Огромное количество спутников, которые вращаются вокруг Земли по околоземным орбитам оборудованы так называемыми СПД - стационарными плазменными двигателями. Конструкции этих двигателей не менялись уже много десятилетий. Но чтобы их усовершенствовать, нужно для начала разработать модель тех физических процессов, которые происходят внутри двигателя. О том, как идут работы по разработке таких моделей, и в каких доработках нуждаются плазменные двигатели мы беседуем с доцентом кафедры физики плазмы НИЯУ МИФИ, старшим научным сотрудником лаборатории «Физико-химические процессы в стенках термоядерных установок» НИЯУ МИФИ Александром Степаненко.
- Прежде всего - что такое стационарный плазменный двигатель?
- Это тип электрореактивного двигателя, который использует плазму и электрические и магнитные поля для ускорения плазмы. Фактически, это двигательная установка, которая предназначена для космических аппаратов, то есть для работы в космическом пространстве. И назначение у стационарных плазменных двигателей обширное. В основном сейчас устанавливают двигатели разработки Алексея Ивановича Морозова, это середина прошлого века, когда фактически появились их первые прототипы. Они оказались очень успешными, их стали на постоянной основе ставить на спутники, которые запускают в космос и используют для очень широкого спектра задач, но в первую очередь речь идет о коррекции орбит. Хотя сейчас существуют проекты более мощных движков для межпланетных путешествий.
- У этих двигателей старых конструкций есть какие-то проблемы?
- Центральная проблема, связанная с работой двигателя заключается в том, что требуется как можно больше увеличить ресурсы его работы. Современное требование к аппаратам, на которых установлен стационарный плазменный двигатель — чтобы срок службы одного двигателя был бы по крайней мере, не менее 10 000 часов. При этом двигатели могут работать часами, то есть речь идет о многих часах непрерывной работы.
- Что же прежде всего мешает длительной работе двигателя в космосе?
- Главная проблема, возникающая при работе двигателей такого типа - это разрушение стенок ускорительного канала. Сырьем для плазмы в таких двигателях обычно бывает ксенон – инертный газ достаточно большого удельной массы. Массивные ионы ксенона, когда они ускоряются электрическим полем с разностью потенциала в несколько сотен вольт, приобретают достаточную энергию для того, чтобы разрушать стенки этого канала.
- А стенки обычно из чего делают?
- Обычно это керамика на основе бора, бор-азот-кремниевый композит. Там достаточно хитрая смесь, называется боросил - это стандартный материал, который используется в современных СПД для того, чтобы делать ускорительные каналы. И этот материал со временем распыляется. Это распыление наиболее опасно именно там, где ионы приобретают наибольшую энергию, а это как раз сопло двигателя. А по мере того, как происходит разрушение ускорительного канала, разрушаются также элементы, которые составляют магнитную систему. Ну а от магнитной системы напрямую зависит работа этого двигателя. Поэтому изменение топологии магнитных силовых линий приводит к тому, что изменяются характеристики ускорения вещества, и сам двигатель может переходить просто в другие режимы работы. Вот это основная проблематика. А есть еще спектр более частных задач, которые надо решить применительно к проблеме продления срока службы этого двигателя – и в целом этот спектр тоже очень обширен.
- Что же делается для решения этих проблем?
- Первая, и, наверное, основная задача, которой занимаются научные группы по всему миру - это как можно лучше смоделировать процессы ускорения плазмы непосредственно в самом канале. Потому что, несмотря на то, что, хотя плазменный двигатель называется стационарным, оказывается, что никаких стационарных процессов в нем нет, и очень часто сам двигатель работает в так называемом колебательном режиме, когда из него постоянно идут выбросы плазмы. Поэтому процесс ускорения плазмы является сильно нелинейным. И на сегодняшний день аналитических методов исследования нелинейных моделей ускорения практически нет. Поэтому единственный инструмент, который доступен исследователям и который позволяет фактически заглянуть внутрь ускорительного канала — это метод компьютерного моделирования. Исследователи по всему миру создают собственные модели ускорения плазмы и в основном люди занимаются именно компьютерным моделированием СПД. Мы тоже занимаемся этим моделированием, пробуем разные степени детализации, разные степени точности, пользуясь тем, что существует спектр моделей, который можно использовать. И конечно, мы разрабатываем свои модели под наши задачи.
- А какие задачи вы пытаетесь промоделировать в первую очередь?
- Во-первых - вопросы, связанные с формированием тяги, то есть - как происходит перераспределение и ускорение плазмы по объёму ускорительного канала. Во-вторых - устойчивость горения разряда, физика процесса взаимодействия плазмы с поверхностью. И мы постепенно движемся от более простых моделей плазмы к более сложным. Мы пытаемся построить модель более высокой размерности, которая будет включать более широкий круг процесс.
- А каковы пути решения проблемы деградации стенок?
- Основное направление заключается в том, чтобы менять геометрию магнитных силовых линий, потому что от магнитной конфигурации зависит конфигурация электрических полей, которые формируются в сопле двигателя, а от конфигурации электрических полей фактически зависит то, куда летят ионы, и как они попадают в конечном итоге на стенку. Можно было бы, например, сконструировав магнитную систему правильным образом, добиться того, чтобы ионы попадали на стенку как можно меньше. Но проблема заключается в том, что магнитное поле влияет не только на характер движения ионов и их взаимодействие со стенкой, но также и на то, как плазменный разряд горит в канале двигателя. Поэтому, как только мы меняем магнитную систему, мы тут же меняем характеристики разряда. А это от этого зависит уже сила тяги, удельный импульс и другие характеристики ускорителя. Поэтому задача получается многофакторной: мы всё время должны как бы на разных чашах весов держать два параметра. С одной стороны, мы хотим сделать так, чтобы стенка поменьше распылялась, а с другой стороны, хотим, чтобы параметры ускорителя тоже получились бы именно те, которые нам нужны. Как сбалансировать эти-две цели - это самая главная задача.
- А благодаря чему можно менять геометрию магнитной системы?
- По-разному наматывать катушки, по-разному их располагать. Применять разное число ампер-витков, разные форм-факторы этих катушек, разное профилирование. Можно сопла менять. Есть, например, сопла, на которых ставятся магнитные экраны, вставки из магнитно-мягкого железа, которое, за счёт того, что является ферромагнетиком, влияет на структуру магнитных силовых линий. Возможностей очень много. Различные научный группы используют разные возможности. Но задача совершенно нетривиальная, и до сих пор, например, не существует полных трёхмерных моделей ускорения вещества в канале СПД. В этом и заключается сложность. Мы должны «держать в голове» целый ворох физических процессов. Мы их должны разрешать по времени, по пространству, по совокупности взаимодействий, и всё это размещать в трёхмерной конфигурации и ещё желательно, чтобы это всё ещё разрешалось по скоростям. То есть мы должны не характеристики течения хранить, а функции распределения.
- В этой своей работе ставите ли вы перед собой задачу увеличения мощности двигателя?
- Это вершина айсберга, это конечная цель наших работ. Мы хотим довести наши разработки до той стадии, чтобы они обрели физическое выражение в конкретном техническом изделии.
- По мере работы над этим проектом вам пришлось разрабатывать специальный софт для моделирования всех этих процессов?
- В нашей группе ведётся разработка двух наборов моделей. Один набор моделей начинали разрабатываться в научной группе нашего старшего коллеги Константина Владимировича Брушлинского, который, к сожалению, совсем недавно ушёл из жизни. Он всю жизнь занимался моделированием процессов в различных плазменных устройствах, в том числе СПД. Вторая группа моделей — те, которые мы строим с использованием свободно распространяемого программного обеспечения. Есть такая замечательная библиотека BOUT++ , в которой собраны, например, решения задач термоядерной энергетики, она оказалась очень полезной для решения, в том числе, и наших задач. По каждому из этих направлений у нас есть результаты.
- Вы моделируете ксеноновую плазму или уже идут размышления о других субстанциях?
- Пока мы ориентируемся на стандартное рабочее вещество - ксенон. Хотя в литературе известно, что сейчас пытаются делать СПД и на других газах, в том числе и на воде — есть даже такие экзотические конфигурации. Возможно, со временем, если мы поймём, что в ксеноновой постановке нам тесно, естественно, мы тогда перейдём на другие рабочие вещества.
- Вы исходите из того, что эти двигатели будут по-прежнему заниматься корректировкой орбиты или, может быть, речь пойдет и о межпланетных полетах?
- Сейчас разрабатывают проекты особо мощных СПД, в том числе таких, которые планируется к использованию для межпланетных перелётов.
- Источником энергии для них будут ядерные реакторы?
- Здесь всё зависит от задач. Если нужна большая мощность - то, естественно, это только ядерная энергетическая установка. Возможно, со временем, если мы совершим прорыв в области термоядерной энергетики, тогда может появиться и термоядерный источник. А в основном это какие-то компактные источники энергии. Это может быть какая-то компактная батарея, например, ядерная батарейка, либо это может быть источник питания от Солнца.
- Как бы вы охарактеризовали статус ваших исследований? Вы находитесь сейчас на середине пути, вы уже видите какие-то промежуточные решения?
- У пути нет конечной точки, есть сам процесс. Сейчас можно охарактеризовать наши наработки следующим образом. Мы сделали важный шаг, перейдя от одномерных моделей к двумерным. Одномерные модели являются хотя самыми простыми моделями работы двигателя, но тем не менее очень информативными, ведь они позволяют с использованием относительно небольших ресурсов исследовать физику основных процессов, которые протекают в двигателях. Переход к двумерным моделям - это некий промежуточный шаг. Конечная цель —создание трёхмерной модели, в которой бы было всё учтено. Но, как всегда, есть ограничения, связанные с тем, что чем модель становится крупнее, тем сложнее согласовать работу отдельных её частей. Поэтому я бы сказал, что мы где-то на промежуточном этапе.
Беседовал Константин Фрумкин
Источник: " Коммерсант"
