивным элементом - прозрачными магнито-электроннымиэлектродами, которые во многих случаях могут заменить электроды твердотельные.









Стенд в Доме науки и техники (Париж),посвященный стационарным плазменным двигателям и их создателю - А. И. Морозову.













ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Так устроен стационарный плазменный двигатель(СПД). Пара обмоток образуют кольцевой электромагнит, в зазор которого- камеру - подается ксенон. Его атомы ионизуются вблизи анода, ионы ускоряютсяв электрическом поле и вылетают из двигателя, создавая реактивную тягу.Из катода-нейтрализатора (на снимке двигателя их два - рабочий и резервный)в ионный поток поступают электроны. Сталкиваясь с ионами, вылетающими изкамеры, и атомами ксенона, вытекающими из нейтрализатора, они возбуждаютих, заставляя излучать свет. На снимке работающего двигателя хорошо виднорозовое свечение атомов ксенона и голубое - его ионов.
Если рассмотреть поведение элементарныхчастиц в СПД, обнаружится очень любопытная картина. Магнитные силовые линиипроходят в радиальном направлении. Заряженные частицы в поле имеют тенденциюдвигаться по окружности, но тяжелые ионы повернуть не успевают. Зато электроны,которые в две тысячи раз легче, начинают вращаться вокруг силовых линий.Возникает система, в которой роль электродов, "вытягивающих" ионы из анода,играют электроны, "навитые" на силовые линии. Между анодом и катодом создаетсяразность потенциалов; возникает электрическое поле. Препендикулярно емуимеется магнитное поле, созданное системой катушек. В эти "скрещенные"поля подается ионизованный газ. Взаимодействуя с поля