Двигатели будущего: электрический ускоритель массы.

 

К числу электрических двигателей относится и электромагнитный ускоритель массы, который впервые  рассматривался К.Э.Циолковским в его рукописях, а затем его описание было опубликовано в работе  «Исследование мировых пространств реактивными приборами» в 1926 году. По оценкам Циолковского, такой ускоритель должен иметь значительную длину – до 60 км, а его жерло следует располагать в горах, на большой высоте для снижения потерь за счёт сопротивления атмосферы. По мнению Циолковского,  электромагнитные пушки со временем могут найти применение для массового вывода на околоземные орбиты полезной массы.

 

Теоретические и экспериментальные исследования моделей ускорителей показали, что для создания полномасштабных установок  этого типа предстоит решить ряд серьезных научных и технических проблем. Первая из этих проблем связана с необходимостью свести к минимуму потери в зоне контакта ускоряемой капсулы и направляющих рельсов.

Известны различные способы решения этой проблемы. В частности, движение капсулы вдоль направляющих рельсов со сверхвысоким ускорением за счет резкого возрастания сил сухого трения поведет к мгновенному расплавлению электродов в зоне контакта и к возникновению жидкометаллической смазки. Сама капсула должна иметь теплозащитное покрытие, чтобы исключить ее плавление при выделении тепла вследствие омических потерь. Коммутация разрядного тока в зоне капсулы может быть осуществлена с помощью плазменных перемычек, как это предлагал Кондратюк.

В принципе возможно численное исследование ускорения капсулы с учетом плазменной перемычки и жидкометаллических электродов. Однако ввиду значительных математических трудностей эта задача исследовалась пока лишь при значительных дополнительных упрощениях. Были исследованы гидродинамические эффекты ускорения с учетом вязких потерь при движении непроводящей капсулы вдоль плавящихся электродов. Унос массы капсулы учитывался с помощью эмпирических зависимостей. Анализ показал, что в рамках рассмотренной теоретической модели для разгона капсул массой до 200 кг при скоростях 20—50 км/с потери энергии не превысят 4 %, а потери массы — 9 %.

Для снижения потерь, обусловленных силой трения ускоряемой капсулы о рельсы, можно использовать принцип магнитной подвески капсулы. В этом случае для разгона капсулы, помещенной, например, в сверхпроводящую катушку с током, можно использовать схему ускорителя бегущей волны.

Серьезные трудности возникают, если ускоритель  используется для запуска капсул с поверхности Зёмли. По сравнению со стартом с Луны намного возрастают необходимые энергозатраты и габариты ускорителя. Теоретически соответствующая задача обратна традиционной задаче исследования входа

космического аппарата  в атмосферу планет: он  сначала тормозится в разреженных слоях атмосферы и лишь затем попадает в ее плотные слои, в то время как капсула, покидающая ускоритель, проходит на максимальной скорости именно плотные слои атмосферы. Вследствие возникновения перед носком капсулы высокотемпературного скачка уплотнения при этом происходит интенсивное разрушение теплозащитного материала капсулы.

При движении в атмосфере капсулы со сферическим затуплением интегральные тепловые потоки достигают 102—103 Дж/см². Можно оценить потери скорости и энергии капсулы при прохождении атмосферы. Так,  капсула массой 200 кг, имевшая начальную скорость 23 км/с, покидает плотные слои атмосферы со скоростью около 8 км/с.

Таким образом, ясно, что использование ускорителя  для вывода полезных нагрузок с поверхности Земли

значительно затрудняется атмосферой. Однако, во-первых, доля потерь скорости и кинетической энергии капсулы снижается с увеличением ее массы, а во-вторых, потери энергии не превышают аналогичных потерь при запуске полезных нагрузок с помощью ракет. При запуске полезных нагрузок с поверхности Луны, у которой нет атмосферы, а также при использовании ЭРУ для межорбитальных транспортных операций эти трудности отсутствуют.

При использовании ускорителя  для транспортировки грузов на окололунные орбиты с ее поверхности возникает проблема прицеливания и сбора капсул, выводимых в космос. Время релаксации ударно-звуковой волны, которая возникает в металлических рельсах вследствие интенсивных импульсных нагрузок, составляет секунды или десятки секунд. Жесткие требования предъявляются к постоянству электрических параметров ускорителя в последующих сериях выстрелов, а также к постоянству массы и формы ускоряемых капсул. Для стабилизации капсулы ей можно придать вращение.

Если ускоритель используется в составе ракетных двигательных систем, то требования высокой точности заданной скорости капсул значительно менее жесткие. В качестве рабочего вещества в этом случае можно использовать сжиженные газы, минимальным образом загрязняющие космическое пространство, или отходы производственной или биологической деятельности. Согласно проектным оценкам, энергодвигательная установка, состоящая из солнечной батареи мощностью 12 МВт как источника

энергии и ускорителя, имеет массу около 100 тонн.