Вадим Астанин - Поэма огня

Пётр Александрович закрыл глаза. Мысли его, лишенные конкретики насущного действования, текли затейливым извивом. Он думал об отравленном водкой командировочном, о сгоравших в огне птичках, об очистительном смерче, обрушившемся на представителей загнившего плутократического режима (заголовок газетной статьи, повествующей об инициативе коллективных люстраций), о кампании против иностранных легковых автомобилей (сдай иномарку в обмен на машину отечественного производителя), о Никодимове, о посещении Реактивного института. Их провели в аудиторию и лектор, расположившись за кафедрой, говорил им о магнито-плазменном двигателе Батищева: "Магнито-плазменный геликонный двигатель (М-П.Г.Д.) был разработан в начале 1990-х годов российским учёным, кандидатом физико-математических наук Олегом Батищевым, работавшем в Институте прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН, где он занимался численным моделированием систем кинетических уравнений для электронов, ионов и нейтральных атомов для Курчатовского института в рамках проекта по созданию международного термоядерного экспериментального реактора (ITER). В процессе исследований Батищев был приглашён Министерством энергетики Северо-Американских Соединённых Штатов в Центр ядерного синтеза (MIT Plasma Science and Fusion Center), где вошёл в состав отдельной группы учёных, занимавшихся проблемой дивертора - пластины, отводящей энергию от реактора. Незадолго до приглашения он познакомился с Франклином Чанг-Диасом, выпускником MIT, физиком и астронавтом, который в конце 1980-х годов в том же MIT Plasma Science and Fusion Center разрабатывал пробкотроны - магнитные ловушки для плазмы, в конечном счёте не оправдавшие связанных с ними ожиданий вследствие того, что плазма из них вытекала. Однако неудача с пробкотронами натолкнула Чанг-Диаса на идею разгона и выбрасывания плазмы в нужном направлении. То есть на возможность изготовления плазменного двигателя.

Свой проект он назвал Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMIR) - магнитоплазменный двигатель с изменяемым удельным импульсом. Позже название было изменено на VASIMR. До 2005 года работа над плазменным двигателем велась в Лаборатории перспективных космических двигателей NASA (Advanced Space Propulsion Laboratory), затем в в лабораториях собственной компании Ad Astra Rocket неподалеку от Хьюстона и на родине учёного - в Коста-Рике.

Конструкция перспективного двигатель VASIMR состояла из трёх ступеней. Первая ступень представляла собой геликонный источник плазмы, где осуществлялась ионизация газа радиочастотным излучением специальной антенной при наличии магнитного поля. Вторая ступень ускоряла ионы резонансным высокочастотным полем. При этом ионы вращались в плоскости поперечного сечения, аналогично вращению в циклотроне. Отсюда другое название процессу - "циклотронный разогрев". Третья ступень - магнитное сопло, преобразующее движение поперечно вращающихся частиц в продольное, создающее выброс разогнанной плазмы с образованием реактивной тяги.

Итогом названного проекта должен был стать мощный двигатель с тягой порядка ньютонов, отличающийся от прочих плазменных движителей тем, что позволял менять удельный импульс в широком диапазоне, способствуя достижению максимальной эффективности ракеты, которая напрямую зависит от скорости истечения рабочего тела. В идеале скорость истечения рабочего тела равна скорости ракеты, что способствует оптимальному расходу энергии.

При этом, в ходе разработки геликонного источника плазмы была выведена примечательная теоретическая закономерность, суть которой заключается в следующем: при закачивании энергии в геликонный источник после того, как в нём образовалась плотная холодная плазма, наблюдается резкий скачок в его эффективности, так как после полной ионизации ("выгорания") вся энергия идёт на разогрев электронов плазмы, делая потери на излучение ничтожно малыми. Эта теоретическая выкладка получила экспериментальная подтверждение и легла в основу простого и эффективного плазменного двигателя Батищева (ППБ).

Прототип такого плазменного двигателя, названный мини-геликонным двигателем (mHT, mini-Helicon Thruster) был в конструктивном отношении незатейлив. Он представлял собой кварцевую трубку с навитой на неё обмоткой, создающей магнитное поле и антенной для возбуждения геликонной волны. В отличие от плазменного двигателя VASIMR Чанг-Диаса, mHT одноступенчатый, ибо для него не требуется циклотронный нагрев ионов и магнитное сопло, что, в свою очередь, что позволяет сделать его достаточно компактным. Кроме того, VASIMR использует в качестве рабочего тела аргон. Это связано с тем, что более тяжелые газы снижают удельный импульс, но зато повышают тягу. А двигатель Батищева способен работать практически на чём угодно - от азота до обычного воздуха. При этом можно непрерывно менять состав рабочего тела без ущерба для нормального функционирования mHT.

Принцип работы магнито-плазменного геликонного двигателя Батищева таков: поступающий в геликонную трубку газ ионизируется высокочастотным излучением, образующаяся плазма разогревается, а магнитное поле направляет плазменную струю в нужном направлении.

Этот тип плазменного двигателя обладает рядом несомненных достоинств по сравнению с альтернативными разработками. Все, известные нам устройства, не позволяют в полной мере задействовать сечение канала, используют в качестве рабочего тела редкий и дорогой ксенон, ионы которого, будучи разогнанными, вызывают эрозию стенок, требуют высокое напряжение и оснащены двумя катодами, потому как катод является их самым уязвимым конструктивным недостатком, снижающим надежность и увеличивающим габариты.

Двигатель Батищева лишён названных недостатков: плазма не касается стенок камеры, следовательно, эрозия минимальна, катод отсутствует, зажигание автоматическое. Конструкция позволяет изготавливать разнообразную спецификацию изделий: от миниатюрных двигателей точной коррекции, до главных маршевых двигателей планетолётов. Для примера: по расчётам самого Олега Батищева, диаметр магнито-плазменного геликонного двигателя мощность в один МВт составляет всего около трёхсот мм, с расходимостью плазменного пучка около десяти градусов, в противовес сорока пяти градусам для двигателей, основанных на эффекте Холла".

Физик спросил: - Это теория?

- Нет, это практика, - нажатием кнопки лектор перевёл интерактивную ЖК-панель в режим видеопросмотра. - Запись с испытаний действующей модели магнито-плазменного геликонного двигателя Батищева оптимизированного (М-П.Г.Д.Б.о.) мощностью в десять МВт. Энергия на ионизирующую антенну и магнитную обмотку подаётся от действующего образца ходового ядерного реактора РБЗ-1/15 - реактор бортовой защищённый, тип один, модификация пятнадцать. В качестве рабочего тела используется азот, с последовательным переходом на аргон, гелий, воздух.