Особенности и преимущества использования микроволновой СВЧ-плазмы в космической энергетике

В промышленности предпочтительно использовать сверхчистую (или высокочистую) плазму. Сверхчистая плазма необходима для моделирования экспериментов по вхождению космических аппаратов в атмосферу Земли. Выработать такую плазму в обычных плазмотронах невозможно, так как материал электродов сильно загрязняет плазму и не дает возможность смоделировать космические условия. Применение мощных электронных пучков позволяет вырабатывать сверхчистую плазму. Суммарный КПД в этом случае недостаточно высокий. Вторым существенным недостатком данного метода получения плазмы высокой чистоты можно считать необходимость использования высоковольтного источника на достаточно большое напряжение.

Преимущества применения СВЧ-плазмотронов в промышленности

Применение СВЧ-плазмотрона позволяет вырабатывать высокочистую плазму с применением гораздо меньшего напряжения и достаточно высоким суммарным КПД. Промышленная установка аналогична той, в которой применяются электронные пучки, только вместо электронного пучка необходимо использование мощного СВЧ-генератора.

Достоинством СВЧ-плазмотрона является возможность использования значительно более низкого напряжения и получение гораздо более высокого КПД.

Проблемы получения СВЧ-плазмы при высоком давлении

Для постройки схемы плазмотрона, способного вырабатывать 50 г плазмы в секунду, требуется инжекция в СВЧ-плазмотрон газа под высоким давлением и, соответственно, решение проблем, связанных с получением электромагнитной СВЧ-плазмы при высоком давлении.

Применение СВЧ-плазмы в космической отрасли может позволить создавать электрореактивные двигатели низкой 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 управления и ориентации космических аппаратов различного назначения. Увеличение количества задач, решаемых ЖРД малой тяги, и оптимизация космических аппаратов ведет к необходимости использования в них более разнообразных видов топлива, экономия ресурса и надежности ракетных 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 жидкостные ракетные двигатели малой тяги разного типа могут в значительной степени отличаться друг от друга. Зачастую к ним предъявляются требования, в определенной степени взаимоисключающие. До последнего времени совершенствование жидкостных ракетных двигателей малой тяги опиралось на совершенствование характеристик двигателей в отношении каждой конкретной задачи. Значительно 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 жидкостные ракетные двигатели сверхмалой тяги для прецизионной ориентации и стабилизации космических аппаратов. При изучении тепловых процессов была проведена работа по реализации камер сгорания из жаропрочных металлических сплавов на основе ниобия, гафния и молибдена без защитных покрытий, которая позволяет существенно увеличить надежность и ресурс жидкостных ракетных двигателей и предложить более совершенные конструкции.

Если космический корабль располагает на борту микроволновой 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 электромагнитном СВЧ поле

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

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

Из-за столкновений микрочастиц плазма становится изотермической, температура ионной компоненты достигает такой же величины, как у электронной, и в результате растет 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 значительный объем топлива. Это говорит о том, что применение СВЧ-плазмы при разработке электрореактивных двигателей малой тяги является весьма перспективным направлением.

Важное преимущество ускорения плазмы с помощью СВЧ-генераторов в том, что такой ускоритель является безэлектродным и в нем полностью отсутствуют движущиеся части. Устройство такого двигателя будет достаточно просто и долговечно. Но стоит заметить, что создание тяги с использованием СВЧ-источников возможно конкурентоспособным только если КПД СВЧ-генераторов будет на уровне 90% и если такой источник уже есть на борту корабля.

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

Особенности и преимущества использования микроволновой СВЧ-плазмы в космической энергетике