Особенности и преимущества использования СВЧ-плазмы в космической энергетике

Во многих случаях следует использовать сверхчистую (или высокочистую) плазму. Сверхчистая плазма необходима для моделирования экспериментов по вхождению космических аппаратов в атмосферу Земли. Получить такую плазму в обычных плазматронах невозможно, так как материал электродов сильно загрязняет плазму и не дает смоделировать космические условия. Использование мощных электронных пучков позволяет получить сверхчистую плазму. Однако общий КПД в этом случае недостаточно высокий. Помимо этого к недостаткам данного метода получения плазмы высокой чистоты можно отнести необходимость использования высоковольтного источника на достаточно большое напряжение.

Преимущества применения СВЧ-плазмотронов

Применение СВЧ-плазмотрона позволяет получить высокочистую плазму с использованием гораздо меньшего напряжения и достаточно высоким общим КПД. Установка аналогична той, в которой используются электронные пучки, только вместо электронного пучка необходимо использование мощного СВЧ-генератора.

К достоинствам СВЧ-плазмотрона относится возможность использования значительно более низкого напряжения и получение гораздо более высокого КПД.

Проблемы получения СВЧ-плазмы при высоком давлении

Чтобы реализовать схему плазмотрона, способного вырабатывать 50 г плазмы в секунду, требуется инжекция в СВЧ-плазмотрон газа под большим давлением и, соответственно, решение проблем, связанных с получением СВЧ-плазмы при высоком давлении.

Применение СВЧ-плазмы в космической энергетике может позволить создавать электрореактивные двигатели малой тяги. Такие двигатели могут применяться вместо жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) малой тяги.

Применение реактивных двигателей малой тяги

На сегодняшний день жидкостные ракетные двигатели малой тяги являются основным органом управления в системах коррекции, стабилизации и ориентации космических аппаратов различного назначения. Увеличение количества задач, решаемых ЖРД малой тяги, и совершенствование космических аппаратов ведет к необходимости использования в них более разнообразных видов топлива, повышения ресурса и надежности двигателей. Это становится возможным при использовании новых методических подходов и принципиально новых схем двигателей и их основных узлов.

В зависимости от поставленной задачи и условий эксплуатации ЖРД малой тяги разного типа могут в значительной степени отличаться друг от друга. Часто к ним предъявляются требования, в определенной степени взаимоисключающие. До последнего времени совершенствование ЖРД малой тяги опиралось на оптимизацию характеристик двигателей в отношении каждой конкретной задачи. Но гораздо перспективнее искать путь кардинального улучшения характеристик  ЖРД на базе новых и нестандартных технических решений.

Применение СВЧ-энергии для создания электрореактивных двигателей малой тяги

Интересным является ЖРД сверхмалой тяги для прецизионной ориентации и стабилизации космических аппаратов. В НИИ тепловых процессов была проведена работа по созданию камер сгорания из жаропрочных металлических сплавов на основе ниобия, гафния и молибдена без защитных покрытий, которая позволяет существенно увеличить надежность и ресурс ЖРД и предложить более совершенные конструкции.

Если космический корабль располагает на борту СВЧ-энергией, то ее можно использовать для создания электрореактивных двигателей малой тяги. Преимущество таких двигателей заключается в том, что они способны обеспечить величину удельного импульса, в десятки и сотни раз превышающую значение, полученное в ракетах на химическом топливе, и получить таким образом значительную экономию в весе рабочего тела для заданной тяги.

Разгон плазмы в СВЧ поле

Разгон плазмы в установке позволяет получить гораздо лучший результат. Для этого плазму, помещенную в магнитное поле, разгоняют до высоких скоростей путем введения в нее СВЧ-энергии. СВЧ-мощность поступает в газ из волновода через диэлектрическое окно, предотвращающее движение частиц плазмы к источнику СВЧ-мощности.

Непрерывная подача мощности в несколько сот ватт или единиц киловатт при определенном давлении газа происходит достаточно высокая ионизация инжектируемого газа и последующее интенсивное поглощение СВЧ-энергии этой плазмой. В результате увеличивается скорость частиц плазмы.

Из-за столкновений плазма становится изотермической, температура ионной компоненты достигает такой же величины, как у электронной, и в результате увеличивается скорость всей плазмы. Разогретая с помощью СВЧ-источника до температуры 50 000 К плазма имеет скорость примерно 30 км/с, это позволяет получить тягу в 10 Н при очень малом расходе топлива.

Перспективы электрореактивных двигателей

Двигателю, рассчитанному на работу в несколько тысяч часов, потребуется вполне приемлемый вес топлива. Это доказывает, что использование СВЧ-плазмы при разработке электрореактивных двигателей малой тяги является весьма перспективным направлением.

Основное преимущество ускорения плазмы с помощью СВЧ-генераторов в том, что такой ускоритель является безэлектродным и в нем полностью отсутствуют движущиеся части. Конструкция такого двигателя будет достаточно проста и долговечна. Однако создание тяги с использованием СВЧ-источников может быть конкурентоспособным только если КПД СВЧ-генераторов будет на уровне 90% и если такой источник уже есть на борту корабля.

Стоит отметить, что СВЧ-двигатели с мощностью 100 Вт могут применяться уже сейчас, в частности, на синхронных спутниках, которые для связи используют СВЧ-генераторы такой мощности.

Наши контакты

Раб. тел/факс: (812) 493-20-71
Электронная почта: info@vritm.ru
Открыть контакты и реквизиты компании