На Марс за 40 дней?

[vadik]

Едва ли не основная сложность в организации пилотируемой миссии на Марс – ее продолжительность. Текущие технологии потребуют полгода на путешествие только в одну сторону – и этот срок порождает массу дополнительных проблем, от трудностей с жизнеобеспечением до защиты от длительного воздействия радиации. Однако плазменный двигатель нового поколения может сократить время, которое требуется для полета к Марсу, всего до 39 дней.


Традиционные реактивные двигатели ракет создают тягу за счет экзотермической химической реакции между компонентами топлива. Львиная его доля уходит на преодоление земного притяжения и вывода аппарата на орбиту.

В отличие от них, плазменные ракетные двигатели (ПРД) используют в качестве создающего тягу рабочего тела заряженную плазму, то есть полностью ионизированный газ. Работает это так: нейтральный газ (обычно водород или гелий) подается в специальную камеру и ионизируется. Получившаяся холодная плазма поступает во вторую камеру и разогревается. Наконец, в третьей камере создается весьма быстрый направленный поток плазмы, который и толкает аппарат вперед.

Современное состояние техники не позволяет создать такие двигатели, способные преодолеть силу тяжести, однако в работе на орбите они могут оказаться незаменимыми. Во-первых, топлива им требуется на порядки меньше, чем обычным ракетам. Во-вторых, работают они очень подолгу. Разгоняясь понемногу, зато постоянно, они позволяют кораблям, на которых установлены, довольно быстро обгонять своих традиционных собратьев.



Стоит сказать, что первые такие двигатели были изобретены в СССР, о чем мы писали в статье «Потомки повелителя ветров». Еще в конце 1971 г. первый аппарат, оснащенный ПРД «Эол-1», успешно был испытан в космосе. А сегодня электроракетными двигателями оснащен, к примеру, американский зонд Dawn, совершающий далекое путешествие в астероидам Веста и Церера (читайте о ней: «Легенды астероидного пояса»), или японский аппарат Hayabusa, который в 2005 г. изучил астероид Итокава («Астероид в рубашке»). Правда, на этих аппаратах установлены не плазменные, а ионные двигатели.

Впрочем, двигатель VASIMR, о котором пойдет речь, представляет собой куда более совершенную систему. Работает над ним компания Ad Astra, которая была основана в 2005 г. физиком и бывшим астронавтом Франклином Чен-Диазом (Franklin Chang-Diaz).

В VASIMR в качестве источника плазмы используется благородный газ аргон. Радиочастотный генератор раскаляет его до такой температуры, что его электроны отрываются от ядер, создавая плазму. Эта плазма способна создать тягу уже сама по себе, но для достижения куда большей эффективность ее лучше еще сильнее нагреть. Рабочая температура плазмы в VASIMR достигает миллионов градусов. Получается это при помощи сверхпроводящих электромагнитов. Они создают сильное магнитное поле, в котором заряженные ионы газа колеблются с определенной частотой. При этом на них воздействуют радиоизлучением, вступающим в резонансное взаимодействие с движением ионов плазмы. Они получают все новую и новую энергию. Затем другие электромагниты создают ток плазмы в виде тонкой и очень быстрой струи, которая выбрасывается из сопла и толкает двигатель в противоположном направлении.

По словам разработчиков, VASIMR в сотни раз более производителен, чем традиционные ионные двигатели, в которых ионы просто ускоряются, последовательно проходя через серию электродов, находящихся под все возрастающим напряжением. Кроме того, при такой схеме работы ионы часто соударяются с электродами, довольно быстро приводя к их эрозии и снижая срок жизнедеятельности двигателя. В отличие от них, в VASIMR никакого контакта плазмы с самим двигателем не происходит – примерно как пища разогревается в микроволновке, не касаясь ее стенок. Примерно так же устроены российские плазменные двигатели СПД (только в них используется относительно холодная плазма).



Первый компонент двигателя, создающий плазму, был успешно испытан 2 июля. А на прошлой неделе начались его испытания со второй частью, где плазма раскаляется. К настоящему времени ученым удалось успешно апробировать эту установку при нагрузке 50 КВт, но когда-нибудь они намерены добраться хотя бы до 200 КВт. По их расчетам, этой энергии достаточно, чтобы такой двигатель сумел доставить 2-тонный груз из точки, близкой к Солнцу, на Юпитер – всего за 19 месяцев (среднее расстояние от звезды до планеты-гиганта составляет примерно 780 млн км).

Руководство Ad Astra уже получило официальное согласие NASA на проведение тестов двигателя на борту МКС, где-нибудь в 2012-2013 гг. В принципе, VASIMR может в будущем быть надолго установлен на станции, чтобы поддерживать ее положение на орбите.

Важно и то, что на текущем уровне мощности VASIMR способен полностью обеспечивать себя за счет солнечной энергии. Так что в будущем такие небольшие ПРД вполне подойдут для установки на спутники и позволят им, не требуя дополнительных источников питания, корректировать свой полет. В Ad Astra видят и другой вариант использования: отправку легких аппаратов с их двигателями к астероидам, которые могут потенциально угрожать нашей планете столкновением. «Вцепившись» в такое небесное тело, аппараты включат двигатели и отведут опасность в сторону.

Что же до 39-дневного перелета к Марсу, то VASIMR потребуется стать куда мощнее – примерно в 1000 раз, чем сегодня. А для этого солнечной энергии будет совершенно недостаточно, так что предполагается, что питаться он будет от бортового ядерного реактора. Подобные системы тоже разрабатывались в СССР, но сегодня эта тема несколько подзабыта.

Впрочем, перспективы оказаться на Марсе так быстро весьма захватывают. Новый глава NASA Чарльз Болден (Charles Bolden) выделил грант на дальнейшую работу по проекту VASIMR и заявил, что вообще сотрудничество его агентства с частными компаниями вполне может стать тем шансом, который позволит NASA выполнить все грандиозные задачи, стоящие перед ним в следующие десятилетия.

Действительно, освоение пространства полностью зависит от развития систем передвижения. Открытие реактивных двигателей быстро привело к выходу человека в космос и высадке на Луну. Но на этих «лошадках прошлого» на Марс добраться слишком трудно. Экспедиция сроком в несколько лет может стать большим свершением, но наверняка единичным. А если VASIMR позволит сократить ее до пары месяцев – Красная планета, а заодно и другие тела Солнечной системы, окажутся куда ближе, чем сегодня.

По публикации New Scientist Space

http://www.popmech.ru/article/5718-plazmennyiy-motor/

[vadik]

И еще ссылочка (там и видео) - выходец из России работает по тому же направлению http://www.ntv.ru/novosti/170232/

В России оказался не нужОн внедрежь

[byran]

Первый компонент двигателя, создающий плазму, был успешно испытан 2 июля. А на прошлой неделе начались его испытания со второй частью, где плазма раскаляется. К настоящему времени ученым удалось успешно апробировать эту установку при нагрузке 50 КВт, но когда-нибудь они намерены добраться хотя бы до 200 КВт. По их расчетам, этой энергии достаточно, чтобы такой двигатель сумел доставить 2-тонный груз из точки, близкой к Солнцу, на Юпитер – всего за 19 месяцев (среднее расстояние от звезды до планеты-гиганта составляет примерно 780 млн км).

Т.е. для работы двигателя нужна мощность в десятки киловатт? Интересно, как с помощью солнечных батарей они планируют ее достичь?
Ну я понимаю МКС - там есть такая мощность, но сами панели с радиаторами весят в десятки тонн. А как для межпланетных миссий? Для JIMO то ЯУ планировалось. Есть оценки габаритов солнечных батарей для такой миссии? Планируют использовать наработки по платформам наиболее тяжелых ГСО спутников?

[byran]

Вот кстати для представления о размерах.

http://space.skyrocket.de/doc_sat/loral-2020.htm



Вырабатываемая мощность 17-30 килоВатт, масса аппарата около 8,5 тонн.

[vadik]

Интересно, ведутся ли у нас такие разработки, или же ставка на стандартные движители?

[Bell]

Интересно, ведутся ли у нас такие разработки, или же ставка на стандартные движители?

Ставка на ЭРД. VASIMR у нас не занимаются.

[Птыц]

У нас двигатели (ЭРД) на эффекте Холла (Hall): http://users.gazinter.net/fakel/spd290.html, http://en.wikipedia.org/wiki/Hall_effect_thruster.

[pkl]

Чтобы говорить об этом всерьёз нужно сначала ЯЭУ возродить.

[KBOB]

Ктонибудь может нарисовать траекторию полета на Марс за 39 дней. Сколько при этом на Марсе придется зимовать? Сколько обратно лететь? Хотя бы на словах нарисовать кто нибудь может?

[Игорь Суслов]

Ктонибудь может нарисовать траекторию полета на Марс за 39 дней. Сколько при этом на Марсе придется зимовать? Сколько обратно лететь? Хотя бы на словах нарисовать кто нибудь может?

Помнится, была такая траектория 70+10+70 суток, вроде, соответсвует отлетной скорости, равной третьей космической.
70 -"туда", 10 - "там", 70 - "назад"

[tktyf]

При таких скоростях на Марс и обратно можно за одно противостояние слетать.

[Дмитрий Виницкий]

Это как? :wink:  :shock:

[Игорь Суслов]

При таких скоростях на Марс и обратно можно за одно противостояние слетать.

Под "третьей космической", в данном случае, подразумевается скорость около 16,7 км/с на LEO.

[KBOB]

При таких скоростях на Марс и обратно можно за одно противостояние слетать.

Вот и я об этом подумал!
Открыл Левантовского "Механика космического полета" - при полете на Марс по параболической траектории продолжительность перелета 69.9 сут;
время от момента старта до противостояния - 76.3 сут;
скорость подлета к Марсу - 34.124 км/сек
При меньших скоростях продолжительность полета становится больше, чем время от момента старта до противостояния и космонавты вынуждены на Марсе сидеть и ждать почти целый марсианский год.
Но это для полетов с большой тягой.

[Игорь Суслов]

при полете на Марс по параболической траектории продолжительность перелета 69.9 сут.

...значит, я не ошибся...

[Pavel]

скорость подлета к Марсу - 34.124 км/сек

Хороша скорость!

[KBOB]

Скачал первую страницу статьи (больше не дают)
http://pdf.aiaa.org/jaPreview/JGCD/2001/PVJAIMP4844.pdf

Details of trajectories for the outbound legs of crewed missions
to Mars, with trip times of 145 and 168 days, are shown.
   Chang-Diaz et al.1 present an experimental plasma thruster being
developed at NASA Johnson Space Center. The thruster is con-
structed using compact, high- eld, and lightweight superconduc-
tors. It uses the characteristics of an rf heating of a neutral gas like
hydrogen to generate plasma and an electromagnetic eld to vector
the exhaust.The device is projectedto be capable of speci c impulse
Isp variations within the range of 1000– 35,000 s at a rated power
of 10 MW. The speci c mass and ef ciency of the power plant are
estimated to be approximately 6 kg/kW and 60%, respectively.

[Chilik]

В отличие от них, плазменные ракетные двигатели (ПРД) используют в качестве создающего тягу рабочего тела заряженную плазму, то есть полностью ионизированный газ. Работает это так: нейтральный газ (обычно водород или гелий) подается в специальную камеру и ионизируется. Получившаяся холодная плазма поступает во вторую камеру и разогревается. Наконец, в третьей камере создается весьма быстрый направленный поток плазмы, который и толкает аппарат вперед.

Ничего не понял в этом абзаце из цитированной статьи. Возможно, так и было задумано, для защиты от промшпионажа.
1. ЕМНИП, "обычно водород или гелий" не использовался в таких системах ни разу.
2. Эти три камеры - это нечто.
3. Двигателей, выбрасывающих заряженную плазму, не бывает.
4. И вообще, полностью ионизированный газ и заряженная плазма - это два совсем разных зверя.

Короче, читать статью в принципе можно, а особо серьёзно к ней относиться - вряд ли. Жалко Чанг-Диаса, как-то постоянно плановый срок натурных испытаний ползёт вправо.

С испытаниями на МКС тоже всё понятно: от борта они потребляют небольшую мощность, а свои 200 кВт будут выдавать от аккумуляторов. Мощность и к.п.д. подтвердить в принципе смогут, ресурс - нет.

Да, по поводу их марсианских мечтаний: есть же первоисточник (Ad Astra Rocket Company). Они говорят, что для энергетики 12 МВт время перелёта в один конец составит 4 месяца, а если располагаемая мощность 200 МВт - то эти самые 39 дней. Хотеть не вредно.

[fan2fan]

Ламерский вопрос.
Возможно ли использование ЯРД для взлетно-посадочной ступени марсианского комплекса ? Т.е. такая схема, где быстрый полет на плазме сочетается с тяговитым ядерным двигателем посадки и взлета (все садится и ничего не остается ожидать на орбите, на все общий энергоисточник) - ? (С Земли, конечно, на химии все взлетает).
ИМХО такой полет был бы идеальным флаговтыком - осталось дождаться развития технологии...

[tktyf]

У ЯРД удельная тяга маловата для посадки на Марс.