Физика и астрономия

 

 

 

 

 

 

               Подготовил доклад по физике

     на тему "физика и астрономия"

           Курсант   ЭУ - 11 группы

                  Пащенко Денис .          

 

 

 

 

 

                                                                                                                                            

                                                                 Проверил: Санникова 

                   Александра Александровна.    

 

 

 

 

 

 

                                       ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

■В обычных ракетных двигателях тяга возникает в результате сжигания химического топлива. В злектрореактивных она создается посредством ускорения электрическим или магнитным полем облака заряженных частиц или плазмы.

■Несмотря на то что электрические ракетные двигатели характеризуются гораздо меньшей тягой, они позволяют при той же массе топлива в итоге разогнать космический аппарат до гораздо большей скорости.

■Способность достигать  высоких скоростей и высокий  КПД использования рабочего вещества («топлива») делают электрореактивные  двигатели перспективными для дальних  космических полетов.

Одинокий во мраке космоса, зонд Dawn («Рассвет») NASA несется за орбиту Марса к поясу астероидов. Он должен собрать новые сведения о начальных этапах образования Солнечной системы: исследовать астероиды Весту и Цереру, представляющие собой крупнейшие остатки эмбрионов планет, в результате столкновения и взаимодействия которых друг с другом около 4,5-4,7 млрд лет назад сформировались сегодняшние планеты.

Однако этот полет примечателен не только своей целью. Dawn, стартовавший в октябре 2007 г., оснащен плазменным двигателем, способным сделать реальностью полеты на большие расстояния. На сегодняшний день существует несколько типов таких двигателей. Тяга в них создается посредством ионизации и ускорения электрическим полем заряженных частиц, а не путем сжигания жидкого или твердого химического топлива, как в обычных.

Создатели зонда Dawn из Лаборатории реактивной тяги NASA выбрали плазменный двигатель, поскольку для достижения пояса астероидов ему потребуется в десять раз меньше рабочего вещества, чем двигателю на химическом топливе. Традиционный ракетный двигатель позволил бы зонду Dawnдостичь либо Весты, либо Цереры, но не обеих.

Электроракетные двигатели  быстро завоевывают популярность. Недавний полет космического зонда Deep Space I NASA к комете стал возможным благодаря применению электрической тяги. Плазменные двигатели создавали также тягу, требовавшуюся для попытки посадки японского зондаHayabusa на астероид и для полета космического аппарата SMART-1 Европейского космического агентства к Луне. В свете продемонстрированных преимуществ разработчики в США, Европе и Японии при планировании дальних полетов выбирают именно такие двигатели для будущих миссий по исследованию Солнечной системы и поиску за ее пределами планет, подобных Земле. Плазменные двигатели также позволят превратить космический вакуум в лабораторию для фундаментальных физических исследований.

                  Плазменное решение

 

 

 

Плазменные двигатели  позволяют получить гораздо более  высокие скорости истечения. Тяга создается  за счет ускорения плазмы — частично или полностью ионизированного  газа — до скоростей, существенно  превышающих предельные для обычных  газодинамических двигателей. Плазма создается посредством сообщения  газу энергии, например при облучении  его лазером, микро- или радиочастотными  волнами, либо с помощью сильных  электрических полей. Избыточная энергия  отрывает электроны от атомов или  молекул, которые в результате этого  приобретают положительный заряд, а оторванные электроны получают возможность свободно двигаться  в газе, благодаря чему ионизированный газ становится гораздо лучшим проводником  тока, чем металлическая медь. Поскольку  плазма содержит заряженные частицы, движение которых в большой степени  определяется электрическим и магнитным  полями, воздействие на нее электрическим  или электромагнитным полями способно ускорять ее компоненты и выбрасывать  их в качестве рабочего вещества для  создания тяги. Необходимые поля можно  создавать с помощью электродов и магнитов, используя внешние  антенны или проволочные катушки, либо путем пропускания тока через  плазму.

Энергию для создания и  ускорения плазмы обычно получают от солнечных батарей. Но для космических  аппаратов, направляющихся за орбиту Марса, потребуются атомные источники  энергии, т.к. при удалении от Солнца интенсивность потока солнечной  энергии уменьшается. Сегодня в  автоматических космических зондах используются термоэлектрические устройства, нагреваемые за счет энергии распада  радиоактивных изотопов, но для более  продолжительных полетов потребуются  ядерные или даже термоядерные реакторы. Включаться они будут только после  вывода космического аппа рата на стабильную орбиту, находящуюся на безопасном расстоянии от Земли, до начала работы ядерное топливо должно поддерживаться в инертном состоянии.

До уровня практического  применения разработаны три типа электроракетных двигателей. Шире всего  применяется ионный двигатель, которым  и был оснащен зонд Dawn.

 

 

 

            Ионный двигатель

 

Идею ионного двигателя, одну из наиболее успешных концепций  электрического метода создания тяги, выдвинул сто лет назад американский пионер ракетной техники Роберт Годдард (Robert H.Goddard), будучи еще аспирантом Вустерского политехнического института. Ионные двигатели позволяют получать скорости истечения от 20 до 50 км/с.

В наиболее распространенном варианте такой двигатель получает энергию от панелей фотоэлементов  с запорным слоем. Он представляет собой  короткий цилиндр размерами немного  больше ведра, установленный в кормовой части космического аппарата. Из «топливного» бака в него подается газообразный ксенон, который поступает в ионизационную  камеру, где электромагнитное поле отрывает от атомов ксенона электроны, создавая плазму. Ее положительные  ионы вытягиваются и разгоняются  до очень высоких скоростей электрическим  полем между двумя сетчатыми  электродами. Каждый положительный  ион плазмы испытывает сильное притяжение к отрицательному электроду, расположенному в задней части двигателя, и поэтому  ускоряется в направлении назад.

Истечение положительных  ионов создает на космическом  аппарате отрицательный заряд, который  по мере накопления будет притягивать  вылетевшие ионы обратно к аппарату, сводя тягу к нулю. Чтобы это  предотвратить, используют внешний  источник электронов (отрицательный  электрод или электронную пушку), вводящий электроны в поток истекающих ионов. Таким образом обеспечивается нейтрализация истекающего потока, в результате чего космический аппарат остается электрически нейтральным.

Первым в мире космическим  аппаратом, в котором для преодоления  земного тяготения при старте с околоземной орбиты была использована электрическая система создания тяги, стал в конце XX в. зондDeep Space 1. Чтобы пролететь сквозь пылевой хвост кометы Боррелли, ему потребовалось увеличить скорость на 4,3 км/с, на что было израсходовано менее 74 кг ксенона (примерно такую массу имеет полная пивная бочка). Это самое большое на сегодня приращение скорости, полученное каким-либо космическим аппаратом с помощью тяги, а не гравитационной рогатки. Dawn вскоре должен превысить рекорд примерно на 10 км/с. Инженеры Лаборатории реактивного движения недавно продемонстрировали ионные двигатели, способные непрерывно работать больше трех лет.

 

                 Холловский двигатель

 

Вариант плазменного двигателя, называемый холловским, свободен от ограничений, налагаемых объемным зарядом, и поэтому способен разгонять космический аппарат до высоких скоростей быстрее, чем ионный двигатель сравнимого размера (благодаря большей плотности тяги). На Западе данная технология получила признание в начале 1990-х гг., на три десятилетия позже начала разработок в бывшем СССР.

Принцип действия двигателя  основан на использовании фундаментального эффекта, открытого в 1879 г. Эдвином  Холлом (Edwin H. Hall), который был тогда аспирантом в Университете Джонса Хопкинса. Холл показал, что в проводнике, в котором созданы взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля, возникает электрический ток (называемый холловским) в направлении, перпендикулярном обоим этим полям.

В холловском двигателе плазма создается электрическим разрядом между внутренним положительным электродом (анодом) и наружным отрицательным электродом (катодом). Разряд отрывает электроны от нейтральных атомов газа в промежутке между электродами. Образующаяся плазма ускоряется в направлении выходного отверстия цилиндрического двигателя силой Лоренца, которая возникает в результате взаимодействия приложенного радиального магнитного поля с электрическим током (в данном случае — холловским), который течет в азимутальном направлении, т.е. вокруг центрального электрода. Холловский ток создается движением электронов в электрическом и магнитном полях. В зависимости от располагаемой мощности скорости истечения могут составлять от 10 до 50 км/с.

Этот тип плазменного  двигателя свободен от ограничений, налагаемых объемным зарядом, поскольку  в нем ускоряется вся плазма (как  положительные ионы, так и отрицательные  электроны).. Поэтому достижимая плотность тяги и, следовательно, ее сила (а значит, и потенциально достижимое значение D V) оказываются во много раз выше, чем у ионного двигателя таких же размеров. На спутниках на околоземных орбитах уже работает больше 200 холловских двигателей. И именно такой двигатель был использован Европейским космическим агентством для экономичного разгона космического аппарата SMART-1 при полете к Луне.

Размеры холловских двигателей довольно малы, и инженеры пытаются создать такие устройства, чтобы к ним можно было подводить более высокие мощности, необходимые для получения высоких скоростей истечения и значений силы тяги.

Ученые из Лаборатории  физики плазмы Принстонского университета достигли определенных успехов, установив  на стенках холловского двигателя секционированные электроды, которые формируют электрическое поле таким образом, чтобы сфокусировать плазму в узкий выходной пучок. Конструкция уменьшает бесполезный неосевой компонент тяги и позволяет увеличить ресурс двигателя благодаря тому, что плазменный пучок не соприкасается со стенками двигателя. Немецкие инженеры достигли примерно таких же результатов, применив магнитные поля особой конфигурации. А исследователи Стэнфордского университета показали, что покрытие стенок двигателя   прочным  поликристаллическим алмазом значительно повышает их стойкость к эрозии под действием плазмы. Все эти усовершенствования сделали холловские двигатели пригодными для дальних космических полетов.