В данной статье пойдет речь о четвертом состоянии вещества – плазме. Однако прошу заметить, что перед повторением данного изобретения внимательно прочтите предупреждение, указанное ниже.
Отказ от ответственности: если вы собираетесь повторить данное изобретение, примите во внимание следующие риски: для работы устройства используется опасный ток высокого напряжения. Кроме того, конечный продукт может излучать небольшое количество рентгеновских лучей. Я не буду нести ответственность за повреждения собственности или людей при повторении данного учебного материала.
Рабочий стол
Плазменная резка металла применяется для обработки листового проката довольно больших размеров. Стол должен иметь большие размеры и регулироваться по высоте. Для самодельного станка воздушно-плазменной резки достаточно размеров 1300х1300 мм или чуть больше. Как правило, в непрофильных мастерских более крупные листы не используются. Но при постройке станка своими руками чертежи можно изменить под конкретные потребности.
Платформа сваривается из профильной трубы (квадрат) 80х80х4 мм или 10х10х4 мм. Можно использовать и прямоугольный профиль, но квадрат получается дешевле, и варить его проще. Форма основания — обычный стол на четырех ножках. Каждая ножка должна быть оборудована винтовой системой регулировки высоты — для точного горизонтирования.
Рабочая поверхность стола — прямые параллельные ламели
Направляющие делаются из трубы диаметром 1 или 1,5 дюйма. На них установлены ролики на подшипниках, которые можно без труда выточить самостоятельно из мягкой стали. Станок плазменной резки металла с ЧПУ будет отличаться высокой производительностью только в том случае, когда подача и перемещение заготовок не будет вызывать затруднений.
Схема работы плазменного двигателя
| Основные типы плазменных двигателей для космических кораблей | Принципы действия |
| Электростатический | «Классический» ионный двигатель, действующий на основе «эффекта Холла», при котором замкнутый дрейф электронов под действием кольцевого электростатического поля обеспечивает реактивное истекание плазмы. По принципиальной схеме холловские двигатели делятся на двигатели с анодным слоем (ДАС) и с протяжённой зоной ускорения (СПД) |
| Электротермический | Для генерации плазмы используются электромагнитные поля, что приводит к повышению температуры топлива. Далее тепловая энергия, передаваемая газообразному топливу, преобразуется в кинетическую |
| Электромагнитный | Плазменный двигатель, в котором ионы ускоряются за счёт воздействия электромагнитных полей — естественного (земного) и искусственного (генерируемого самим аппаратом) |
Самыми используемыми в настоящее время пока что являются устройства, так или иначе действующие на эффекте Холла.
Схема ионного двигателя
На сегодняшний день ионные двигатели необходимы спутникам, чтобы маневрировать в ближнем космосе — как правило, для удержания параметров стационарной орбиты, изменения своего курса или уклонения от космического мусора. Но существует и несколько проектов, связанных с использование ионных двигателей для дальних космических путешествий.
Самым известным из них стала автоматическая исследовательская миссия Dawn от НАСА. В сентябре 2007 года она была запущена для исследования астероида Веста и карликовой планеты Церера. Аппарат Dawn был оборудован тремя компактными ксеноновыми ионными двигателями NSTAR, которые разгоняли атомы до скорости в десять раз выше, чем могли это сделать современные химические двигатели.
Для полета Dawn требовалось в среднем 3,25 мг топлива в секунду, а на борту аппарата разместилось 425 кг ксенона. Через девять лет после запуска станция Dawn разогналась до скорости 39 900 км/час (11,1 км/с). 1 ноября 2022 года НАСА официально закончила миссию Dawn, поскольку ионные двигатели полностью выработали топливо.
Ещё одним космическим аппаратом, который использует ксеноновые ионные двигатели для дальних полётов, стала японская исследовательская станция по изучению астероида Рюгу «Хаябуса-2». Зонд оснащён четырьмя ионными двигателями IES и ксеноном массой 73 кг.
Когда и как возникла идея разработки плазменного двигателя
О возможностях использования электроракетных двигателей задумывались ещё в начале XX века. Идея создания плазменного двигателя, в котором могла бы возникать реактивная тяга за счёт энергии ионов, параллельно была впервые публично выдвинута в 1911 году российским учёным Константином Циолковским, одним из теоретических основоположников космонавтики. Первые практические эксперименты в этом направлении в 1916 году были проведены уже американским «отцом космонавтики» — учёным Робертом Годдардом.
В то время подобные разработки не смогли стать основой каких-либо полноценных технических решений: они могли действовать только в условиях, максимально приближённых к вакууму. Вопросы использования плазменных технологий стали актуальными к 1960-м годам, когда СССР и США приступили к практическому освоению космического пространства. Учёными этих стран к тому времени были обоснованы принципы работы различных ионных двигателей, способных создавать реактивную тягу за счёт ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.
Первый работающий ионный двигатель был построен инженером НАСА Гарольдом Кауфманом в 1959 году. В качестве топлива он использовал ртуть. Суборбитальные испытания этого двигателя прошли в 1964 году, когда исследовательской ракетой был запущен научный зонд Sert 1 — первое в истории устройство, использовавшее конструкцию ионного двигателя в космосе. В 1970-х годах в США провели ряд повторных испытаний этой технологии, но в дальнейшем развивать её не стали.
СПД калининградского ОКБ «Факел»
В СССР подошли более основательно Теоретическое исследование плазмодинамики, осуществлённое академиком Алексеем Морозовым, считается наиболее фундаментальным в мировой науке. В 1972 году в системе ориентации советского спутника «Метеор» были использованы два электроракетных двигателя: «классический» ионный и стационарный плазменный (СПД). Последний вариант показал себя лучше, и советские специалисты сконцентрировались на этой разновидности двигателей. На их производстве стало специализироваться калининградское ОКБ «Факел», которое в дальнейшем стало развивать и совершенствовать данную технологию.
В настоящее время именно калининградские СПД лидируют в мире по характеристикам достигнутой мощности и производительности. Они широко востребованы многими зарубежными производителями коммерческих геостационарных спутников и применяются для поддержания их орбит. Российские СПД сделали возможным создание спутников без использования химической тяги, основанной на весьма токсичном топливе.
