Кінетичний двигун на основі магнітогідродинамічного генератора

Размещено на http://www.Allbest.ru/

ЗМІСТ

Вступ

1. Облаштування двигуна і принцип роботи

2. Розрахунок ефективності двигуна

3. Маневрування і первинний розгін космічного апарату

4. Захист від космічних променів

5. Відведення тепла від кінетичного двигуна

6. Кінетичний двигун на основі МГД-генератора

7. Деякі можливі модифікації кінетичного реактивного двигуна

Висновки

Література



ВСТУП

У 1960 р. була запропонована концепція захоплення міжзоряного середовища космічним апаратом, що йде на високій швидкості, і використання це забезпечення речовиною, яка полягає в підвищенні щільності речовини в космічному просторі, шляхом використанні штучних джерел. Для постачання двигуна можна заздалегідь розташувати речовини для розгону космічного апарату [1]. Ця концепція припускає використання захопленої речовини як термоядерне паливо, або в якості робочого тіла (при цьому джерелом енергії є розташоване на борту термоядерне паливо).

Захоплення речовини міжзоряного середовища передбачалося здійснювати за допомогою магнітної воронки. Проте міжзоряне середовище містить малу кількість речовини Тому діаметр збираючої магнітної воронки повинен складати тисячі кілометрів. Створення такої великої магнітної воронки може виявитися нерозв'язним завданням.

Існує ще одне рішення проблеми забезпечення речовина, яка є збільшення щільності космічного простору шляхом використання штучних джерел. Для подачі двигуна можна було б розташувати вздовж траєкторія космічного апарату необхідну кількість речовини або форми, наприклад, заморожені Дейтерій мікронних розмірів кулі [2]. Вирішення цієї проблеми є не пов'язані з енергоспоживання (тому що немає особливої споживи, щоб розігнати речовина розпорошується до високої швидкості).

Необхідні маси речовини можуть бути розташовані на контури корабля як газу (або пилу), які будуть згодом зняті магнітні Хопер. Однак, цей метод пов'язана з невпинним зростанням темпів газу (або пилу) в космічному просторі (яка повертає нас до питання про підвищення колекції навколишнього середовища речовини, за рахунок збільшення діаметр воронки магніт).

Таким чином, необхідні маси речовини у відповідному положенні вздовж траєкторії космічного апарату, вдалося у вигляді спеціальних пакунків зондування.

Зонди перетворюватимуться на хмару плазми безпосередньо перед космічним апаратом [3], що дозволить значно (на порядки) зменшити потрібний діаметр магнітної воронки, і звести втрати речовини до мінімуму. Або зонд може потрапляти всередину двигуна через невеликий отвір, і підриватися вже безпосередньо усередині двигуна (що дозволяє взагалі відмовитися від використання магнітної воронки).

Точне наведення зонду (з помилкою бічного відхилення менше 1 м) очевидно є цілком вирішуваною проблемою навіть на сучасному рівні розвитку науки і техніки. Тим більше, в космічному просторі (на великому видаленні від великих космічних об'єктів) практично немає речовини, і практично відсутні зовнішні обурюючі чинники. З урахуванням цього, розрахунок траєкторії руху космічного апарату і зондів, контроль і коригування їх взаєморозташування (при створенні відповідної інфраструктури забезпечення польоту), може виявитися відносно простим завданням.

Відомі методи розгону космічного апарату, з використанням кінетичної енергії захопленої речовини в якості основного джерела енергії для роботи рухової установки космічного апарату [4; 5]. У цій роботі будуть розглянуті пристрій і принцип роботи ще одного двигуна, працюючого на кінетичній енергії зустрічного потоку захопленої речовини. В процесі його роботи маса і енергія космічного апарату зменшуватимуться, а швидкість польоту збільшуватиметься (у повній відповідності із законами збереження імпульсу і енергії).



1. Облаштування двигуна і принцип роботи

Принцип роботи даного двигуна ґрунтований на використанні кінетичної енергії спеціальних керованих зондів, заздалегідь розташованих уздовж траєкторії польоту космічного апарату. Двигун складається з наступних основних частин: робоча камера, вхідний отвір, реактивне сопло, мішень усередині робочої камери. Додатково двигун може містити пристрій для замикання вхідного отвору в робочу камеру (затвор), щит, систему подання мішеней в робочу камеру, систему коригування положення мішені усередині робочої камери, систему управління випуском плазми (продуктів вибуху) через реактивне сопло і т.д.

Двигун працює таким чином. Через вхідні отвори зонд А потрапляє всередину двигуна. Усередині робочої камери D двигуна розташовується спеціальна мішень Е. При попаданні зонду Л в мішень Е відбувається потужний кінетичний вибух, який призводить до повного випару речовини зонду, і повного або часткового випару речовини мішені. В результаті кінетичного вибуху отримуємо нагріту до дуже високої температури плазму, яка рівномірно заповнює робочу камеру D двигуна. При цьому ударні хвилі в плазмі повністю гасяться в основному за рахунок зіткнення із стінками робочої камери D, і практично уся енергія кінетичного вибуху переходить в теплову енергію плазми. Далі плазма поступово витікає з робочої камери D двигуна через реактивне сопло F, створюючи реактивну тягу.

Зіткнення зонду і мішені має бути організоване так, щоб виключити утворення великих осколків. Додатково для забезпечення безпеки перед космічним апаратом розташовується спеціальний щит В. В цьому щиті передбачений вхідний отвір (для прольоту зонду), розташований навпроти вхідного отвору в робочу камеру двигуна. На вхідному отворі в робочу камеру D двигуна встановлений затвор З, який закривається у момент кінетичного вибуху усередині робочої камери двигуна. Як затвор можуть використовуватися різні пристрої (тонка мембрана, діафрагма, МГД-генератор, магнітна котушка і т.д.). Внутрішня сторона щита може бути виконана у формі реактивного сопла Частина газів, які можуть прорватися через затвор З, впливатимуть на зворотну сторону щита, створюючи додаткову тягу.

На малюнку 1 зображено облаштування кінетичного реактивного двигуна, розташування зонду у момент наближення космічного апарату, розташування мішені.

Малюнок 1. Принципова схема кінетичного реактивного двигуна: А - зонд; У - щит; З - затвор; D - робоча камера; Е - мішень; F- реактивне сопло

Малюнок 2. Зображення кінетичного вибуху усередині робочої камери кінетичного реактивного двигуна, і виходу продуктів вибуху через реактивне сопло

На малюнку 2 схематично зображений кінетичний вибух усередині робочої камери кінетичного реактивного двигуна (після попадання зонду в мішень), і вихід продуктів вибуху через реактивне сопло. У момент вибуху затвор на вхідному отворі в робочу камеру двигуна закритий.



2. Розрахунок ефективності двигуна

Припустимо, зонд має швидкість х в системі координат космічного апарату. Зонд має масу М_З, мішень має масу М_М. Припустимо, що при зіткненні зонду і мішені відбувається повний випар речовини зонду і мішені. Масове співвідношення n дорівнює:

(1)

Кінетична енергія EЗ зонду дорівнює:

(2)

Кінетична енергія реактивного струменя E _(З+М) дорівнює:

(3)

У кінетичну енергію тих, що витікають з робочої камери через реактивне сопло продуктів вибуху (реактивного струменя) переробляється тільки частина теплової енергії плазми, отриманої в результаті кінетичного вибуху. Коефіцієнт корисної дії з кінетичного реактивного двигуна визначається співвідношенням

(4)

Реактивне сопло орієнтоване таким чином, що витікання плазми (продуктів вибуху) з робочої камери двигуна відбувається точно в позитивному напрямі осі координат, і визначається єдиною швидкістю витікання u (в системі координат космічного апарату). Кінетичний реактивний двигун є частиною космічного апарату. Маса m космічного апарату багато більше маси зонду M_З і маси мішені M_М (m >> M_З; m >> M_М). В цьому випадку швидкість u означає не лише швидкість реактивного струменя відносно робочої камери, але і в початковій системі координат, прийнятого при рішенні завдання (спочатку пов'язаної з космічним апаратом до зіткнення із зондом). Використовуючи ф. (1 - 4) отримаємо цю швидкість u

(5)

Після попадання зонду всередину робочої камери двигуна, в результаті повного гальмування продуктів вибуху стінками робочої камери, космічний апарат отримує поштовх управо з імпульсом MЗх. Цей імпульс має позитивне значення, спрямоване вправо в системі координат космічного апарату (мал. 2). Далі в результаті витікання продуктів вибуху через реактивне сопло космічний апарат отримує поштовх вліво з імпульсом - (M_З + M_М) u. Цей імпульс має негативне значення, т. до. спрямований вліво в системі координат космічного апарату (мал. 2). Загальна зміна імпульсу ?p космічного апарату після цих двох поштовхів дорівнює сумі двох отриманих в результаті поштовхів імпульсів. Отримуємо наступне співвідношення

(6)

Далі переходимо до розгляду динаміки руху космічного апарату в іншій системі координат, жорстко пов'язаній із зондом. Швидкість космічного апарату рівна V (у системі координат зонду) і пов'язана із швидкістю х зонду (в системі координат космічного апарату) співвідношенням V = - х. При нерелятивістській швидкості польоту спостережувана зміна імпульсу ?p космічного апарату не міняється при переході з системи координат космічного апарату, в систему координат зонду. Враховуючи, що V = -х, а також використовуючи ф. (1, 5, 6) отримаємо наступну систему рівнянь

(7)

(8)

Максимальний приріст імпульсу ?p (?p = ?p_max) досягається при максимальному значенні коефіцієнта S (S = S_max). Вирішуючи відносно змінної n, рівняння S' = 0, отримаємо оптимальне значення коефіцієнта

n (n = n_opt)

(9)

Оскільки S_max = f (n_opt), використовуючи ф. (8, 9) отримаємо

(10)

Однією з характеристик реактивного двигуна є ефективна швидкість витікання u_эф (синоніми: еквівалентна швидкість, питомий імпульс). Ефективна швидкість витікання u_эф дорівнює відношенню приросту імпульсу ?p до маси мішені M_м

(11)

Використовуючи ф. (7, 11) отримаємо



(12)

Ще однією важливою характеристикою реактивного двигуна є питома тяга F_уд. Питома тяга F_уд дорівнює ефективній швидкості витікання u_эф, що ділиться на прискорення вільного падіння на поверхні Землі g_о (g_о = 9,81 м/сІ). Використовуючи (12) отримаємо

(13)

Маса космічного апарату рівна m. Враховуючи, що M_М = - dm, перепишемо ф. (7) у виді

(14)

Інтегруючи ф. (14), за умови з = Const, n = Const, отримаємо співвідношення початковою маси m_н і кінцевої маси m_к космічного апарату (m_н > m_к), початковій швидкості V_н і кінцевій швидкості V_к його польоту (V_н < V_к)

Використовуючи ф. (10, 13) отримаємо максимальні значення питомої тяги F_уд кінетичного реактивного двигуна, для різних значень швидкості V (в діапазоні від 10 км/з до 90 км/с), і різних значень коефіцієнта корисної дії з (у діапазоні від 0,4 до 0,9).

кінетичний двигун космічний генератор



Таблиця 1

Максимальні значення питомої тяги F_уд при різних значеннях швидкості V і коефіцієнта корисної дії з

Використовуючи ф. (10, 13) отримаємо максимальні значення питомої тяги F_уд кінетичного реактивного двигуна, для різних значень швидкості V (в діапазоні від 100 км/з до 500 км/с), і різних значень коефіцієнта корисної дії з (у діапазоні від 0,4 до 0,9).

Таблиця 2

Максимальні значення питомої тяги F_уд при різних значеннях швидкості V і коефіцієнта корисної дії з

Для порівняння приведемо значення питомої тяги деяких інших перспективних реактивних двигунів: твердофазного ЯРД, ЯРД з рідкою активною зоною, газофазного ЯРД [6-9].



Таблиця 3

Значення питомої тяги F_уд деяких перспективних реактивних двигунів

З розгляду Таблиць 1-3 видно, що кінетичний реактивний двигун здатний розвивати високу питому тягу, значення якої перевищують питому тягу інших перспективних реактивних двигунів. Для цього необхідно забезпечити зустрічну швидкість основного космічного апарату (відносно угрупування зондів) в десятки і сотні км/с. Деякі можливі способи збільшення зустрічної швидкості основного космічного апарату (відносно угрупування зондів) будуть розглянуті нижче.

3. Маневрування і первинний розгін космічного апарату

Ефективність кінетичного реактивного двигуна зростає зі збільшенням зустрічній швидкості космічного апарату відносно угрупування зондів. При малій зустрічній швидкості, усередині зондів можна розміщувати ядерні або термоядерні заряди. Нині термоядерні вибухові пристрої мають занадто великі розміри і надмірну для нашого завдання потужність, проте не можна виключати можливість створення в майбутньому компактних термоядерних зарядів малої потужності. За рахунок використання ядерних або термоядерних зарядів буде забезпечена ефективна робота двигуна на самому початку польоту космічного апарату (при дуже низькій його швидкості).

Угрупування зондів може обертатися або навколо Сонця, або навколо планет-гігантів Сонячної системи. Якщо на початку польоту організувати рух космічного апарату назустріч угрупуванню зондів, то навіть на самому початку польоту їх зустрічна швидкість може скласти декілька десятків або навіть сотень км/с. У цих умовах кінетичний реактивний двигун здатний розвинути дуже високу питому тягу (навіть розміщення усередині зондів ядерних або термоядерних пристроїв). Найбільша зустрічна швидкість космічного апарату назустріч угрупування зондів може бути досягнута в

околицях Сонця. Проте для цього вимагається наблизити космічний апарат і угрупування зондів на таку відстань до Сонця, яке може привести до неприйнятно високому рівню сонячного опромінення. У цій ситуації сонячне випромінювання є чинником, що обмежує можливості розгону космічного апарату за допомогою кінетичного реактивного двигуна поблизу Сонця.

Зручними стартовими позиціями для початку польоту є системи планет-гігантів (Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун). Більшість супутників планет рухаються по прямих орбітам, т. е. напрям обертання супутника по орбіті співпадає з напрямом обертання планети. Проте деякі супутники рухаються по зворотних (ретроградним) орбітам. Ця обставина дозволяє організувати рух основного космічного апарату назустріч угрупування зондів, з дуже високою зустрічною швидкістю. Окрім того, що в системах планет-гігантів існують хороші умови для роботи кінетичного реактивного двигуна, деякі супутники планет-гігантів являються зручними об'єктами для колонізації. Тому використання кінетичних реактивних двигунів в системах планет-гігантів може мати дуже великі перспективи.

Для зміни орбіти (чи здійснення будь-яких інших маневрів), основний космічний апарат повинен мати деякий резерв автономного ходу (без прив'язки до угрупування зондів). Припустимо, що космічний апарат в силу якихось причин відхилився від розрахунковій траєкторії польоту і не може захоплювати зонди. Згаданий резерв автономного ходу допоможе космічному апарату повернутися на розрахункову траєкторію польоту, і знову почати захоплювати зонди. Можна скористатися допоміжними ракетними двигунами. Але у разі потреби також можна скористатися робочою камерою кінетичного реактивного двигуна. Для цього треба зберігати на борту космічного апарату деяка кількість ядерних або термоядерних зарядів малої потужності і по черзі здійснювати їх підривання усередині робочої камери. При витіканні продуктів вибуху з робочої камери через реактивне сопло, буде отриманий імпульс необхідний для коригування траєкторії польоту, для вільного пересування або без яких-небудь допоміжних ракетних двигунів.

На малюнку 4 зображено розташування орбіт угрупування зондів і основного космічного апарату, перед початком його розгону з використанням зондів.

Малюнок 4. Розташування орбіт угрупування зондів і основного космічного апарату: W - орбіта угрупування зондів; X - орбіта основного космічного апарату; Y - точка переходу основного космічного апарату на розгінну траєкторію; Z - центральне тяжіюче тіло (наприклад, Юпітер)

На малюнку 4 орбіта W зображена жирною лінією. Стрілками вказані протилежні один до одного напряму руху основного космічного апарату і угрупування зондів. Витрати реактивної маси для утримання основного космічного апарату на розгінній траєкторії (ділянка орбіти W), будуть мінімальними у випадку коли велика піввісь орбіти W, довше за велику піввісь орбіти X.

За допомогою своїх двигунів, основний космічний апарат і допоміжний космічні апарат, виводяться на орбіти W і X (перицентри цих орбіт співпадають). Необхідні для здійснення таких підготовчих маневрів значення характеристичної швидкості не перевищують декілька км/с. Це видно з того, що орбітальна швидкість Каллісто (який ближче до Юпітера, ніж Пасіфе), рівна всього 8,204 км/с. Далі, рухаючись по орбіті W, допоміжний космічний апарат формує протяжне угрупування зондів. Таким чином, ділянка орбіти W (між перицентром і апоцентром), готується для використання як траєкторії розгону основного космічного апарату. Співпадаючі перицентри є точкою переходу Y основного космічного апарату з орбіти X на орбіту W.

Припустимо, точка переходу Y розташована на відстані 70 тис. км від центру Юпітера (де перша космічна швидкість 45 км/з, а друга космічна швидкість 64 км/с). Отже, в точці переходу Y зустрічна швидкість космічного апарату і угрупування зондів, лежить в межах 90-128 км/с. Згідно Таблиці 1, при мінімальній зустрічній швидкості 90 км/з, питома тяга F_уд кінетичного реактивного двигуна складе F_уд = 1035-3137 з (навіть без урахування ядерних реакцій). У таких умовах, його питома тяга перевищує питому тягу ядерних ракетних двигунів різних типів (з твердою, рідкою, псевдоскрапленою або газоподібною активною зоною).

4. Захист від космічних променів

При збільшенні швидкості польоту зростає енергія і кількість часток, що потрапляють в передню частина космічного апарату. Із зростанням швидкості польоту, велика частина космічних променів проникатиме в космічний апарат через його передню частину (закриту щитом). У зв'язку з цим, частина заходів для мінімізації рівня радіації внутрішньо-космічного апарату полягає у збільшенні товщини, маси і розмірів щита, використанні матеріалів, добре поглинаючі і гальмівні космічні промені і т.д.

При проходженні космічних променів в речовині щита генерується вторинна радіація. Оскільки щит розташований на деякій відстані від космічного апарату, вторинні частки частково розсіюються (тобто у космічний апарат потрапляє лише частина зливи вторинних часток, а інша їх частина йде повз космічний апарат в космічний простір). У цьому полягає одно з переваг удаленого розташування зовнішнього щита в порівнянні з традиційними протирадіаційними екранами (які розташовуються усередині космічного апарату або на його поверхні).

Можливий ще один незвичайний метод боротьби із зустрічними космічними променями, який полягає у використанні щита спеціальної конструкції і складу, здатного відхиляти космічні промені убік від космічного апарату.

Існують різноманітні варіанти будови і конструкції щита, що дозволяє вирішити це завдання. Наприклад, можна виконати щит так, щоб по краях його товщина була більше, ніж в середній частині (т. е. щит матиме форму двоввігнутої, плоско-ввігнутої або опукло-увігнутої лінзи з отвором в центрі для прольоту зонду).

Можна також надати щиту форми лінзи Френеля (розсіювальною). Крім того, можна виконати щит у вигляді набору елементів, поверхня яких зорієнтована під гострим кутом до напряму польоту космічного апарату. Падіння під гострим кутом приведе до відображення космічних променів і їх відхилення в сторону від космічного апарату.

Профіль цих елементів може мати різну форму (прямокутну, призматичну, плоско-ввігнуту, опукло-увігнуту і т.д.)

Принципова схема конструкції щита, з елементів прямокутного профілю зображена на малюнку 5 (вигляд збоку в розрізі) і на малюнку 6 (вигляд спереду).

Малюнок 5. Конструкція щита (вигляд збоку в розрізі)

Можливе застосування щита змінної щільності, за допомогою якого також можна відхиляти частину космічних променів убік від космічного апарату.

Малюнок 6. Конструкція щита (вигляд спереду)

Один варіант полягає в тому, що щільність матеріалу, з якого виготовлений щит, зростає по напряму від середини щита до його країв. Інший варіант полягає в тому, що щільність речовини, з якої виготовлений щит, зменшується від передньої зовнішньої поверхні (з боку відкритого космосу) до задньої поверхні щита (з боку космічного апарату). В результаті, щит також може придбати заломлюючі властивості, що дозволяють відхилити частину космічних променів убік.

Існують і інші способи відхилення космічних променів (наприклад, при допомозі електромагнітних лінз). Ефективним захистом від потоків космічних променів також можуть бути магнітні поля, що створюються магнітною котушкою кінетичного двигуна. Найбільш надійний захист космічного апарату буде досягнутий при одночасному використанні різних способів поглинання, гальмування, розсіювання і відхилення космічних променів. Повністю здолати космічну радіацію навряд чи вдасться, але можна спробувати зменшити її загальний рівень усередині космічного апарату, або створити локальні зони зі зменшеним рівнем радіації.

5. Відведення тепла від кінетичного двигуна

Однією з основних проблем при створенні реактивних двигунів майбутнього є відведення надмірного тепла. При роботі кінетичного двигуна утворюється надмірна теплова енергія, яку необхідно викинути в космічний простір. Один з можливих способів вирішення цієї проблеми полягає у використанні для відведення тепло лазерів з тепловим накачуванням. Утилізація надмірної теплової енергії може відбуватися шляхом накачування цією теплотою лазерів, які перетворюватимуть надмірну теплову енергію у світло, і випромінювати його в космічний простір. На відміну від теплових радіаторів, для лазерів з тепловою накачуванням величина необхідної площі випромінювання не залежить від температури. Це обставина дозволить створювати компактні і потужні лазерні радіатори охолодження реактивних двигунів. Недоліком лазерів є малий робочий об'єм відбивача (резонатора), усередині якого неможливо помістити велика кількість активного середовища. В результаті потужність сучасних лазерів не перевищує декілька сотень кВт.

Для підвищення потужності можна виконати відбивач у вигляді напівпрозорої труби змінного перерізи, через яку за допомогою компресора прокачується активне середовище. Це дозволить організувати течію газу таким чином, що на певній ділянці труби відбивача виникає інверсія. В результаті, через напівпрозору поверхня відбивача назовні виходитиме потік випромінювання з високою інтенсивністю (на декілька порядків що перевищує інтенсивність випромінювання поверхні теплових радіаторів, при будь-яких реально досяжних температурах).

6. Кінетичний двигун на основі МГД-генератора

Можливі різні модифікації ідеї кінетичного реактивного двигуна. Можна створити кінетичний двигун, який складатиметься з магнітної воронки, МГД-генератора, електрореактивного рушія. Цей кінетичний двигун працюватиме таким чином. Захоплена магнітною воронкою плазма поступає в кінетичний двигун, проходить через канал МГД-генератора, і витікає назовні через реактивне сопло. При частковому гальмуванні зустрічного потоку плазми в каналі МГД-генератора, виробляється електричний струм. Цей струм приводить в дія електрореактивний рушій, працюючий на бортових запасах реактивної маси. За певних умов сила тяги реактивного рушія перевищує силу гальмування плазми, і космічний апарат збільшує швидкість польоту, відкидаючи частина своєї маси. Для розрахунку ефективності кінетичного двигуна на основі МГД-генератора можна використати формули, які були отримані для ударного кінетичного двигуна

Малюнок 7. Принципова схема кінетичного двигуна на основі МГД-генератора: 15 - магнітна воронка; 16 - МГД-генератор; 17 - електрореактивний рушій

На малюнку 7 синіми довгими стрілками показаний зовнішній потік речовини що поступає в кінетичний двигун. Синіми короткими стрілками показаний той же самий зовнішній потік речовини на виході з кінетичного двигуна (тобто, після його гальмування в каналі МГД-генератора). Червоними короткими стрілками показана реактивний струмінь працюючих електрореактивних двигунів.

Сила тяги електрореактивних рушіїв перевищує силу гальмування, і космічний апарат отримуємо прискорення вліво, тобто назустріч зовнішньому потоку плазми Проте щільність космічної речовини занадто мала, і для захоплення плазми може знадобитися магнітна воронка діаметром декілька сотень або навіть тисяч кілометрів. Розв'язати цю проблему знову можна за рахунок створення і використання угрупування зондів заздалегідь розташованих уздовж траєкторії польоту космічного апарату. У цьому випадку зонди повинні підриватися безпосередньо перед космічним апаратом (при допомозі розташованого усередині кожного зонду заряду вибухівки). Що утворилася при вибуху плазма використовуватиметься для роботи кінетичного двигуна. При такому способі живлення кінетичного двигуна плазмою, потрібний діаметр магнітної воронки може бути зменшені до декількох десятків метрів. Крім того, істотно спрощується завдання точного наведення зондів на космічний апарат. Для живлення кінетичного двигуна плазмою можна використати прискорювачі плазми що розташовуються на космічних об'єктах штучного або природного походження.

Перевагою такого способу живлення є висока швидкість зовнішнього потоку плазми, яка може складати десятки, сотні і тисячі км/с. За рахунок цього питома тяга кінетичного двигуна істотно зросте. Крім того, можна змінити організацію польоту таким чином, що космічний апарат розгониться не назустріч потоку плазми, а в попутному напрямі (при цьому треба буде розгорнути напрям тяги електрореактивних рушіїв на 180 градусів).

7. Деякі можливі модифікації кінетичного реактивного двигуна

На малюнку 5 зображена принципова схема кінетичного реактивного двигуна з розташуванням реактивного сопла в задній частині робочої камери. Що утворилася в результаті кінетичного вибуху плазма витікає в позитивному напрямі осі координат через реактивне сопло в задній частині робочої камери, створюючи реактивну тягу в негативному напрямі осі координат. Ця модифікація кінетичного реактивного двигуна відрізняється лише іншим місцем розташування реактивного сопла.

Малюнок 5. Принципова схема двигуна з розташуванням реактивного сопла в задній частини робочої камери двигуна

На малюнку 6 зображена принципова схема кінетичного реактивного двигуна з поєднанням функцій і конструктивним об'єднанням робочої камери і реактивного сопла. Передня частина робочої камери має форму труби, що звужується, задня частина робочої камери має форму труби, що розширюється. Продукти вибуху, що утворилися рухаються з різною швидкістю уздовж передньої частини робочої камери, що звужується.

Одна частина продуктів вибуху рухається з надзвуковою швидкістю і випробовує гальмування, інша частина рухається з дозвуковою швидкістю і випробовує прискорення. У процесі цього руху, відбувається погашення ударних хвиль, вирівнювання швидкостей і температури продуктів вибуху. В результаті утворюється потік нагрітої плазми який поступово переходить в задню частину робочої камери, що розширюється, і рухається в ній з прискоренням. Потім потік плазми витікає з тієї, що задньої, що розширюється частини робочої камери в позитивному напрямі осі координат,а космічний апарат отримує приріст імпульсу в протилежному негативному напрямі.

Малюнок 6. Принципова схема двигуна з поєднанням функцій і конструктивним об'єднанням робочої камери і реактивного сопла

На малюнку 7 зображена принципова схема кінетичного реактивного двигуна з конструктивним об'єднанням і поєднанням функцій щита і реактивного сопла. Функцію реактивного сопла виконує внутрішня поверхня щита. Робоча камера має широкий отвір в передній своїй частині. Робоча камера виконує функцію екрану, перешкоджаючи прямому виходу плазми в космічний простір, і направляючи потік плазми спочатку на внутрішню поверхню щита. Після цього, потік плазми відбивається від внутрішньої поверхні щита, і виходить в космічний простір в позитивному напрямі осі координат. В результаті космічний апарат отримує тяговий імпульс в протилежному негативному напрямі. Внутрішня поверхня щита може мати форму реактивного сопла, параболічного дзеркала, або будь-яку іншу форму, необхідну для створення максимальної сили тяги.

Малюнок 7. Принципова схема двигуна з поєднанням функцій і конструктивним об'єднанням щита і реактивного сопла



ВИСНОВКИ

Кінетичні двигуни мають просту конструкцію, і можуть бути побудовані навіть при сучасному рівні розвитку науки і техніки. Кінетичні двигуни можуть використовуватись для виведення вантажів на навколоземну орбіту, для польотів в системах планет-гігантів, і для будь-яких інших польотів в Сонячній системі і за її межі. Окремо слід зупинитися на проблемі міжзоряних польотах. Як вже було сказано раніше, питома тяга кінетичних двигунів прямо пропорційна швидкості польоту. Оскільки для здійснення міжзоряних польотів в розумні терміни потрібна швидкість в десятки тисяч км/з, то питома тяга кінетичних двигунів в цих умовах буде приймати дуже високі значення. Отже, кінетичні двигуни цілком можуть застосовуватись в процесі здійснення міжзоряних польотів (у тому числі пілотованих).

Ще одна важлива особливість кінетичних двигунів полягає в тому, що в якості реактивної маси вони можуть використати практично будь-які матеріали, в тому числі частини конструкцій космічного апарату. Тому, співвідношення початкової маси космічного апарату (так зване число Ціолковського), в принципі нічим необмежено. Крім того, на борту космічного апарату можна створити практично будь-які запаси усього необхідного: вода, кисень, продукти харчування, запасні частини и механізми, і т.д. За рахунок цих запасів, зникає потреба в створенні замкнутого циклу забезпечення життя людини. Таким чином, створення і застосування кінетичних двигунів дозволяє вирішити в комплексі цілий ряд ключових завдань і проблем, які виникають при плануванні майбутніх далеких космічних експедицій.

Основною особливістю кінетичного реактивного двигуна є збільшення його ефективності (питомої тяги), у міру зростання швидкості польоту космічного апарату. В результаті, при високій швидкості польоту питома тяга кінетичного реактивного двигуна перевершує питому тягу інших перспективних космічних реактивних двигунів. Даний двигун не потребує палива, має просту конструкцію, і може бути побудований при сучасному рівні розвитку науки і техніка. Висока ефективність дозволяє використати кінетичний реактивний двигун для освоєння Сонячної системи і для здійснення міжзоряних польотів.



ЛИТЕРАТУРА

1. Bussard, R. Galactic Matter and Interstellar Flight / R. Bussard // Astronautica Acta. - 1960. - Vol. 6. - Р. 94 - 179.

2. Whitmire, D.P. Laser Powered Interstellar Ramjet / D.P. Whitmire, A.A. Jackson, JBIS 30, 1977. - Р. 223 - 226.

3. Подвысоцкий, В.В. Прямоточный импульсный МГД-двигатель / В.В. Подвысоцкий // Современная техника и технологии [Электронный ресурс]

4. Подвысоцкий, В.В. Двигатель для космического корабля / В.В. Подвысоцкий // Инженер. - 1992. - №1. - С. 39

5. Подвысоцкий, В.В. Космические двигатели третьего тысячелетия / В.В. Подвысоцкий // НиТ «Наука и техника», 2003.

6. Паневин, И.Г. Космические ядерные ракетные двигатели / И.Г. Паневин [и др.]. - М.: Знание, 1978. - 64 с.

7. Dewar, J. The Nuclear Rocket: Making Our Planet Green, Peaceful and Prosperous / J. Dewar, R. Bussard. - Burlington, Ontario, Canada : Apogee Books, 2009.

8. Ракетные двигатели и энергетические установки на основе газофазного ядерного реактора /под ред А.С. Коротеева. - М. : «Машиностроение», 2002.

9. Коротеев, А.С. Развитие работ по газофазному ядерному реактору в России / А.С. Коротеев, Э.Е. Сон. - AIAA-2007-0035, 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. - Reno, Nevada, 2007.

10. Lawson, J.D. Some Criteria for a Power Producing Thermonuclear Reactor / J.D. Lawson // Proc. Phys. Soc., 1957.

Размещено на Allbest.ru

...