Перспективные двигатели

Не могу удержаться, чтобы не скопировать статью создателя СМОЛы о том, как термоядерный реактор поможет летать в космосе.
Отсюда

---

Пара слов об УТС и плазме, часть 5. Марсианские двигатели.
Всем чертовски интересно, когда и на чём мы повезём к Марсу саженцы яблонь и картошку. Об этом регулярно просят рассказать журналисты, из рассказов они делают свои заметки и репортажи, при этом часть информации неминуемо теряется (см. рис. 1).
В общем, после очередного сюжета в телевизоре учёный совет Института ядерной физики предписал мне написать про плазменные двигатели популярно. Не то, чтобы я был специалистом по космосу, у меня даже Kerbal Space Program не установлена, но что-то слышал. Будем надеяться, знатоки донесут подробностей.




Очевидный момент: маршевый двигатель нужен космическому аппарату, чтобы изменять его скорость. Двигатель может быть тяговитым, может быть экономичным, может иметь приемлемую мощность. Как обычно, нужно выбрать два пункта из трёх.
Если отложить в сторону аэродинамические и гравитационные потери, скорость космического корабля можно определить по формуле Циолковского. Она есть в школьном курсе, поэтому я рискну и вставлю её в текст. Это последняя формула в посте, не торопитесь его закрывать. Здесь V — скорость аппарата, V_1 — скорость реактивной струи, M_1 — масса «сухого» корабля, M_2 — масса, выброшенная в реактивной струе:



Логарифм — функция весьма неприятная, поскольку растёт медленно. Чтобы разогнать аппарат до скорости, равной скорости реактивной струи, две трети стартовой массы должно быть занято рабочим телом. Если потребуется разогнаться до вдвое большей скорости, нужно выбросить 5/6 массы; втрое — 95%. То есть, мы выбрасываем почти всё, что везём. Чтобы жить было легче, скорость реактивной струи должна быть по возможности большой.
NB: при разговоре о ракетных двигателях правильнее говорить об удельном импульсе, то есть, величине импульса (m·dV), полученной за счёт выбрасывания единицы массы рабочего тела (dm). Сферически и в вакууме, при идеальной конструкции двигателя, эта величина будет совпадать с направленной скоростью струи. Если силу тяги измерять в Ньютонах, то удельный импульс измеряется в м/с; если использовать килограммы-силы — то в секундах (нужно метры в секунду разделить на 9.8 м/с²).
Тяга двигателя — вещь простая, это удельный импульс, умноженный на выброшенную за секунду массу. Хочешь больше тяги — жги больше!
Полезная мощность из тяги и удельного импульса получается автоматически — перемножением и делением пополам. Хотите экономно расходовать массу — или снижайте тягу (разгон будет долгим), или повышайте мощность.
Хороший химический двигатель может дать удельный импульс (в м/с), несколько больший, чем скорость звука в сгорающем топливе. Можно вывернуться наизнанку, но двигатель на кислороде и керосине не даст больше 335 с (3350 м/с), а на водороде и кислороде — 430 с (4300 м/с). Возможность расходовать пару тонн топлива в секунду позволяет с их помощью красиво и эпично стартовать с поверхности Земли [1, 2]. Но речь идёт о гигаваттах и тоннах в секунду.






Для старта с Земли нужно набрать (с учётом потерь) около 10 км/с, для перехода с низкой опорной орбиты на геостационарную или для полёта к Луне/Марсу потребуется 4–8 км/с [3]. И то, и другое — слишком много для химических двигателей. Но пока лифты, катапульты и фонтаны остаются научной фантастикой, альтернативы химическому топливу для вывода на орбиту всё равно нет.
Выше начинаются варианты. Можно повышать температуру вещества, чтобы скорость звука и истечения стала выше (вещество станет плазмой) либо ускорять частицы в электрическом и магнитном полях (вещество должно быть, опять-таки, плазмой).
В этот момент мы добираемся до электроракетных двигателей в целом и плазменных в частности. Речь здесь идёт про удельный импульс в районе 1–10 тысяч секунд (10–100 км/с) и мощность... В общем, сколько найдётся.
Если мощность фиксирована, наиболее удобное соотношение удельного импульса и тяги диктуется задачей. Для быстрого прохождения радиационных поясов полезен двигатель с бо́льшей тягой (а также меньшим импульсом и быстрой тратой рабочего тела), для марша до Юпитера эффективен высокий удельный импульс (и малая тяга с копеечным ускорением, которое может длиться месяцами на одном баке).



Из летающих сегодня космических аппаратов самым мощным является МКС с солнечными батареями на 80 кВт [4]. Вот эти 35-метровые панели:



В целом, всё, что летает сейчас, может дать двигателям не больше нескольких киловатт (чаще — меньше). Разговоры о ближней перспективе — это разговоры о мегаваттных ядерных реакторах (и нескольких сотнях киловатт мощности двигателя). Например, вот этих [5, 6]:






На мощности до нескольких киловатт хорошо работают ионные двигатели. Идея в следующем: газ ионизируется до плазмы, из неё в зазор между двумя сеточками вытягивается поток ионов и ускоряется постоянным напряжением. После второй сетки к ним добавляется поток электронов, чтобы аппарат не заряжался отрицательно [7].
Проблемы начинаются при повышении мощности: разряд начинает быстро жрать разрушать сетку. Кроме того, двигатель становится слишком большим: при разумных полях тяга на единицу площади ограничена величиной на уровне ~0.1–0.2 гс/см² (10–20 Н/м²).
Примечание: это — не термоядерный двигатель.



Следующий вариант, активно летающий в космосе — кольцевой разряд в магнитном поле. Плазма заперта в промежутке между цилиндрическим центральным электродом и полой бочкой. Ток по центральному электроду создаёт вокруг себя магнитное поле, направленное по окружности. На ток, текущий по радиусу (от стенки к центру), действует обычная сила Ампера, ускоряющая плазму вдоль оси центрального электрода. Подобный стационарный плазменный (он же — холловский) двигатель при том же размере может дать бо́льшую тягу, чем ионный, но его удельный импульс практически жёстко задан конструкцией.
Про эту штуку здесь уже писали, поэтому даю ссылки: первая и вторая части. Добавлю пару иллюстраций для наглядности [7]:



В наших краях двигателями этого типа активно занимается ОКБ «Факел» из Калининграда, выпуская двигатели для всех желающих с мощностью от сотни ватт (летает) до 15 киловатт (пока модель) [8].






По подобной схеме (по сути, матрёшка из вложенных один в другой 4 двигателей разного размера) для NASA делается 100-киловаттный прототип XR-100 [9].
И, да. Это — не термоядерный двигатель.



На сравнительно большой мощности становится адекватной возможность разгонять нагретый газ через сопло. Но три тысячи градусов — это мало. Плазму можно нагреть до гораздо более интересных температур: четыре миллиона градусов звучат как-то поубедительнее.
Чтобы она не охлаждалась о стенки, можно изолировать рабочее тело от корпуса двигателя продольным магнитным полем, а с одной из сторон сформировать из расходящихся силовых линий магнитное сопло.
(Над вами на второй космической скорости пролетит две открытые ловушки).
Важная фишка: меняя подачу газа при постоянной суммарной мощности нагрева, можно менять температуру вытекающей в сопло плазмы. А значит, и удельный импульс. А значит, с помощью одного и того же двигателя давать побольше жару тяги в поясах ван Аллена, а после экономно ускоряться/замедляться в месячном полёте до Марса.
Вся эта штука называется VASIMR и допилена до железного 200-киловаттного прототипа. (Опять-таки, и это не термоядерный двигатель).



Двигатели ставятся парой: стрелка магнитного поля в одном направлена от источника к соплу, в другом — наоборот. В остальном поля одинаковы. Из-за этого магнитное поле быстрее спадает при удалении от среза сопла (вся сборка — квадруполь, а не диполь); это позволяет плазме в определённый момент оторваться от магнитных силовых линий и улететь куда подальше, а двигателю — собирать меньше заряженных частиц из окружающего пространства.



В этот момент удобно упомянуть, каким боком в этой теме оказался автор поста. Двигатель с магнитным соплом сам по себе — открытая ловушка (точнее, две). Если у нас есть многопробочная ловушка с бегущими пробками, мы можем заставить пробки бежать от входа к выходу — в таком случае поток плазмы будет не тормозить, а ускоряться. Как и в посте про открытые ловушки, магнитное поле здесь винтовое; плазма вращается; с точки зрения плазмы винт выталкивает её в нужную сторону областями сильного поля. Отличие — в шаге винта: для двигателя он обязательно должен расти от источника к соплу.
Плюсы — переменный удельный импульс, нетребовательность к рабочему телу, отсутствие сложных систем нагрева.
Минусы... Это пока даже не модель, это научная идея, из которой проглядывает что-то интересное. До лётного образца здесь лет пятнадцать с того момента, как кто-нибудь решит дать на него денег.
Да, конечно. Это не термоядерный двигатель, что бы ни писали журналисты (см. рис. 1).






Теперь про настоящий термоядерный двигатель. Это должно быть эпично.
Размышления, конечно, из разряда научной фантастики, а не серьёзных проектов. Но и мы не в журнале Physics of Plasmas.
Двигатель на DT-топливе смысла не имеет: 80% энергии уходит во все стороны с нейтронами, не создавая тяги. Значит, нужно использовать DD или D3He (см. первый пост про УТС). Плотность мощности энерговыделения в них при разумной плотности вещества составляет примерно 1 МВт/м³, а для поддержания реакции требуется время удержания энергии на уровне нескольких секунд. Для линейной ловушки с секциями улучшенного удержания это соответствует длине от 50 (для очень хорошего удержания) до 300 (для умеренного улучшения) метров. Если мы хотим создать реактивную струю, удержание с одного из концов придётся слегка ухудшить. Пусть из-за этого длина будет 150 м.
Площадь поперечного сечения тоже не может быть сколь угодно маленькой: вращающиеся в магнитном поле ионы (рис. 1 из поста про ловушки) должны хоть как-то умещаться внутри плазмы. При разумных величинах магнитного поля сечение будет на уровне 0.3 м².
Двигатели ставим парой, как в VASIMR'е.
Всё это даёт объём термоядерной плазмы в районе 100 м³ и мощность в духе 100 МВт.
При этом 300 км/с (с учётом торможения в многопробочных секциях и добавки балластного газа в струю) — разумная оценка для скорости истечения. Расход рабочего тела выйдет на уровне 2 г/с, а тяга — 60 кгс.
По земным меркам этот космический катамаран будет разгоняться очень неспешно, но он может делать это много лет подряд [10].



Рядом с таким двигателем красиво смотрятся катапульты для конвейерного вывода грузов на орбиту, обитаемые базы на лунах Юпитера и беспилотные миссии за пределы облака Оорта...
Да, чёрт возьми, всё что угодно красиво смотрится рядом с термоядерным планетолётом!
Но пока это к научной фантастике.

Ps. Привет «Факелу», если кто читает. =)