Плазменные двигатели

Рис. 8. Электродуговой генератор плазмы 1 - анод; 2 - катод; 3 - корпус генератора; 4 - подвод газа; 5 - источник питания; 6 и 7 - подвод и отвод жидкости для охлаждения сопла и корпуса генератора

Итак, плазменные электротермические двигатели будущего — это своеобразные летающие ускорители. Поскольку скорости истечения, которые удается сообщить плазме с помощью ускорителей, велики, удельная тяга и предполагаемые конечные скорости полета «плазмолетов» могут быть очень большими.

Это означает, что такие двигатели весьма многообещающи при использовании их в космосе. Вот почему в мировой печати появляется все больше сообщений о плазменных двигателях². Авторы этих сообщений считают, что применение плазменных двигателей позволит уменьшить до приемлемых значений стартовые массы кораблей, которые при использовании химических двигателей чрезмерны даже для путешествий в пределах Солнечной системы. Предполагается, что плазменные двигатели перспективны для управления спутниками, для перевода спутников с орбиты на орбиту, для автоматических лабораторий, выполняющих самые сложные исследовательские задачи при облете планет, входящих в Солнечную систему.

² См., например, «Missiles and Rokets», 1960, vol. 6, №9, p. 21; «Aviation Week», 1959, vol. 70, № 26, p. 47-48.

Прототипы плазменных ускорителей, так называемые плазмотроны (рис. 8 и 9) уже несколько лет используются в качестве высокотемпературных горелок для сварки и резки металлов, их применяют также для обдувки на стендах головок ракет¹. Такая модель позволяет изучать явления, происходящие при возвращении головок ракет из космоса в атмосферу.

¹ См. В. А. Парфенов. Плазменная горелка. «Наука и жизнь», 1960, № 5.

Если в качестве рабочего тела для плазмотрона применить водород, то температура для его ионизации должна быть поднята до 10 000°; при 14 000° удается интенсивно ионизировать азот.

При использовании такого ускорителя в качестве двигателя нагрев газа и превращение его в плазму могут осуществляться также и с помощью токов высокой частоты в трубке — сердечнике индукционной катушки. Дальнейший разгон плазмы происходит как за счет ее расширения, так и за счет разности потенциалов, приложенной на катоде и аноде.

Рис. 9. Высокочастотный генератор плазмы 1 - подвод газа; 2 - подвод и отвод жидкости для охлаждения форсунки; 3 - корпус генератора; 4 - высокочастотная катушка; 5 - источник питания, 6 и 7 - подвод и отвод жидкости для охлаждения сопла и корпуса генератора

Принцип работы другого ускорителя плазмы — с пересекающимися полями — нетрудно представить, познакомившись с рис. 10. В этом случае проводник тока — плазма (ток протекает от одной шины — анода к другой — катоду) движется поперек воздействующего на нее магнитного поля.

Своеобразный электромагнитный «плазменный насос» выбрасывает «фонтан плазмы», струя которого и обеспечивает создание реактивной тяги.

Наконец, разгон плазмы может происходить за счет магнитного давления.

Так, при создании плазмоидов — проводящих колец плазмы с током — более высокое напряжение (давление), возникающее внутри колец, приводит к их расширению и выбрасыванию. Для интенсивного разгона плазмы требуются большие токи, которые получаются, например, за счет разрядки системы с батареями конденсаторов.

Схему работы двигателя можно представить себе следующим образом (рис. 11). Порция молекул поступает в пространство между двумя электродами и конденсируется, оседая в промежутке между ними и заплавляя его. В этот момент подается рабочее напряжение, рабочее тело в межэлектродном зазоре ионизируется, и самоиндуцированное в кольцевом сгустке плазмы магнитное поле отбрасывает его под прямым углом к зазору. Порции плазмы можно получать и за счет «взрыва» проволочки, подаваемой до ее пересечения с электродами¹.

¹ См. S. Кash, W. Starr. «Manual Meeting of the American Rocket Soc.», 1959, November 16-20, p. 1008-1059.

При изучении плазменных двигателей на Земле их модели помещаются в вакуумные камеры, так называемые бочки, в которых создается очень низкое давление, имитирующее вакуум космического пространства.

Сообщения, появившиеся за последнее время в иностранной печати, свидетельствуют о том, что в лабораторных условиях с помощью плазменных двигателей получены тяги в несколько десятков граммов и достигнуты импульсы в 5-6 раз превышающие те, которые удается обеспечить с использованием современных жидкостных реактивных двигателей¹.

Рис. 10. Ускоритель с пересекающимися магнитными и электрическими полями вверху-принципиальная схема действия ускорителя: 1 - магнитное поле; 2 - электрическая дуга в плазме; 3 - рельсовые электроды; 4 - источник питания; 5 - направление движения струи внизу - схема двигателя: 1 - корпус плазмотрона; 2 - анод; 3 - катод; 4 - источник питания плазмотрона; 5 - анод тяговой камеры; 6 -катод тяговой камеры; 7 - направление электрического тока; 8 - катушка для создания магнитного поля

Так, В. X. Бостик сообщил о постройке небольшого пульсирующего двигателя со средней тягой около 20 г, выбрасывающего 100 сгустков плазмы в секунду со средней скоростью до 10 км/сек. Опубликованы результаты исследования² модельного электродугового двигателя мощностью 30 квт, проработавшего непрерывно 50 час., выбрасывающего гелий и водород со скоростью до 15 км/сек; тяга модели двигателя достигала 300 г.

¹Klass Philip. «Aviation Week», 1959, vol. 71, № 23, p. 83, 87, 89-90.

²J. Richard, J.Connors, A. Mironer. В кн.: «XI Internal. Astronaut. Congr.». Stockholm, 1960, p. 232-245.