MagBeam: плазменное надувательство
"Люди могут добраться до Марса и вернуться назад всего за 90 дней", — с таким сенсационным заявлением выступили учёные из университета Вашингтона.
Оригинал сенсации (кликнуть):
New propulsion concept could make 90-day Mars round trip possible.
Богата земля американская гениями. НАСА проявила значительный интерес (кликнуть).
Beam Me to Mars
Илон Маск в далёком 2005, скрежетнув отличными англо-саксонскими зубами, решил бросить PayPal и Tesla Motors и срочно пришпорить SpaceX (80 дней против университетских 90, но зато дороже).
Разбираем на запчасти межпланетную транспортную систему (ITS) от Илона Маска
Главный автор проекта — Роберт Вингли (Robert Winglee), профессор университета Вашингтона
University of Washington -Home Page
Что за чудо-способ? Попробуем "разобрать его на запчасти".
Концепция привода корабля называется MagBeam — иначе — «Реактивный привод намагниченным плазменным лучом» (Magnetized Beamed Plasma Propulsion). Проще показать, чем объяснить, посему видеоролик (всего 26 секунд, "не переключайтесь"):
https://www.youtube.com/watch?v=k2vT4roBAL8
Для более продвинутых читателей я загрузил документ (на английском) на google -диск (кликнуть):
Final Report. For the Phase I study of Magnetized Beamed Plasma Propulsion (MagBeam) Supported by NASA’s Institute for Advanced Concepts.
Электромагнитный ракетный привод — одно из самых многообещающих направлений развития космической техники, рассуждает Вингли, но он требует наличия на корабле мощного источника энергии.
И это проблема. Большая проблема. О ней чуть ниже. Согласно различным проектам полёта людей к Марсу, основным приводом пилотируемого корабля будет именно ионный электромагнитный. От химического он отличается колоссальной экономичностью в смысле расхода (и, конечно, запаса на борту) рабочего тела — аргона или ксенона.
Проблема: чтобы дать электроэнергию на такие двигатели, на космическом корабле нужно установить либо "нано" ядерный реактор (и обеспечить отвод избыточного тепла, и вообще сброс тепла), либо солнечные батареи размером с несколько футбольных полей.
*Ядерный реактор:
1. Невесомость приводит к отсутствию конвективного теплообмена в жидких и газообразных теплоносителях. Из-за этого резко усложняется теплосъем и борьба с локальными перегревами АЗ.
2. Сброс паразитного тепла ЯЭУ возможен только через излучение радиаторами-холодильниками (РХ). Приемлемые массы РХ получаются, если их рабочая температура составляет хотя бы 500К (230 С), а лучше 800К.
3. Жесткие энергомассовые характеристики вкупе с предыдущим пунктом заставляют использовать довольно экзотические теплоносители - гелий, СО2 или легкие металлы - литий, калий, натрий.
4. От космических ядерных реакторов требуется очень долговременная работа без перегрузок ядерного топлива, ну и, разумеется, максимальная надежность все это время.
5. Жутко дорогие.
* Солнечные батареи:
Комментарии тут излишни, но не удержусь. Представленные выше на фото "лопухи" МКС впечатляют (по площади)... при этом вырабатываемая им суммарная мощность может достигать аж 32,8 кВт (для моторчика в 24 л/с хватит). А также:
1.КПД низкое и быстро падает при удалении от источника (Солнца).
2.Быстрая деградация панелей от внешних факторов (метеориты, пыль, излучение, температурная деформация).
3.Мешают ориентированию, навигации, наблюдению, навигации, связи с ЦУП.
4.Затрудняют ориентацию и маневрирование космического объекта
5.Требуют систем ориентации на источник и стабилизации платформы.
6.Очень хрупкие и дорогие.
И то и другое, понятно, сильно влияет на сложность корабля и его массу и стоимость.
«А что, если всю эту начинку оставить на околоземной орбите, рядом? И обслуживать легко, и присматривать, а также подпитывать!» — подумал американский маститый профессор.
Эврика!
Необычную систему он представляет так. На околоземной орбите размещается большой спутник (станция) с запасом газа и мощным источником энергии (те же солнечные батареи колоссальных размеров или ядерный реактор).
Специальное устройство создаёт концентрированный поток (луч) плазмы, который разгоняет собственно пилотируемый корабль, ударяя в его магнитный парус.
Окутанный искусственной магнитосферой корабль может разогнаться до большой скорости, если попадёт в быстрый поток плазмы.
По оценке учёного, плазмотрон с выходным отверстием в 32 метра смог бы создать достаточно интенсивный поток плазмы, которая разогнала бы магнитный парусник почти до 12 километров в секунду.
А дальнейшее развитее техники, утверждают авторы проекта, позволит ещё больше нарастить размер и мощность луча, что ещё заметнее увеличит максимальную скорость корабля и сделает возможным те самые 90 дней на пилотируемую экспедицию «туда и обратно».
При этом на орбите вокруг Красной планеты, естественно, должно быть размещено аналогичное околоземному спутнику устройство, создающее тормозящий плазменный поток. Оно же будет отправлять корабль с магнитным парусом назад к Земле.
НАСА возбудилось. Были выделены неплохие деньги.
Даже был осуществлён тест прототипа, разработанного в Univ. Вашингтона в большой вакуумной камере при испытательной зоне № 300 в NASA (Marshall Space Flight Center).
Кучу тестов (видео) я сгрузил с сайта UW и закачал на свой канал в ©YouTube (кликнуть):
Мой канал
А так же презентация (кому интересно - кликнуть):
MagBeam: R. Winglee, T. Ziemba, J. Prager, B. Roberson & J. Carscadden
При ознакомлении с "концепцией" возникают многочисленные сомнения в оправданности такого своеобразного подхода к межпланетным полётам.
1. Генератор ионов, «выстреливаемых» из плазменной установки, это сам по себе — мощнейший ракетный двигатель, который приведёт к уходу плазмогенератора с "парковочной" орбиты вокруг Земли (или Марса), если не предусмотреть мощный компенсирующий реактивный привод, что многократно усложнит и утяжелит систему. А какой тогда смысл в "генераторе плазменного ветра" на орбите Земли или Марса?
Источник ионов сам по себе прекрасный электроракетный двигатель. И плазменный парус не нужен.
2. Как ни ухищряйся (даже если ты профессор Вашингтонского Универа) - закон сохранения энергии не нарушить, а значит запас рабочего тела (из которого они будут «готовить» плазму") и запас мощности для установки — будет никак не меньшим, чем в случае, когда просто установить такой плазмотроннепосредственно на пилотируемый корабль в качестве тяговой установки.
3. Учитывая плазменный поток на космических расстояниях, даже не луч лазера (и "близко не стоит"), и будет сильно рассеиваться, то потребный запас газа и электрической энергии на стартовой орбитальной станции потребуется даже многократно большим (вероятно, на порядки большим) по сравнению с простой установкой электроракетного движка на сам корабль, отправляющийся к Марсу.
4. Можно было бы принять идею запарковать этакую тяжёлую станцию на околоземной орбите (Солнце рядом, Земля на дистанции в 200-400 км). Конечно это проще, чем отправить её в путешествие вглубь Солнечной системы. И пулять, пулять космические корабли в сторону Марса. Но вот незадача — такая же «штуковина» нам потребуется для приёма разогнавшегося корабля вблизи цели путешествия.Тормозить-то тоже надо. И хотя это не 11-12 км/с, а всего 5-6 км/с (на подходе к Марсу)... однако тормозить всё равно придётся.
Её придётся доставлять к цели более традиционным способом (с помощью Н-1/Сатурн VI/ Falcon 9Heavy) — так стоит ли огород городить?
Нет, конечно: если путешествие в один конец и таким способом избавлять Землю от "этноизбытков". Тогда -ДА.
5. Учитывая вращение генераторов плазмы вокруг планет и неизбежный разворот плоскости их орбиты относительно направления на цель путешествия — потребуется постоянное и очень точное управление ориентацией источника плазменного луча, чтобы как можно меньше плазмы пропало даром.
6. При длительном путешествии по отрезку параболы между орбитой Земли и орбитой Марса прямая между нашей планетой и кораблём, мягко говоря, не будет совпадать с направлением вектора скорости корабля.
Так, что толкать корабль лучом мы сможем лишь очень короткое время — непосредственно вскоре после отлёта от околоземной орбиты. А это потребует ещё большей мощности системы, по сравнению с вариантом, когда мы могли бы разгоняться половину пути.
Эти щекотливые вопросы на сайте проекта не разъяснены. Зато Вингли уже мечтает о целой сети таких плазменных станций, расположенных вблизи разных планет, перекидывающих друг другу пилотируемые корабли и челноки с грузами.
В теории непротиворечивость идеи очевидна, однако количественные параметры системы (мощность луча, масса станции с генератором плазмы, станция с плазмотроном на орбите планеты назначения и так далее) делают эту идею больше похожей на самовытаскивание барона Мюнхгаузена из болота.
https://www.youtube.com/watch?v=NSUyigFX2Fs
Вы-то сами как думаете? Это надувание космических парусов или надувание космического агентства?
Использованы материалы,документы,фото и видео из источников:
http://universe-tss.su/
http://aeroweek.ru/
http://tsniimash.ru/
http://www.3dnews.ru/
https://en.wikipedia.org/
http://www.roscosmos.ru/
https://www.youtube.com/
http://www.membrana.ru/
http://www.washington.edu/
http://www.adastrarocket.com/aarc/
http://www.keyword-suggestions.com/
http://ekobatarei.ru/transport/kosmicheskie-solnechnye-modul...
http://earthweb.ess.washington.edu/space/PlasmaMag/
https://www.nasa.gov/vision/universe/solarsystem/mag_beam.ht...
http://www.space.com/453-magbeam-propulsion-mars-90-days.htm...
Глибицкий M.M. Системы питания и управления электрическими ракетными двигателями. - М.: Mашиностроение, 1981.
"Экзо Марс-2016" - международный проект Госкорпорация "Роскосмос" и Европейское космическое агентство.
Автор: Антон [opus]