ДВА новых типа двигателей для перемещения в космосе. Испытания первой модели магнито-плазмодинамического двигателя.

Ещё осенью 2019-го года промелькнули сообщения, что российские инженеры предложили ДВА новых типа двигателей для перемещения в космосе. Революции в скорости никто не обещал, но сообщения об ожидаемых КПД были обнадёживающие.

Увы, потом наступила тишина. Номера обоих патентов были доступны и теория смотрелась неплохо, но вестей об успехах не было.

И, те кто был в теме, разделились.

Одни решили, что это были очередные прожекты без последствий.

Другие ванговали, что это было просто преждевременное сообщение и работы ведутся втихую, а болтливые торопыги (возможно) получили "по-шапке" ;)

И вот, наконец появилась хорошая новость об одном из проектов - об испытаниях первой модели магнитоплазмодинамического двигателя.

Это уже не теория - вот кадр с первых испытаний:

Кадр испытаний магнитоплазмодинамического двигателя

Пояснение для тех, кто не в теме

(Сведущие сразу могут прокрутить вниз, к самой новости)

Для выхода на орбиту с поверхности Земли по-прежнему нужны ракеты. И так будет ещё очень долго. А вот, на чём летать в межпланетном пространстве - большой вопрос.

Обычные жидкостные двигатели хороши тем, что быстро разгоняются. Но, развиваемые ими итоговые скорости слишком малы для быстрых перелётов от планеты к планете. Путь до Марса занимает больше полугода в лучшем случае - за это время космонавты получат довольно высокую дозу радиации (привет StarShip-у Илона Маска).

Станция "Кассини" летела к Сатурну почти 7 лет...

Нужно сокращать время полёта.

Одно из решений - российский космический ядерный буксир "Нуклон". Это ядерный электрогенератор, который запитывает электрические двигатели. Да, установка в целом всё равно "реактивная", но её КПД в разы выше, чем у обычных ракет. При той же массе топлива, мы получаем более высокую скорость в итоге.

Но, одно из ограничений "Нуклона" - малая тяга движков. Да, при полёте к Юпитеру, он обгонит "обычную" ракету. На расстояниях до Марса выгоды уже практически нет. А, до Луны он и вовсе будет лететь аж 200 дней (хотя, для беспилотника с полезной нагрузкой 10 тонн это не так плохо).

В итоге, Россия спроектировала энергоустановку в 480 кВт. Но, один из важнейших вопросов - увеличение тяги двигателей - остался. Самые лучшие ионные двигатели имеют тягу, с трудом дотягивающую до 1 Н (ньютона)...

Вот об этих конечных двигателях и идёт речь. "Нуклону" нужны новые технологии электрических "приводов".

Ионные движки близки к своему пределу - сейчас тяга лучшего из них - всего 1,5 Н. Теоретически, могут сделать ещё раза в два больше. Дальше - тупик.

Магнитный плазмодинамический двигатель

На этом фоне очень интересно сообщение, что российская компания «СуперОкс» представила данные об испытаниях первой версии своей силовой установки с использованием сверхпроводящих магнитов. Насколько можно понять, это промежуточный итог трёхлетней работы. Сообщается, что в работе также принимала участие кафедра физики плазмы НИЯУ МИФИ.

Статья об этом была опубликована в британском журнале Journal of Physics в декабре 2020 года. Посмотрите источник на английском - буду признателен за уточнения.

Кому лень - может посмотреть новость на русском на сайте самой компании.

Вакуумная камера для испытаний первых прообразов двигателей.

Вообще, двигатель на этом принципе был предложен нашим изобретателем Ю. В. Кубаревым в 1958 году (работы под его руководством велись ещё недавно в Воронежском ОАО КБХА).

Так что, неверно говорить о новом типе двигателя в теоретическом смысле.

Но, с точки зрения практики, вполне можно говорить о новинке. Потому что рабочего образца ещё не было ни у кого. Так, в 2014 году Кубарев обмолвился в одном интервью, что американская опытная установка "никуда не полетит, слишком тяжёлая" - изобретателю точно виднее было :).

Эти установки должны обеспечивать скорость истечения рабочего тела от 15 до 60 км/с, а по последним данным до 110 км/с и более. Это в 25 раз выше, чем в жидкостных реактивных двигателях (~4 км/с у водородных).

В двух словах: для создания тяги в этом двигателе используется сила Лоренца (сила, действующая на заряженные частицы электромагнитным полем). В статье также говорится, что это магнитоплазменные двигатели имеют потенциал тяги до 200 Н (правильно ли я перевёл это место? - уж больно хорошо звучит...).

Хотя, зам. ген. директора ЗАО «СуперОкс» Алексей Воронов был более осторожен, сказав, что:

«Разработанная технология позволяет проектировать двигатель с реактивной тягой вплоть до 5 Ньютонов и более без потери качества преобразования энергии. Этот результат стал возможен только благодаря высокому магнитному полю в нашем двигателе, которое создается магнитом из высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП)»

На этой схеме в качестве рабочего тела используется литий

Сейчас испытан только лабораторный опытный образец, который развил мощность почти в 1 Н при мощности установки ~30 кВт.

Не впечатлило? Тогда ещё раз вспомните, что это пока только опытный образец, но он уже сравнялся с хорошими ионниками, которые развиваются много лет... есть над чем подумать и помечтать :)

(наш ИД-500 развивает 0,35-0,75 Н при чуть большей потребляемой мощности)

Приведу цитату из статьи с более точными данными:

Средние данные с расходом топлива (аргона) 20, 15 и 10 мг/с составляют 1,22, 1,34 и 1,75 кДж/мг.

Максимальная расчетная тяга достигается 850 мН при 50 мг/с. Наилучший полученный удельный импульс равен 3840 с при 10 мг/с. Максимальные получаемые значения тяги при заданной тяге расход топлива 48 мН / кВт при 50 мг / с.

Получена максимальная мощность дуги составляет 27,5 кВт при 20 мг/с.

Наилучшая достигнутая эффективность катода диаметром 10 мм составляет 54% при 15 мг/с при тяге 554 мН и удельном импульсе 3763 с при 18,9 кВт (450 А, 42,1 В) при 29,3 мН / кВт и 1,3 кДж / мг.

Кому мало данных - читайте статью.

Что сказать, пока не густо, но для начала очень даже прилично.

Даже если в итоговых рабочих изделиях будут всего лишь заявленные 5-6 Н, - это в 3-4 раза лучше того, что могут обеспечить лучшие ионники... Лиха беда - начало :)

И ещё об одном. В двигателе применены сверхпроводники. А это означает уменьшение массы магнита в 4 раза по сравнению с медными магнитами в современных электрореактивных двигателях.

Меньше масса - выше ускорение, быстрее долетим!

Тот самый магнит - вес 9 кг.

Думаю, что именно об этих движках говорилось в ТЗ на Нуклон - если мне не изменяет память, там шла речь именно о плазменных двигателях, а не об ионниках.

Два вопроса...

Первый - как обеспечат низкие температуры для сверхпроводников? Принято считать, что в космосе холодно, но не достаточно (и не забудем, что вакуум - лучший теплоизолятор). Значит, будет криогенная установка, а это дополнительный груз, снижение надёжности и т.д.

С другой стороны - материаловеды работают, иногда проскакивают сообщения о высокотемпературных сверхпроводниках... И тут следует заметить, что написано на сайте самой компании:

Компания СуперОкс создана в 2006 году Андреем Вавиловым для разработки технологии производства высокотемпературных сверхпроводниковых проводов 2го поколения – ВТСП-проводов.

Выводы делайте сами. Мне пока ясно одно - явно не новички в этой теме, но об их вовлечённости в космические проекты ничего не знаю.

Второе. В двигателях этого типа используется электроразряд. Значит, есть эррозия элементов конструкции. Специалисты «СуперОкс» говорят, что нашли довольно удачную конструкцию катода:

Катод после всех испытаний

Говорится, что катод испытывался суммарно 2500 секунд с максимальным непрерывным временем 140 с. В итоге отмечен низкий износ...

Но, это всё частности. Главное то, что износ от электрокоррозии вообще есть - это влияет на срок службы всего двигателя. На Земле электрод - всего лишь быстро заменяемый расходник, а в космосе он становится непреодолимой проблемой.

Это насчёт работы в составе многоразового космического буксира...

В итоге

А в итоге мы имеем ещё один прототип электрического реактивного двигателя. Вдобавок к плазменным и ионным, появился магнитоплазмодинамический. Интересным является применение в нём сверхпроводников, хотя ряд вопросов конечно остаётся.

Пока он не впечатляет, да и не обязан - от первого рабочего образца много ожидать не следует. Его задача - отработать основные принципы работы. Первые автомобили ездили не быстрее лошадей... Но, теория говорила, что они могут гораздо больше - вскоре это и произошло.

Здесь - то же самое. Осталось набраться терпения. И пожелать нашим инженерам успехов! :)

**********************************************

Реакция читателей:

-(Виталий)  Автор, спасибо за статью. Видел эту новость раньше, но у Вас она гораздо лучше рассмотрена. Еще раз, респект ))

А теперь позвольте "ложку дегтя" ))

Вы пишете: "В двигателе применены сверхпроводники. А это означает уменьшение массы магнита в 4 раза по сравнению с медными магнитами в современных электрореактивных двигателях.

Меньше масса - выше ускорение, быстрее долетим!"

Увы, это не так (((

Да, масса уменьшится. На 3-5 кг на каждом двигателе. На 20-30 двигателях - на 100 кг. И что нам дадут 100 кг при массе того же "Нуклона" в 20-30 тонн ?

На мой взгляд, гораздо важнее мЕньший расход эл.мощности на 1 Ньютон тяги. У ИД-500 эл.мощность 35 кВт при тяге примерно 0,5 Н. Тут 30 кВт на 1 Н. Т.е. примерно в 2 раза меньше. Значит можно или поставить реактор поменьше (полегче), или увеличить тягу буксира. Вот еще бы уточнить уд.импульсы этого двигателя и ИД-500.

- (Автор) Виталий, применительно к Нуклону - полностью согласен.

Но, во-первых, с миру по нитке - каждый килограмм на счету.

И потом - движки можно и на мЕньшие спутники поставить - там заметнее будет.

А напрямую сравнивать пока рановато - это экспериментальная установка...

Но в целом да - именно бОльшего удельного импульса от этой технологии все и ждут :)

-

1. На мЕньших спутниках будет примерно та же самая проблема. 30 кВт эл.мощности требуют серьезную энергетической установку. С большой массой.

Но, в целом, сокращение массы двигателя - это, конечно, плюс.

2. С одной стороны, сравнивать пока рано. С другой, а как же без сравнения ? Надо же на что-то ориентироваться. Пусть даже с поправкой на дальнейший рост характеристик.

- Виталий, если всё-же настаиваете на сравнении, то я просто повторюсь - первая же опытная установка работает на уровне лучших ионников, которые развиваются не один десяток лет. А если точнее, то даже немного лучше - 0,85Н при потреблении меньше 30 кВт (у ИД-500 больше 30-ти).

Туда же - по расчётам потенциал этих движков - до 200 Н. По крайней мере, в данной разработке прогнозируют не менее 5-6Н. Плазменникам и ионникам это сегодня даже не снится, насколько я знаю.

Нет, конечно круто, когда опытный образец на голову превосходит современные аналоги, но... не всегда так получается - иногда вместо прыжков приходится двигаться потихоньку :)

- Спасибо за сравнение. Но тут не хватает удельного импульса. Без него сравнение недостаточно корректное.

5-6 Н - это неплохо, но не главное. Можно поставить 5 ионников, и они дадут эти 5 Н. Вопрос в потреблении энергии и расходе РТ (удельном импульсе). С энергией вроде бы у нового двигателя всё хорошо ...

- Виталий, насчёт удельного я же давал в статье - 3763с в одном из режимов. Остальные режимы смотрите в исходной статье - там по-моему ещё что-то было.

Похвастать особо нечем, как видите.

Но, сейчас не импульс важен, а то, что установка вообще заработала. Ну а неплохие выходные характеристики на данном этапе - скорее приятный бонус.

У меня нет данных, сколько там было у первых ионников, но судя по сегодняшним крохам - на порядок точно меньше...

5 ионников можно, но они будут весить и потреблять кратно больше - смысла нет... Вы же сами про важность удельного импульса говорите...

Вот с энергопотреблением да: минус 5кВт при той же мощности - это конечно же радует уже сейчас. Ну и чуть меньшая масса тоже в плюс идёт...

Гораздо больше расстраивает другое - нет данных в рамках чего создана эта установка, был ли на неё заказ или на свой страх и риск сделали...

- Здорово конечно, когда правительство Москвы вкладывается в такие стартапы... Но, стартап должен быть не только интересным и многообещающим, но и встроенным в космическую программу страны - у нас же клановость развита, чужих не жалуют.

То есть, ребятам ещё надо доказать, что они свои, встроиться в систему. А это лишние препятствия...

Ладно, посмотрим что получаться будет - столица России всё-таки вложилась, не кто нибудь... :)

*************************************

Там по ссылке дальше ещё много интересных обсуждений этой темы, но главное, по моему мнению, уже сказано.

P.S.

Если вдруг кто пожелает посмотреть мои прошлые обзоры по Нуклону и ВТСП привожу ссылки.

Нуклон :  И ВСЁ ЖЕ МЫ ПЕРВЫЕ В КОСМОСЕ! ДЛЯ ЧЕГО НУЖНА "АНГАРА А5В"? ЯДЕРНЫЙ БУКСИР "НУКЛОН".   https://cont.ws/@mamalama2021/...

Ядерный буксир "Нуклон". В чём трудность.   https://cont.ws/@mamalama2021/...

ВТСП (история и рассуждения, что при земных условиях пока трудности непреодолимы, но в космосе! Там им самое место.

"Высокотемпературная сверхпроводимость. История истерии, мечта и реальность. Неразрешимая пока дилемма: температура и давление."

https://cont.ws/@mamalama2021/...