Cơ quan Vũ trụ Châu Âu đã thử nghiệm một động cơ ion ramjet sử dụng không khí từ bầu khí quyển xung quanh làm chất đẩy. Theo một thông cáo báo chí từ cơ quan này, người ta cho rằng các vệ tinh nhỏ với động cơ như vậy sẽ có thể hoạt động gần như vô hạn định trong quỹ đạo có độ cao 200 km hoặc thấp hơn.
Nguyên lý hoạt động của động cơ ion dựa trên sự ion hóa của các hạt khí và gia tốc của chúng bằng cách sử dụng trường tĩnh điện. Các hạt khí trong các động cơ như vậy tăng tốc đến đáng kể tốc độ cao so với động cơ hóa học, do đó động cơ ion có xung cụ thể cao hơn nhiều và tiêu thụ ít nhiên liệu hơn... Nhưng động cơ ion cũng có một nhược điểm quan trọng - lực đẩy cực thấp so với động cơ hóa học. Do đó, chúng ít được sử dụng trong thực tế, chủ yếu là trên các thiết bị nhỏ. Ví dụ, những động cơ như vậy được sử dụng trên tàu thăm dò Dawn, hiện đang ở trong quỹ đạo của hành tinh lùn Ceres và sẽ được sử dụng trong sứ mệnh BepiColombo, dự kiến sẽ đi đến sao Thủy vào cuối năm 2018.
Cũng như động cơ hóa học, động cơ ion ngày nay sử dụng nguồn cung cấp nhiên liệu, thường là xenon. Nhưng cũng có khái niệm về động cơ ion ramjet, tuy nhiên, nó vẫn chưa được sử dụng trên tàu vũ trụ bay vào không gian. Sự khác biệt của nó nằm ở chỗ nó được đề xuất không sử dụng nguồn cung cấp khí hữu hạn được nạp vào bình trước khi phóng, mà là không khí từ bầu khí quyển của Trái đất hoặc một vật thể khí quyển khác làm chất lỏng hoạt động.
Sơ đồ hoạt động của động cơ
ESA-A. Di giacomo
Người ta cho rằng một tàu vũ trụ tương đối nhỏ với động cơ như vậy sẽ có thể hoạt động thực tế vô thời hạn ở quỹ đạo thấp với độ cao khoảng 150 km, bù cho sự hãm trong khí quyển bằng lực đẩy của động cơ hoạt động trên không khí đi vào nó từ khí quyển. Năm 2009, ESA phóng vệ tinh GOCE, vệ tinh này có thể ở trong quỹ đạo dài 255 km trong gần 5 năm, nhờ vào một động cơ ion luôn hoạt động với nguồn cung cấp xenon. Kể từ đó, cơ quan này đã bắt đầu phát triển động cơ ion ramjet cho các vệ tinh LEO tương tự, và hiện đã thực hiện các thử nghiệm đầu tiên của động cơ như vậy.
Các thử nghiệm diễn ra trong một buồng chân không, nơi đặt động cơ. Ban đầu, xenon tăng tốc được đưa vào nó. Sau đó, một hỗn hợp oxy và nitơ được thêm vào thiết bị nạp khí, mô phỏng bầu khí quyển ở độ cao 200 km. Vào cuối quá trình thử nghiệm, các kỹ sư đã chạy thử nghiệm với hỗn hợp không khí tinh khiết để xác minh rằng nó đang hoạt động ở chế độ chính.
Thử nghiệm động cơ với không khí làm nhiên liệu
Động cơ ion dòng trực tiếp
Vấn đề chính trong việc khám phá không gian vũ trụ là vô cùng tốc độ thấp trong máy bay do nhân loại phát triển. Sự phát triển hiện đại cũng có chi phí lớn nhiên liệu. Vì vậy, nếu bạn chế tạo một tên lửa và phóng nó, chẳng hạn, lên sao Hỏa và quay trở lại, thì con tàu sẽ rất lớn. Và hầu hết nó sẽ bị chiếm dụng bởi nhiên liệu. Khoảng hơn một tỷ tấn nhiên liệu tên lửa chất lượng cao là cần thiết để hạ cánh trên sao Hỏa. May mắn thay, sự phát triển hiện đại của các nhà khoa học như động cơ ion sẽ có thể giải quyết vấn đề này trong tương lai gần. Về lý thuyết, nó có thể tăng tốc đến hai trăm km một giây. Những lợi thế chính là tốc độ phát triển lớn và nguồn cung cấp nhiên liệu nhỏ. Một đơn vị như động cơ ion chỉ cần điện và khí trơ để hoạt động. Tuy nhiên, nó cũng có một số nhược điểm, ví dụ như tốc độ tăng tốc yếu. Điều này khiến người ta nghĩ đến nhiều vấn đề của việc sử dụng động cơ khi có trường hấp dẫn.
Động cơ ion: nguyên tắc hoạt động
Do điện áp cao, khí bị ion hóa trong một buồng đặc biệt. Kết quả là, các ion khí bắt đầu bị ném ra khỏi buồng và tạo ra lực đẩy. Tuy nhiên, vì đây là một phản ứng dây chuyền, và lực đẩy tăng rất chậm và dần dần, nên sẽ mất khoảng sáu tháng để tăng tốc lên hai trăm km một giây. Phanh mất khoảng thời gian như nhau. Mặt khác, nhìn nhận một cách khách quan, những con số này là rất nhỏ so với những động cơ không gian người sẽ phải dành nhiều thời gian hơn hai mươi lần để đạt được kết quả tương tự về chất lượng. Hơn nữa, khí trơ chiếm không gian ít hơn hàng trăm lần so với nhiên liệu tên lửa. Vấn đề duy nhất khó giải quyết là sự sẵn có của điện. Các tấm pin mặt trời chỉ đơn giản là không đủ để chạy các thiết bị như máy đẩy ion, vì vậy rất có thể sẽ có một lò phản ứng hạt nhân.
Một nhược điểm khác là khả năng cơ động thấp. Ngoài ra, vấn đề chính là vấn đề với lực hấp dẫn. Khi đã ở trong khu vực của Trái đất, động cơ sẽ không chạy. Mặt khác, trong điều kiện không gian mở, không có thiết bị tương tự như một thiết bị đẩy ion.
Một chút lịch sử và quan điểm
Trong văn học khoa học viễn tưởng, những thiết bị như vậy đã được bắt gặp khá thường xuyên. Tuy nhiên, chỉ đến năm 1960, động cơ ion mới được tạo ra bằng chính bàn tay của họ (hay nói đúng hơn là do bàn tay của các nhà khoa học NASA). Nó được gọi là thiết bị tĩnh điện chùm tia rộng. Vào đầu những năm 70, động cơ tĩnh điện thủy ngân đã được thử nghiệm trong không gian vũ trụ.
Vào cuối những năm 70, máy tạo hiệu ứng Hall đã được sử dụng ở Liên Xô. Là động cơ chính, ion đã được sử dụng trên tàu vũ trụ của Mỹ vào năm 1998. Tiếp theo là tàu thăm dò châu Âu, Nhật Bản tàu không gian vào năm 2003. Ngày nay NASA đang phát triển một dự án nổi tiếng có tên là Prometheus. Đối với ông, một động cơ ion siêu mạnh đang được chế tạo, được cung cấp bởi một lò phản ứng hạt nhân.
Con người đi vào vũ trụ nhờ động cơ tên lửa chạy bằng nhiên liệu lỏng và rắn. Nhưng họ cũng đặt câu hỏi về tính hiệu quả của các chuyến bay vào vũ trụ. Để một chiếc xe tương đối nhỏ ít nhất có thể "bắt" được nó, nó được lắp trên đầu của một chiếc xe phóng ấn tượng. Và bản thân tên lửa, trên thực tế, là một chiếc xe tăng bay, phần trọng lượng của nó được dành cho nhiên liệu. Khi tất cả chúng được sử dụng đến giọt cuối cùng, một nguồn cung cấp ít ỏi vẫn còn trên tàu.
Để không rơi xuống Trái đất, nó định kỳ nâng quỹ đạo của mình lên bằng xung lực. Nhiên liệu cho chúng - khoảng 7,5 tấn - được vận chuyển bằng tàu tự động vài lần mỗi năm. Nhưng dự kiến sẽ không tiếp nhiên liệu trên đường đến sao Hỏa. Không phải đã đến lúc nói lời tạm biệt với các mạch lỗi thời và chuyển sang một động cơ ion tiên tiến hơn?
Để nó hoạt động, không cần lượng nhiên liệu điên cuồng. Chỉ có gas và điện. Điện trong không gian được tạo ra bằng cách thu bức xạ ánh sáng của Mặt trời bằng các tấm Tấm năng lượng mặt trời... Càng ở xa ngôi sao, sức mạnh của chúng càng ít, vì vậy bạn sẽ phải tận dụng lợi thế của khí cũng đi vào buồng đốt sơ cấp, nơi nó bị bắn phá bằng các electron và bị ion hóa. Plasma lạnh thu được được gửi đến để đốt cháy, và sau đó đến vòi phun từ tính để tăng tốc. Động cơ ion phóng ra plasma nóng sáng từ chính nó với tốc độ không thể tiếp cận được đối với động cơ tên lửa thông thường. Và có được gia tốc cần thiết.
Nguyên lý hoạt động rất đơn giản nên bạn có thể tự mình lắp ráp một động cơ ion demo. Nếu điện cực ở dạng con quay đã được cân bằng trước đó, hãy đặt nó lên đầu kim và nạp điện cao thế, một ánh sáng xanh sẽ xuất hiện ở các đầu nhọn của điện cực, được tạo ra bởi các electron thoát ra khỏi chúng. Hết hạn của chúng sẽ tạo ra một lực phản ứng yếu, điện cực sẽ bắt đầu quay.
Than ôi, máy đẩy ion có lực đẩy rất nhỏ đến mức chúng không thể xé toạc tàu vũ trụ ra khỏi bề mặt mặt trăng, chứ chưa nói đến việc phóng từ mặt đất. Có thể thấy rõ điều này nhất nếu bạn so sánh hai con tàu đi tới sao Hỏa. Một con tàu với động cơ chất lỏng sẽ bắt đầu bay sau một vài phút tăng tốc mạnh và sẽ mất ít thời gian hơn một chút để hãm phanh tại Hành tinh Đỏ. Con tàu với động cơ ion sẽ tăng tốc trong hai tháng theo hình xoắn ốc từ từ không quay, và hoạt động tương tự đang chờ đợi anh ta trong vùng lân cận của sao Hỏa ...
Tuy nhiên, động cơ ion đã được tìm thấy ứng dụng của nó: nó được trang bị cho một số tàu vũ trụ không người lái được gửi tới các nhiệm vụ trinh sát dài hạn đến các hành tinh gần và xa của hệ mặt trời, trong vành đai tiểu hành tinh.
Động cơ ion chính là con rùa vượt qua Achilles nhanh nhẹn. Đã sử dụng hết nhiên liệu chỉ trong vài phút, động cơ lỏng im lặng mãi mãi và trở thành một cục sắt vô dụng. Và những chiếc plasma có khả năng hoạt động trong nhiều năm. Có thể họ sẽ được trang bị tàu vũ trụ đầu tiên, sẽ di chuyển với tốc độ ánh sáng dưới ánh sáng mặt trời đến ngôi sao gần Trái đất nhất. Chuyến bay dự kiến chỉ mất 15-20 năm.
Động cơ tên lửa hiện đại làm tốt nhiệm vụ đưa công nghệ vào quỹ đạo, nhưng chúng hoàn toàn không phù hợp để du hành vũ trụ dài ngày. Do đó, trong hơn chục năm, các nhà khoa học đã nghiên cứu việc tạo ra các động cơ không gian thay thế có thể tăng tốc tàu để đạt tốc độ kỷ lục. Chúng ta hãy xem xét bảy ý tưởng chính từ lĩnh vực này.
EmDrive
Để di chuyển, bạn cần phải đẩy khỏi một thứ gì đó - quy tắc này được coi là một trong những trụ cột không thể lay chuyển của vật lý và du hành vũ trụ. Chính xác thì bắt đầu từ cái gì - từ đất, nước, không khí hay một tia khí, như trong trường hợp của động cơ tên lửa - không quá quan trọng.
Một thí nghiệm tư tưởng nổi tiếng: hãy tưởng tượng rằng một phi hành gia đã đi ra ngoài không gian, nhưng sợi cáp nối anh ta với tàu vũ trụ đột ngột bị đứt và người đó bắt đầu từ từ bay đi. Tất cả những gì anh ta có là một hộp công cụ. Hành động của anh ta là gì? Câu trả lời đúng: anh ta cần ném dụng cụ ra khỏi tàu. Theo định luật bảo toàn động lượng, người đó sẽ bị ném ra xa dụng cụ một lực bằng lực tác dụng của dụng cụ từ người nên sẽ chuyển động dần dần về phía tàu. Đây là lực đẩy phản lực - cái duy nhất phương án khả thi di chuyển trong không gian trống bên ngoài. Đúng, EmDrive, như các thử nghiệm cho thấy, có một số cơ hội để bác bỏ tuyên bố không thể lay chuyển này.
Người tạo ra động cơ này là kỹ sư người Anh Roger Shaer, người đã thành lập công ty Satellite Propulsion Research của riêng mình vào năm 2001. Thiết kế của EmDrive khá xa hoa và có hình dạng một chiếc xô kim loại, được bịt kín ở cả hai đầu. Bên trong chiếc xô này là một nam châm phát ra sóng điện từ - giống như trong một lò vi sóng thông thường. Và hóa ra nó đủ để tạo ra một lực đẩy rất nhỏ, nhưng khá đáng chú ý.
Tác giả tự giải thích hoạt động của động cơ của mình thông qua sự chênh lệch áp suất của bức xạ điện từ ở các đầu khác nhau của "gầu" - ở đầu hẹp thì ít hơn ở đầu rộng. Điều này tạo ra một lực đẩy hướng tới đầu hẹp. Khả năng hoạt động của động cơ như vậy đã bị tranh cãi nhiều lần, nhưng trong tất cả các thí nghiệm, việc lắp đặt Shaer cho thấy sự hiện diện của lực đẩy theo hướng dự định.
Những người thử nghiệm đã thử chiếc xô của Schaer bao gồm các tổ chức như NASA, Đại học Kỹ thuật Dresden và Học viện Khoa học Trung Quốc. Sáng chế đã được thử nghiệm trong nhiều điều kiện khác nhau, bao gồm cả trong chân không, nơi nó cho thấy sự hiện diện của lực đẩy 20 micronewton.
Điều này là rất ít liên quan đến động cơ phản lực hóa học. Tuy nhiên, do động cơ Shaer có thể hoạt động bao lâu bạn muốn, vì nó không cần nguồn cung cấp nhiên liệu (pin năng lượng mặt trời có thể cung cấp cho magnetron hoạt động), nó có khả năng tăng tốc tàu vũ trụ tới tốc độ cực lớn, được tính bằng phần trăm tốc độ ánh sáng.
Để chứng minh đầy đủ hiệu suất của động cơ, cần phải thực hiện nhiều phép đo khác và loại bỏ các tác dụng phụ có thể tạo ra, ví dụ, bởi từ trường bên ngoài. Tuy nhiên, các giải thích có thể thay thế cho lực đẩy bất thường của động cơ Shaer đã được đưa ra, nói chung, điều này vi phạm các định luật vật lý thông thường.
Ví dụ, các phiên bản đang được đưa ra rằng động cơ có thể tạo ra lực đẩy do tương tác của nó với chân không vật lý, ở mức lượng tử có năng lượng khác 0 và chứa đầy các hạt cơ bản ảo liên tục xuất hiện và biến mất. Cuối cùng thì ai sẽ đúng - các tác giả của lý thuyết này, chính Shaer hay những người hoài nghi khác - chúng ta sẽ tìm hiểu trong thời gian tới.
Cánh buồm mặt trời
Như đã đề cập ở trên, bức xạ điện từ tạo ra áp suất. Điều này có nghĩa là về lý thuyết, nó có thể được chuyển đổi thành chuyển động - ví dụ, với sự trợ giúp của cánh buồm. Giống như những con tàu của những thế kỷ trước đón gió trên cánh buồm của chúng, những con tàu vũ trụ của tương lai sẽ hứng được ánh sáng mặt trời hoặc bất kỳ ánh sao nào khác trên cánh buồm của chúng.
Tuy nhiên, vấn đề là áp suất ánh sáng cực kỳ nhỏ và giảm khi tăng khoảng cách từ nguồn. Vì vậy, để có hiệu quả, một cánh buồm như vậy phải có trọng lượng rất nhẹ và diện tích rất lớn. Và điều này làm tăng nguy cơ phá hủy toàn bộ cấu trúc khi nó gặp một tiểu hành tinh hoặc vật thể khác.
Nỗ lực đóng và phóng tàu buồm năng lượng mặt trời vào không gian đã được thực hiện - vào năm 1993, Nga đã thử nghiệm một cánh buồm mặt trời trên tàu vũ trụ Progress, và vào năm 2010, Nhật Bản đã thực hiện các thử nghiệm thành công trên đường tới Sao Kim. Nhưng chưa có con tàu nào sử dụng cánh buồm làm nguồn gia tốc chính của nó. Một dự án khác, một cánh buồm điện, có vẻ hứa hẹn hơn về mặt này.
Buồm điện
Mặt trời không chỉ phát ra các photon, mà còn phát ra các hạt mang điện của vật chất: electron, proton và ion. Tất cả chúng tạo thành cái gọi là gió mặt trời, mỗi giây mang đi khỏi bề mặt mặt trời khoảng một triệu tấn vật chất.
Gió mặt trời trải rộng hàng tỷ km và là nguyên nhân gây ra một số hiện tượng tự nhiên trên hành tinh của chúng ta: bão địa từ và ánh sáng phương Bắc. Trái đất được bảo vệ khỏi gió mặt trời bằng từ trường của chính nó.
Gió mặt trời, giống như gió không khí, khá thích hợp cho việc đi du lịch, bạn chỉ cần làm cho nó thổi căng buồm. Dự án cánh buồm điện, được tạo ra vào năm 2006 bởi nhà khoa học Phần Lan Pekka Janhunen, bề ngoài có rất ít điểm chung với mặt trời. Động cơ này bao gồm một số sợi cáp dài, mỏng, tương tự như các nan hoa của một bánh xe không có vành.
Nhờ súng điện tử phát ra chống lại hướng di chuyển, những sợi cáp này có được điện thế tích điện dương. Vì khối lượng của electron nhỏ hơn khối lượng của proton khoảng 1800 lần, lực đẩy do electron tạo ra sẽ không đóng vai trò cơ bản. Các electron của gió mặt trời không quan trọng đối với một cánh buồm như vậy. Nhưng các hạt mang điện tích dương - proton và bức xạ alpha - sẽ bị đẩy khỏi dây, do đó tạo ra lực đẩy phản lực.
Mặc dù lực đẩy này sẽ ít hơn khoảng 200 lần so với lực đẩy của một cánh buồm mặt trời, nhưng Cơ quan Vũ trụ Châu Âu vẫn quan tâm. Thực tế là một cánh buồm điện dễ dàng hơn nhiều trong việc thiết kế, sản xuất, triển khai và vận hành trong không gian. Ngoài ra, bằng cách sử dụng lực hấp dẫn, cánh buồm cũng cho phép bạn di chuyển đến nguồn của gió sao, chứ không chỉ ở cách xa nó. Và vì diện tích bề mặt của một cánh buồm như vậy nhỏ hơn nhiều so với cánh buồm mặt trời, nó ít bị tổn thương hơn nhiều trước các tiểu hành tinh và các mảnh vỡ không gian. Có lẽ chúng ta sẽ thấy những con tàu thử nghiệm đầu tiên chạy bằng buồm điện trong vài năm tới.
Động cơ ion
Dòng chảy của các hạt mang điện của vật chất, tức là các ion, không chỉ được phát ra bởi các ngôi sao. Khí ion hóa cũng có thể được tạo ra một cách nhân tạo. Thông thường, các hạt khí trung hòa về điện, nhưng khi nguyên tử hoặc phân tử của nó mất điện tử, chúng sẽ biến thành ion. Trong tổng khối lượng của nó, một chất khí như vậy vẫn không mang điện, nhưng các hạt riêng lẻ của nó trở nên tích điện, có nghĩa là chúng có thể chuyển động trong từ trường.
Trong động cơ ion, khí trơ (thường là xenon) bị ion hóa bởi một dòng electron năng lượng cao. Chúng đánh bật các electron ra khỏi nguyên tử, và chúng thu được điện tích dương. Hơn nữa, các ion tạo thành được tăng tốc trong một trường tĩnh điện đến tốc độ 200 km / s, lớn hơn 50 lần so với tốc độ dòng khí thoát ra từ động cơ phản lực hóa học. Tuy nhiên, bộ đẩy ion hiện đại có lực đẩy rất thấp - khoảng 50-100 milinewtons. Một động cơ như vậy thậm chí sẽ không thể di chuyển khỏi bàn. Nhưng anh ấy có một điểm cộng nghiêm trọng.
Xung lực riêng lớn có thể làm giảm đáng kể mức tiêu hao nhiên liệu trong động cơ. Năng lượng thu được từ pin năng lượng mặt trời được sử dụng để ion hóa khí, do đó, động cơ ion có thể hoạt động trong một thời gian rất dài - lên đến ba năm mà không bị gián đoạn. Trong khoảng thời gian như vậy, anh ta sẽ có thời gian để tăng tốc phi thuyền đến tốc độ mà động cơ hóa học không bao giờ mơ tới.
Các động cơ ion đã hơn một lần cày xới sự rộng lớn của hệ mặt trời như một phần của nhiều nhiệm vụ khác nhau, nhưng thường là phụ trợ chứ không phải là nhiệm vụ chính. Ngày nay, động cơ plasma ngày càng được thảo luận nhiều hơn như một giải pháp thay thế khả dĩ cho động cơ đẩy ion.
Động cơ plasma
Nếu mức độ ion hóa của các nguyên tử trở nên cao (khoảng 99%), thì trạng thái tập hợp như vậy của vật chất được gọi là plasma. Trạng thái plasma chỉ có thể đạt được ở nhiệt độ cao, do đó, khí ion hóa được đốt nóng lên đến vài triệu độ trong động cơ plasma. Hệ thống sưởi được thực hiện bằng cách sử dụng một nguồn năng lượng bên ngoài - các tấm pin mặt trời hoặc thực tế hơn là một lò phản ứng hạt nhân nhỏ.
Plasma nóng sau đó được phóng ra qua vòi phun của tên lửa, tạo ra một lực đẩy lớn hơn hàng chục lần so với lực đẩy ion. Một ví dụ về động cơ plasma là dự án VASIMR, được phát triển từ những năm 70 của thế kỷ trước. Không giống như máy đẩy ion, máy đẩy plasma vẫn chưa được thử nghiệm trong không gian, nhưng những hy vọng lớn đang được đặt trên chúng. Đó là động cơ plasma VASIMR là một trong những ứng cử viên chính cho các chuyến bay có người lái đến sao Hỏa.
Động cơ tổng hợp
Người ta đã cố gắng chế ngự năng lượng của phản ứng tổng hợp nhiệt hạch từ giữa thế kỷ XX, nhưng cho đến nay họ vẫn chưa thể làm được điều này. Tuy nhiên, phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có kiểm soát vẫn rất hấp dẫn, bởi vì nó là một nguồn năng lượng khổng lồ thu được từ nhiên liệu rất rẻ - đồng vị của heli và hydro.
Hiện tại, có một số dự án thiết kế động cơ phản lực dựa trên năng lượng của phản ứng tổng hợp nhiệt hạch. Hứa hẹn nhất trong số chúng được coi là một mô hình dựa trên một lò phản ứng với plasma từ tính. Lò phản ứng nhiệt hạch trong một động cơ như vậy sẽ là một buồng hình trụ bị rò rỉ dài 100-300 mét và đường kính 1-3 mét. Buồng phải được cung cấp nhiên liệu ở dạng plasma nhiệt độ cao, ở áp suất đủ, sẽ tham gia vào phản ứng tổng hợp hạt nhân. Các cuộn dây của hệ thống từ tính đặt xung quanh buồng phải giữ không cho plasma này tiếp xúc với thiết bị.
Vùng phản ứng nhiệt hạch nằm dọc theo trục của một hình trụ như vậy. Với sự hỗ trợ của từ trường, dòng plasma cực nóng chảy qua vòi của lò phản ứng, tạo ra lực đẩy cực lớn, gấp nhiều lần so với động cơ hóa học.
Động cơ phản vật chất
Tất cả các vật chất xung quanh chúng ta đều bao gồm các fermion - các hạt cơ bản có spin bán nguyên. Ví dụ, chúng là các hạt quark, tạo nên proton và neutron trong hạt nhân nguyên tử, cũng như các electron. Hơn nữa, mỗi fermion có phản hạt riêng của nó. Đối với một electron, đây là một positron, cho một quark - một phản quark.
Các phản hạt có cùng khối lượng và cùng spin với các "đồng chí" thông thường của chúng, khác nhau về dấu hiệu của tất cả các tham số lượng tử khác. Về lý thuyết, phản hạt có khả năng cấu thành phản vật chất, nhưng cho đến nay, phản vật chất vẫn chưa được ghi nhận ở bất kỳ đâu trong Vũ trụ. Đối với khoa học cơ bản, câu hỏi lớn là tại sao nó không tồn tại.
Nhưng trong điều kiện phòng thí nghiệm, bạn có thể nhận được một số phản vật chất. Ví dụ, một thí nghiệm đã được thực hiện gần đây so sánh các đặc tính của proton và phản proton được lưu trữ trong một bẫy từ tính.
Khi phản vật chất và vật chất thông thường gặp nhau, một quá trình hủy diệt lẫn nhau xảy ra, kèm theo một luồng năng lượng khổng lồ. Vì vậy, nếu chúng ta lấy một kg vật chất và phản vật chất, thì lượng năng lượng giải phóng khi chúng gặp nhau sẽ tương đương với vụ nổ của "Bom Sa hoàng" - quả bom khinh khí mạnh nhất trong lịch sử loài người.
Hơn nữa, một phần đáng kể năng lượng sẽ được giải phóng dưới dạng các photon của bức xạ điện từ. Theo đó, có mong muốn sử dụng năng lượng này để du hành vũ trụ bằng cách tạo ra một động cơ photon tương tự như cánh buồm mặt trời, chỉ trong trường hợp này ánh sáng sẽ được tạo ra bởi một nguồn bên trong.
Nhưng để sử dụng hiệu quả bức xạ trong động cơ phản lực, cần phải giải quyết vấn đề tạo ra một "tấm gương" có thể phản xạ các photon này. Rốt cuộc, con tàu bằng cách nào đó phải đẩy ra để tạo ra lực đẩy.
Không có vật liệu hiện đại nào đơn giản là không chịu được bức xạ sinh ra trong trường hợp nổ như vậy và sẽ bốc hơi ngay lập tức. Trong tiểu thuyết khoa học viễn tưởng của mình, anh em nhà Strugatsky đã giải quyết vấn đề này bằng cách tạo ra một "vật phản xạ tuyệt đối". Trong cuộc sống thực, chưa có gì như thế này được thực hiện. Nhiệm vụ này, cũng như các vấn đề về việc tạo ra một lượng lớn phản vật chất và lưu trữ lâu dài của nó, là một vấn đề của vật lý học trong tương lai.
Không có gì bí mật khi mọi thứ động cơ phản lực công do định luật bảo toàn động lượng. Từ nó mà lực đẩy phản lực là tích số của tốc độ dòng chảy khối lượng và tốc độ của chất lỏng làm việc thoát ra khỏi vòi phun.
Tốc độ này thường được gọi là xung lực riêng của động cơ phản lực. Ví dụ, hãy tìm lực đẩy phản lực khi bắn từ súng trường tấn công Kalashnikov, thành phần chính của độ giật. Cho khối lượng của viên đạn là 0,016 kg, vận tốc gốc của đạn 700 m / s, và tốc độ bắn 10 ảnh / giây. Khi đó độ giật là F = 700 ∙ 0,016 ∙ 10 = 112 N (hoặc 11 kgf)... Độ giật lớn, nhưng ở đây tốc độ bắn kỹ thuật là 600 rds / phút. Trong thực tế, quá trình chụp được thực hiện theo cụm hoặc đơn lẻ và là ≈50 rds / phút.
Bắn từ AK
Hãy quay lại với động cơ phản lực thực, trong đó, thay vì đạn, dòng khí thoát ra với tốc độ siêu âm thường được sử dụng. Động cơ phản lực hóa học là loại phổ biến nhất, nhưng không phải là loại duy nhất.
Trong bài viết này, với lời nói đầu dài, tôi muốn nói về động cơ phản lực ion (sau đây gọi là IRD). IRD sử dụng các hạt mang điện - ion - làm môi trường làm việc. Các ion có khối lượng, và nếu chúng bị phân tán bởi điện trường thì có thể tạo ra lực đẩy phản lực. Đây là tất cả trên lý thuyết, nhưng bây giờ chi tiết hơn. IRD có một lượng khí nhất định bị ion hóa (tức là các nguyên tử khí mang điện trung hòa bị phá vỡ thành các điện tử âm và ion dương) bằng phương pháp phóng điện. Sau đó, các ion được tăng tốc bởi điện trường bằng cách sử dụng hệ thống đặc biệt lưới, và cùng một hệ thống lưới ngăn chặn chuyển động của các electron. Sau khi các ion dương thoát ra khỏi vòi phun, chúng được trung hòa với các điện tử âm (do đó, sự kết hợp lại xảy ra và khí bắt đầu phát sáng) để các ion không bị hút trở lại động cơ, và do đó không làm giảm của nó. đẩy.
Tại sao xenon?
Thông thường, khí xenon được sử dụng làm chất lỏng hoạt động trong IRD, vì nó có năng lượng ion hóa thấp nhất trong số các khí trơ.
Xung lực cụ thể của động cơ phản lực ion đạt tới 50 km / s, gấp 150 lần tốc độ âm thanh! Than ôi, lực đẩy của các động cơ như vậy là khoảng 0,2 N. Tại sao lại như vậy? Rốt cuộc, xung lực cụ thể là rất lớn. Vấn đề là khối lượng của các ion rất nhỏ và tốc độ dòng chảy khối lượng thấp. Vậy tại sao những động cơ như vậy lại cần thiết nếu chúng không thể di chuyển được? Ở Trái đất, chúng có thể không làm được, nhưng trong không gian, nơi không có lực lượng phản kháng, chúng khá hiệu quả. Có một thứ như là tổng xung - tích của lực đẩy theo thời gian hoặc tích của xung cụ thể đối với khối lượng nhiên liệu, khá lớn đối với IRD.
Chúng ta hãy giải quyết vấn đề sau đây. Để chất lỏng Động cơ tên lửa có xung cụ thể là 5 km / s, trong khi IRD của chúng tôi sẽ có xung là 50 km / s. Và giả sử khối lượng của chất lỏng làm việc (trong động cơ đẩy chất lỏng bằng khối lượng của nhiên liệu) cho cả hai động cơ sẽ là 50 kg. Hãy lấy khối lượng của tàu vũ trụ bằng 100 kg.
Hãy để chúng tôi tìm tốc độ cuối cùng của thiết bị bằng công thức Tsiolkovsky (tức là khi nó hết khối lượng làm việc).
Và điều gì sẽ xảy ra nếu động cơ phản lực ion và phản lực hóa học có cùng khối lượng nhiên liệu, thì IRD sẽ có thể tăng tốc tàu vũ trụ lên tốc độ cao hơn RD hóa học. Đúng như vậy, tàu vũ trụ trên IRD sẽ tăng tốc đến tốc độ cuối cùng lâu hơn so với trên động cơ đẩy chất lỏng. Nhưng khi du hành đến các hành tinh xa xôi, tốc độ cuối cùng (gia tốc) cao sẽ bù đắp cho nhược điểm này.
Đề án chuyến bay đến sao Hỏa trên IRD
IRD được sử dụng trong thời đại của chúng ta. Ví dụ, thiết bị Deep Space 1 đã tiếp cận chữ nổi của tiểu hành tinh và sao chổi Borelli, truyền về Trái đất một lượng đáng kể dữ liệu khoa học và hình ảnh có giá trị.
Không gian sâu 1
Ngoài ra, ăng ten không gian LISA, hiện đang ở giai đoạn thiết kế, sẽ sử dụng IRD để điều chỉnh quỹ đạo.
Ăng ten không gian của giao thoa kế laser
Và cuối cùng, hãy xác định lực đẩy IRD, biết khối lượng của ion M = 6,5 ∙ 10 ^ -26 kg tăng tốc điện áp U = 50 kV, dòng điện trung hòa I = 0,5 A, phí cơ bản e = 1,6 ∙ 10 ^ -16 C.
Điện áp là công việc chuyển giao điện tích, tức là ở lối ra khỏi vòi phun, ion sẽ có động năng bằng tích hiệu điện thế và điện tích của ion. Từ động năng ta biểu thị vận tốc (xung lực riêng). Tìm tốc độ dòng chảy khối lượng từ định nghĩa của dòng điện, điện là một khoản phí đi qua trong thời gian. Nó chỉ ra rằng tốc độ dòng chảy khối lượng là tích của khối lượng của ion và dòng điện chia cho điện tích của ion. Nhân xung lực và dòng khối lượng riêng, ta thu được lực đẩy bằng 0,1 N.
Tóm lại, tôi muốn nói rằng có những động cơ phản lực plasma, có thiết bị tương tự, nhưng có tốc độ dòng chảy khối lượng lớn hơn nhiều của chất lỏng làm việc. Ai biết được, có thể ngày mai trên những động cơ như vậy, loài người sẽ bay đến Sao Hỏa và Mặt Trăng.
