Για μακροχρόνια εργασία στο διάστημα, θα πρέπει να χρησιμοποιούνται αξιόπιστοι ηλεκτρικοί πυραυλοκινητήρες με ταχύτητα ροής πλάσματος της τάξης των εκατόν πέντε μέτρων ανά δευτερόλεπτο ή μεγαλύτερη. Οι κινητήρες πλάσματος άρχισαν να αναπτύσσονται ενεργά στα μέσα του περασμένου αιώνα. Και σήμερα αυτό το έργο συνεχίζεται.
Έναρξη έρευνας
Οι πρόγονοί μας ήθελαν από καιρό να πετάξουν στο διάστημα. Για μεγάλο χρονικό διάστημα, το αέριο έχει μελετηθεί ενεργά χρησιμοποιώντας ηλεκτρική εκκένωση. Τοποθετήθηκε σε γυάλινο δοχείο με ηλεκτρόδια. Στη συνέχεια, όταν η πίεση μειώθηκε, εμφανίστηκαν ακτίνες που προέρχονταν από την κάθοδο, που στην πραγματικότητα, όπως διαπιστώθηκε αργότερα, ήταν ένα ρεύμα ηλεκτρονίων.
Και το 1886 ανακαλύφθηκε ότι, ενώ δημιουργούσαν τρύπες στην κάθοδο, άλλες ακτίνες, ιονισμένα άτομα αερίων, τεντώνονταν προς την αντίθετη κατεύθυνση από αυτές. Αλλά τότε, φυσικά, δεν είχαν ιδέα ότι θα χρησιμοποιούνταν για την απόκτηση ώθησης αεριωθουμένων.
Στις ημέρες της Σοβιετικής Ένωσης, αναπτύχθηκαν προωθητές ιόντων και πλάσματος στα εργαστήρια του Physics and Technology SOAN για την εφαρμογή αυτών των τεχνολογιών σε οχήματα για διαστημικές πτήσεις. Οι εργασίες ξεκίνησαν τη δεκαετία του 1950εικοστός αιώνας. Δύο τύποι συσκευών έχουν ανοίξει:
- διαβρωτικός κινητήρας (παλμική),
- στατικός προωθητής πλάσματος (μη παλμικός).
Είναι αυτοί οι δύο τύποι που χρησιμοποιούνται μέχρι σήμερα.
Διαβρωτικό και σταθερό
Ο κινητήρας πλάσματος που είναι γνωστός σήμερα λειτουργεί λόγω της αντιδραστικής δύναμης του πίδακα πλάσματος από το ακροφύσιο. Το ίδιο το πλάσμα σχηματίζεται μέσω ηλεκτρικής εκκένωσης. Για μια απλούστερη πηγή ισχύος κινητήρα, επιλέγεται μια παλμική λειτουργία (διαβρωτικός κινητήρας πλάσματος). Η πηγή ενέργειας είναι ένας πυκνωτής με χωρητικότητα 0,5 microfarads και τάση 10 kV. Φορτίζεται από τον μετασχηματιστή με διόδους και αντίσταση.
Με τη βοήθεια τέτοιων συσκευών σχηματίζονται μικρές και ακριβείς ωθήσεις ώθησης, οι οποίες δεν μπορούν να επιτευχθούν με τη λειτουργία άλλων τύπων κινητήρων πυραύλων. Οι παλμικοί προωθητές πλάσματος δοκιμάστηκαν με επιτυχία το 1964 στον διαστημικό σταθμό Zond-2.
Το SPD είναι μια παραλλαγή ενός επιταχυντή σε εκτεταμένη ζώνη και με κλειστή μετατόπιση ηλεκτρονίων. Τέτοιες συσκευές μπορούν να λειτουργήσουν για μεγάλο χρονικό διάστημα. Δύο κινητήρες xenon κυκλοφόρησαν για πρώτη φορά το 1972 στο Σοβιετικό Meteor.
Αρχή λειτουργίας: πρωτότυπο
Η εγκατάσταση λειτουργεί ως εξής. Η τάση για τον πυκνωτή είναι το κενό μεταξύ του συλλέκτη αγωγιμότητας ρεύματος και των ηλεκτροδίων του θαλάμου εκκένωσης. Όταν η τάση φτάσει στην τιμή διάσπασης, εμφανίζεται μια ηλεκτρική εκκένωση στο θάλαμο του κινητήρα. Ο αέρας εκεί θερμαίνεταιδέκα χιλιάδες μονάδες και αποκτά κατάσταση πλάσματος. Η πίεση αυξάνεται απότομα και ο πίδακας πλάσματος ρέει έξω από το ακροφύσιο με μεγάλη ταχύτητα.
Ο πύραυλος, ο οποίος είναι συνδεδεμένος με τον κινητήρα, λαμβάνει ισχύ εκτόξευσης από τον πίδακα. Για να επιτευχθεί μια μαλακή περιστροφή, ο πύραυλος συνδέεται με ένα ρουλεμάν και ισορροπεί με ένα αντίβαρο.
Η πιο περίπλοκη ηλεκτρική μονάδα είναι ένας συλλέκτης που παρέχει ρεύμα. Τα κενά μεταξύ των ηλεκτροδίων δεν πρέπει να υπερβαίνουν το μισό χιλιοστό. Τότε δεν θα υπάρξει σχεδόν καμία απώλεια ισχύος από τον πυκνωτή και δεν θα δημιουργηθεί πρόσθετη τριβή όταν ο πύραυλος αρχίσει να περιστρέφεται.
Ο ίδιος ο πύραυλος και ολόκληρος ο κινητήρας πυραύλων πλάσματος μπορεί να έχουν διαφορετικά μεγέθη, αλλά η ισχύς της πηγής και το μέγεθος του πυκνωτή πρέπει να ταιριάζουν. Για τον υπολογισμό των βασικών μονάδων και του σχεδιασμού πυραύλων, είναι βολικό να χρησιμοποιήσετε το σχήμα μετά τον υπολογισμό με ειδικούς τύπους.
Πειραματικές τιμές στο παράδειγμα
Στο παράδειγμα με δεδομένη τάση έξι χιλιάδων watt και χωρητικότητα πυκνωτή 0,510 (-6) f, ως αποτέλεσμα υπολογισμών, η ενέργεια που απελευθερώνεται στο θάλαμο του κινητήρα είναι 5,4 J. Και αν η διαφορά θερμοκρασίας είναι 10000K, τότε ο όγκος του θαλάμου θα είναι ίσος με μισό κυβικό εκατοστό.
Τότε τα στοιχεία του ηλεκτρικού κυκλώματος θα είναι:
- μετασχηματιστής 2205000V, με ισχύ 200 watt;
- αντίσταση καλωδίων με ισχύ 100 watt.
Αυτό το μοντέλο έχει τάση λειτουργίας μεγαλύτερη από χίλια βολτ και επομένως πρέπει νανα είστε πολύ προσεκτικοί όταν εργάζεστε με αυτό και να τηρείτε όλους τους απαραίτητους κανόνες ασφαλείας.
Κανόνες ασφαλείας για το πείραμα
- Η εκτόξευση πραγματοποιείται από ένα άτομο. Άλλοι μπορεί να σταθούν σε απόσταση ενός μέτρου από τη συσκευή.
- Όλες οι λειτουργίες και το άγγιγμα της μονάδας με το χέρι μπορούν να γίνουν μόνο εάν αποσυνδεθεί από την παροχή ρεύματος, αφού περιμένετε τουλάχιστον ένα λεπτό μετά από αυτό. Τότε ο πυκνωτής θα έχει χρόνο να εκφορτιστεί.
- Η παροχή ρεύματος πρέπει να βρίσκεται σε μεταλλική θήκη, κλειστή από όλες τις πλευρές. Κατά τη λειτουργία, γειώνεται με ένα χάλκινο σύρμα, η διάμετρος του οποίου πρέπει να είναι τουλάχιστον ενάμισι χιλιοστό.
Οι προωθητές πλάσματος για πραγματικούς πυραύλους πρέπει να είναι αρκετές χιλιάδες φορές πιο ισχυροί! Ίσως αυτοί που διεξάγουν πειράματα με μικρά δείγματα σήμερα, ανακαλύψουν νέες δυνατότητες και ιδιότητες του πλάσματος αύριο.
