Активное внедрение электронных схем в устройство автомобиля постепенно переросло в создание единой системы электронного управления двигателем (ЭСУД) под контролем ЭБУ. Параллельно с этим электронными модулями управления оснастили не только ДВС, но также и другие узлы и агрегаты современного автомобиля. Например, управляющая электроника контролирует тормоза, подушки безопасности, трансмиссию, отдельные элементы ходовой части и т.д.
Для управления и контроля в устройстве различных систем присутствуют многочисленные датчики, которые активно взаимодействуют с модулями. Благодаря наличию таких модулей реализована возможность оперативно выявлять различные неисправности и сбои, то есть выполняется компьютерная диагностика двигателя автомобиля и других узлов. Далее мы поговорим о том, что дает компьютерная диагностика двигателя, как можно проверить работу мотора и остальных агрегатов, а также где и как лучше проводить данную процедуру.
Необходимость диагностики двигателя, которую владелец выполняет самостоятельно, может возникнуть по разным причинам. В одних случаях процедура выполняется регулярно в профилактических целях, в других поверки мотора своими руками позволяют экономить денежные средства и обходиться без посещения автосервиса и т.д.
В любом случае, определить поломку и проверить общее состояние ДВС и его систем на современном автомобиле стало проще. Дело в том, что внедрение электронных систем управления с режимами самодиагностики позволяет ЭБУ двигателем фиксировать возможные ошибки, которые после расшифровки указывают на причину сбоя или поломки.
Также не стоит забывать и о проверенных методах диагностики, которые основаны на анализе шумов, цвета выхлопа и других признаках, косвенно или прямо указывающих на ту или иную проблему.
В этой статье мы поговорим о том, как делают диагностику двигателя, какое оборудование и инструменты будут необходимы, а также какие поломки помогает обнаружить самостоятельная диагностика двигателя автомобиля.
- Компьютерная диагностика автомобиля
- Поверхностный осмотр ДВС, замер компрессии и давления топлива
- Проведение компьютерной диагностики силового агрегата
- Диагностика шумов, свистов и стуков двигателя
- Способ диагностики плазменной струи
- Своими руками, выездная услуга или проверка на СТО
- Диагностика двигателя своими руками
- Что в итоге
Компьютерная диагностика автомобиля
Начнем с того, что одной из самых сложных задач во время диагностики любого мотора справедливо считается точное определение поломки. На автомобилях без ЭСУД специалистам приходится ориентироваться на определенные признаки и симптомы той или иной неисправности, а также производить целый ряд трудоемких диагностических процедур, которые нередко сопровождаются частичной разборкой двигателя, снятием навесного оборудования и т.д.
Теперь давайте ответим на вопрос, что показывает компьютерная диагностика двигателя. Итак, компьютерная диагностика автомобиля является современным способом проверки тех элементов и узлов, которые взаимодействуют с ЭСУД. Более того, возникающие неисправности в одном узле или механизме могут оказывать влияние на работу другого, что также зачастую фиксируется во время проверки или позволяет более точно локализовать возникшую неисправность.
Компьютерная диагностика позволяет специалистам оценить важные параметры во время работы двигателя, после чего сравнить полученные данные с теми показателями, которые считаются нормой. Во время диагностики двигателя проверяется сама система электронного управления, система питания, механизм газораспределения, система зажигания, система охлаждения, ЕГР и т.д. Параллельно оценивается качество наполнения цилиндров топливно-воздушной смесью, состав смеси и ряд других параметров.
Такую проверку производят поэтапно, после чего выводится сводный отчет об ошибках. Указанные ошибки далее расшифровываются, после чего принимается решение о замене или ремонте тех или иных узлов, деталей и других конструктивных элементов. Другими словами, внедрение электронных систем в устройство транспортного средства позволяет динамично контролировать работу и записывать в память ЭБУ ошибки в случае их возникновения. Указанные ошибки сохраняются в памяти электронных модулей в виде кодов. Если ЭБУ фиксирует ошибку, на приборной панели может загореться «чек», что указывает на неисправность.
Получается, диагностика автомобиля сканером или при помощи компьютера позволяет выявить сбои в работе ДВС до появления более серьезной неисправности, а также достаточно точно определить уже имеющиеся проблемы. Такая возможность проверки значительно облегчает процесс поиска неисправностей, а также экономит время. Компьютерная диагностика машины позволяет получить важную информацию, которая отображает общее состояние деталей, механизмов, узлов и агрегатов ДВС, а также самих датчиков и блоков управления электронных систем. Если иначе, можно комплексно оценить техническое состояние двигателя и других агрегатов автомобиля.
Плазменные кристаллы и ракетные двигатели на осколках деления
Первый плазменный кристалл, полученный на кафедре Физики Плазмы в МИФИ
Всем, кто более или менее давно интересуется космическими исследованиями, известны проекты ядерных и термоядерных ракетных двигателей.
Ядерные ракетные двигатели (ЯРД) используют реакцию деления урана, плутония или иного делящегося материала чтобы нагреть водород или иной лёгкий газ до нескольких тысяч градусов и затем выбросить этот газ через обычное металлическое сопло. На практике такие двигатели обеспечивали удельный импульс в 800-900 секунд (эффективная скорость реактивной струи 8-9 км/с), что вдвое выше, чем у лучших ЖРД. Гипотетические проекты, в которых делящийся материал нагревался выше температуры своего кипения, так называемые газофазные ЯРД, должны обеспечить удельный импульс уже в тысячи секунд, на равных соревнуясь по этому показателю с плазменными ракетными двигателями. При этом ЯРД могут обеспечивать огромную тягу, десятки и сотни тонн-силы, оставаясь при этом весьма компактными. Но, к сожалению или к счастью, ракеты с ЯРД никогда никуда не летали, и дальше стендовых испытаний дело не зашло. Отчасти из-за экологических проблем, отчасти из-за сложности и дороговизны технологии.
ЯРД Kiwi-A (слева) и Phoebus-1. Последний имел тепловую мощность более 1 ГВт
Во-первых, человечество пока так и не освоило управляемый термоядерный синтез, а потому ТЯРД остаются чисто «бумажными» проектами. В течении ближайших пары-тройки десятков лет ожидать их внедрения не стоит.
Во-вторых, такие двигатели даже «на бумаге» обладают очень низкой плотностью мощности. Т.е. они будут очень большими, а тяга при этом будет весьма незначительной. Особенно малая тяга получается в том случае, если мы хотим 1 000 000+ секунд удельного импульса: даже при 1 ГВт термоядерной мощности тяга составит лишь около десятка килограмм-силы. А ведь гигаваттный ТЯРД — это махина, чьи размеры будут измеряться сотнями метров!
Газодинамическая открытая плазменная ловушка ГДЛ. Одна из установок, способных стать прототипом ТЯРД
Вот тут-то на арену и выходит малоизвестный, но от этого не менее интересный класс ракетных двигателей — двигатели на осколках деления. Они же — Fission Fragment Rocket Engine (FFRE).
Но давайте сейчас немного отвлечёмся от двигателей и поговорим о таком явлении, как плазменный кристалл. Потом поймёте почему.
Само выражение «плазменный кристалл» выглядит оксюмороном: плазма — это предельно хаотическое состояние вещества, в то время как кристалл — предельно упорядоченное. Как кристалл может быть плазменным?..
Ну, если у нас совершенно чистая плазма — да, так и есть, ни о каком кристалле говорить не приходится. Но что если у нас в плазму попала пыль, если у нас так называемая «пылевая плазма»?.. Электроны в плазме обычно движутся намного быстрее ионов, а потому на упавшую в плазму пылинку прилетает куда больше электронов, чем ионов. Пылинка получает всё больше отрицательного заряда. Отрицательный заряд пылинки начинает отталкивать электроны и притягивать ионы, постепенно уравнивая их потоки. В какой-то момент наступает равновесие: пылинка имеет стабильный отрицательный заряд, а плазма вокруг неё — стабильный положительный заряд (т.к. часть её электронов теперь «живёт» на пылинке).
Если пылинок много, то мы получаем ситуацию, очень похожую на металл: множество тяжёлых частиц с одним зарядом, находящихся в газе с противоположным зарядом. У металла тяжёлые частицы — это положительно заряженные ионы, а газ состоит из лёгких электронов с отрицательным зарядом. Тут у нас тяжёлые пылинки с отрицательным зарядом, помещённые в положительно заряженную плазму.
Как и ионы металла, заряженные пылинки могут начать выстраиваться в упорядоченные структуры. В самом начале статьи вы можете увидеть фотографию плазменного кристалла, полученного в 2008-м году на кафедре Физики Плазмы в МИФИ. Фотография сделана обычной «мыльницей» без применения микроскопа или каких-то других увеличивающих приборов. Т.е. это кристалл, где отдельные его частицы видны невооружённым глазом. Невооружённым глазом можно видеть, как при изменении условий эксперимента кристалл «плавится» и вновь «твердеет», меняет тип своей решётки. Конечно, именно на этой фотографии кристаллическая решётка имеет так много дефектов, что «кристалл» скорее похож по структуре на аморфное тело. Но это — историческое фото, на нём самый-самый первый кристалл, полученный на кафедре, а не самый совершенный.
Впрочем, получить идеальный плазменный кристалл на Земле вообще практически невозможно — мешает сила тяжести. Прочности у плазменных кристаллов практически нет, поэтому даже свой собственный вес приводит к значительной деформации. Чтобы изучать идеальные плазменные кристаллы учёным пришлось отправится на МКС. Ну, точнее, отправить туда специальное оборудование и обучить им пользоваться космонавтов. Вот тут есть длинный список научных публикаций, сделанных по результатам исследований на МКС.
Ну вот теперь мы наконец-то готовы вернуться к FFRE.
И так, в чём же идея двигателя на осколках деления? У нас есть ядро, например, урана-235, которое поглотило тепловой нейтрон и раскололось на два осколка и несколько нейтронов. Например, на криптон-92, барий-141 и три нейтрона. Ядро криптона-92 при этом будет иметь кинетическую энергию где-то в 101 МэВ и скорость 14 500 км/с, а ядро бария-141 — 66 МэВ и 9 500 км/с. Усреднённая с учётом массы скорость осколков деления получается 11 500 км/с!
Если мы научимся выбрасывать из сопла непосредственно сами осколки деления, то удельный импульс двигателя может достигнуть 1 000 000 секунд или 10 000 км/с — на уровне лучших проектов ТЯРД! При этом скорость цепной ядерной реакции деления ограничена лишь нагревом элементов двигателя, в отличии от ТЯРД, где скорость реакции в добавок ограничивает температура и плотность плазмы.
Первая идея была предложена в конце 80-х годов. И суть её довольно простая: давайте изготовим ядерное топливо в виде тончайшего, около 1 мкм, слоя карбида урана-235, плутония-239 или иного делящегося материала на поверхности тончайших, несколько микрон, углеродных волокон, а из этих волокон сделаем тончайшие листы. Тогда осколки деления смогут покинуть ядерное топливо, сохранив при этом в среднем половину свой энергии или даже больше.
Проект FFRE 1988-го года от Ливерморской национальной лаборатории
Разумеется, даже если добиться от такой схемы почти нереальной эффективности в районе 80%, всё равно потеря осколками 20% их энергии внутри тончайшего листа привела бы к сильнейшему разогреву. Поэтому листам предполагалось придать форму дисков, насаженных целой стопкой на единую ось. Диски входят в щели активной зоны, содержащей отражатель и замедлитель нейтронов, а также мощную магнитную систему. Ось с дисками вращается, постоянно водя внутрь активной зоны новые, успевшие остыть, участки дисков, и выводя из неё те участки дисков, что успели нагреться до максимальной допустимой температуры. Мощная магнитная система, как не сложно догадаться, улавливает положительно заряженные осколки деления и формирует из них направленную реактивную струю.
Концепция содержит целый ряд серьёзных недостатков:
лишь малая доля массы дисков преобразуется в поток осколков деления. В результате хоть скорость реактивной струи и составит почти 10 000 км/с, удельный импульс оказывается на порядок ниже;
вы не можете осуществлять непрерывную подачу рабочего тела в двигатель. Вам нужно загрузить в него стопку дисков, выработать её, остановить двигатель и заменить стопку на новую. При этом непонятно, что делать со старой стопкой дисков, представляющей собой радиоактивные отходы максимального класса опасности;
новые диски в большом количестве (а на ракете нам нужно иметь их много) крайне опасны, т.к. в них может начаться самопроизвольная цепная ядерная реакция.
Размышляя на тему использования осколков деления в качестве рабочего тела ракетного двигателя автор статьи с десяток лет назад пришёл к мысли преобразовать ядерное топливо в плазму, которую затем удерживать с помощью магнитного поля. Причём поле должно собирать урановую или плутониевую плазму в набор тонких параллельных плазменных цилиндров, в своего рода плазменные ТВЭЛы, разделённые большими вакуумными промежутками. Имея огромную кинетическую энергию, осколки деления легко преодолели бы магнитное поле, удерживающее урановую плазму, и вышли бы в вакуумные промежутки. Там осколки должны быть захвачены другим магнитным полем, которое направит их в магнитное сопло.
Разумеется, сразу возник вопрос: а не предлагал ли кто-нибудь другой что-то похожее? Поиск в литературе дал ответ: предлагали идею, которая даже лучше! Как вы, наверное, уже догадались, предложение заключалось в создании плазменного кристалла, где мельчайшие, менее микрона в диаметре, пылинки состояли бы из урана или плутония. Малый размер частиц позволит осколкам деления свободно выходить из топлива в очень разрежённую, а от того почти не мешающую движению, плазму.
Проект FFRE, предложенный в рамках первой фазы NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) 2011-го года
Более общий вид того же 1 ГВт двигателя
Как создать плазменные ТВЭЛы вообще говоря не очень понятно. Ещё менее понятно, получится ли сделать их достаточно плотными, чтобы запустить цепную реакцию, но при этом достаточно разрежёнными, чтобы осколки деления выходили в вакуумный промежуток между ними. А вот сомнений в возможности создания пылевой плазмы с частицами урана или плутония нет никаких. Т.е. двигатель на основе пылевой плазмы на первый взгляд выглядит чем-то действительно осуществимым, причём уже при современном уровне технологий.
Почему же никто не ведёт интенсивных разработок в этом направлении? Увы, но как и у любой другой фантастической по своим возможностям технологии, у этой при детальном разборе обнаруживаются не менее фантастические проблемы.
Во-первых, стендовая отработка. FFRE может работать только в вакууме, а значит отрабатывать его нужно в герметичной вакуумной камере. И вакуум в камере должен поддерживаться в течении всей работы двигателя, а значит нам нужно непрерывно откачивать из неё огромное количество разогретой до миллионов градусов высокорадиоактивной плазмы. Как это сделать решительно непонятно.
Во-вторых, безопасность. В традиционных ядерных реакторах практически все осколки деления надёжно удерживаются внутри прочных оболочек ТВЭЛов. Здесь же мы их выбрасываем в виде раскалённой плазмы наружу. Любые неполадки со стендом грозят огромными радиоактивными выбросами.
В-третьих, сложности ремонта и модернизации двигателя на стенде. После первого же запуска в закрытой камере все элементы двигателя покроются слоем высокоактивных осколков деления, а потому работать с ними смогут только роботы.
По сути дела нам нужна база на каком-нибудь астероиде. На базе будут находится разработчики, использовать его ресурсы для производства, а с противоположной стороны астероида будет стоять испытуемый двигатель: постоянно рядом с инженерами, но одновременно отделённый от них километрами породы, чтобы обеспечить безопасность людей.
Ядерный ракетный двигатель Kiwi работает на мгновенных нейтронах
На данный момент единственный гарантированно работоспособный способ сделать реакцию в FFRE стабильной — это сделать двигатель столь мощным, чтобы можно было регулировать его работу просто скоростью подачи топлива. А это — мощности в тераватты и даже десятки тераватт. Управление же более реалистичными двигателями, от сотен мегаватт до единиц гигаватт, будет составлять крайне нетривиальную проблему.
Так что в итоге?..
В итоге ракетный двигатель на осколках деления оказывается достойным конкурентом для ТЯРД. Достойным конкурентом как по возможностям, вплоть до межзвёздных перелётов, так и по техническим сложностям. FFRE может быть одновременно на порядок меньше и мощнее, чем ТЯРД, но его создание потребует мощнейшей космической инфраструктуры.
30-го января этого года в рамках «Зимней атомной школы» НИЯУ МИФИ я выступал с докладом «Плазменные ракетные двигатели: настоящее и будущее». Решил, что стоит добавить этот доклад и сюда. Разве что название чуть поправил: начинается всё с истории, а значит с прошлого.
Для чего в принципе нужны плазменные двигатели? У них есть пять возможных применений:
– ориентация космических аппаратов в пространстве (повороты вокруг осей);
– коррекция малых возмущений орбиты;
– небольшие орбитальные манёвры (например, уход с геостационарной орбиты на орбиту захоронения);
– переход между удалёнными орбитами (например, с геопереходной орбиты на геостационарную);
– полёты к другим телам Солнечной системы.
Чем плазменные двигатели тут лучше обычных химических, в частности жидкостных ракетных двигателей (ЖРД)? Главное преимущество — в удельном импульсе, т.е., грубо говоря, в той скорости, с которой двигатель выбрасывает реактивную струю.
Скорость струи ЖРД составляет от примерно 2 км/с, у простейших термокаталитических двигателей, до 4,5 км/с у лучших моделей двигателей, работающих на водороде и кислороде.
То, что для ЖРД является рекордным показателем, для плазменных двигателей — посредственный результат, характерный разве что для первых недоработанных прототипов. Как правило скорость струи плазменного двигателя находится на уровне 10 км/с и более. Некоторые двигатели обеспечивают 30-50 км/с. Предела тут по сути не существует! Скорость ограничена лишь тем, что чем она выше — тем больше электроэнергии двигатель тратит на создание той же тяги. Поэтому чрезмерный рост скорости не оправдан, для каждой ситуации есть некоторое оптимальное значение.
Но зачем нам вообще нужна высокая скорость реактивной струи, высокий удельный импульс? Для экономии массы.
Приведём простой пример: если США запускают спутник на геостационарную орбиту, то ракета выводит его сначала на так называемую геопереходную орбиту, а затем спутник уже самостоятельно добирается до геостационарной. Геопереходная орбита — это, как правило, эллиптическая орбита с высотой апогея 35 786 км, перигея где-то примерно 200 км (он не имеет большого значения, а потому может заметно отличаться для разных запусков) и наклонением, в случае Космического центра Кеннеди, 28,5°. Чтобы попасть с геопереходной орбиты на геостационарную спутнику нужно изменить свою скорость на 1,8 км/с. Типичный ЖРД, используемый для таких манёвров, имеет удельный импульс 3,2 км/с. Несложный расчёт по формуле Циолковского показывает, что спутник для такого манёвра должен сжечь 43% своей массы!
Поэтому ещё до полёта Гагарина уже начались наземные работы по разработке плазменных двигателей, а в середине 60-х годов они отправились покорять бескрайние просторы космоса.
Прототип АИПД в руках создателя — Виктора Александровича Храброва. 18.12.2008
30.11.1964 в космос по направлению к Марсу был запущен аппарат Зонд-2. Впервые в истории космический аппарат оснащался плазменными ракетными двигателями: на борту был установлен комплект из шести абляционных импульсных плазменных двигателей (АИПД), который мог обеспечивать ориентацию аппарата в пространстве.
Из-за проблем с раскрытием солнечных батарей плазменные двигатели стали по сути единственным успехом этой миссии: они отработали безупречно! Принципиально они могли бы даже спасти миссию: толчки от работы АИПД позволили раскрыть заевшую солнечную батарею. Но, увы, разрешение на использование этих экспериментальных двигателей было получено слишком поздно: руководство программы не доверяло им, так что разрешило включение только когда уже «похоронило» миссию, и шансов совершить манёвр для сближения с Марсом не оставалось.
Что же представлял из себя этот двигатель?
Внутренности первого плазменного двигателя и часть руки автора статьи
Чертёж первого плазменного двигателя
Конструкция у него была простейшая: два электрода да изолятор (кусок пластмассы, фторопласта) между ними. К электродам подключалось два конденсатора: один большой ёмкости на напряжение примерно в 1 кВ, а второй — очень малой ёмкости, но на десятки киловольт. Первый всегда соединён с электродами, а второй может замыкаться и размыкаться.
Когда мы замыкаем высоковольтный конденсатор на электроды, по поверхности изолятора происходит небольшой пробой, что-то сравнимое с искрой, зажигающей газ в кухонной плите. Далее в работу включается конденсатор большой ёмкости, который поддерживает и усиливает разряд. Тонкий слой поверхности изолятора мгновенно испаряется, превращается в плазму и с огромной скорости выбрасывается из двигателя.
Какие преимущества есть у плазменных двигателей такого типа? Их достаточно много:
1. предельная простота и, соответственно, дешевизна конструкции. В частности полностью отсутствуют как что-то отдельное системы хранения и подачи рабочего тела;
2. очень высокая надёжность;
3. возможность работы на самых разных рабочих телах (рабочим телом может служить даже простой камень!), если у нас стоит задача «использования местных ресурсов», а не получения наилучших характеристик;
4. компактность и малая масса;
5. отсутствие сжатых газов, токсичных, химически активных, пожароопасных и т.д. веществ, т.е. абсолютная безопасность двигателя в выключенном состоянии;
6. простота регулировки потребляемой мощности, работоспособность при сколь угодно малой мощности питания (можно заряжать конденсатор за десятую долю секунды, а можно — за десятки секунд).
Во-первых, малый КПД, который у такого типа двигателей как правило составляет 8-15%.
Во-вторых, малый запас рабочего тела. Ведь у двигателя нет никакого внешнего бака с рабочим телом, всё, что есть — небольшое количество внутри самого двигателя. В результате для таких двигателей такой параметр как «удельный импульс» теряет смысл, вместо него используется «полный импульс» — произведение массы рабочего тела в двигателе на скорость его истечения. У конкретно самого первого двигателя эта величина находилась на уровне 1500 Н*с, что совсем немного.
Стоит заметить, что показанная выше конструкция была первой, но отнюдь не является единственно возможной. АИПД бывают весьма различными. Вот, например, современный АИПД-45-2, установленный на малом спутнике «Вернов»:
Двигатель АИПД-45-2, разработанный в МАИ
Как несложно заметить, изменение конструкции хоть и позволило в значительной мере преодолеть один из главных недостатков АИПД (малый полный импульс, здесь он 20 000 Н*с), но при этом исчез и ряд преимуществ: двигатель стал сложным и громоздким. Поэтому на данный момент АИПД не получили широкого распространения.
29.12.1971 в космос отправился спутник Метеор-1-10, на борту которого находилось выдающееся изобретение не менее выдающегося человека — стационарный плазменный двигатель (СПД) Алексея Ивановича Морозова.
Схема двигателя ЭОЛ-1, первого испытанного в космосе СПД
Магнитные катушки 2 совместно с магнитопроводом 3 создают радиальное магнитное поле, т.е. поле, направленное от центра двигателя к его краям (или от краёв к центру, это не принципиально).
Анод 1, на который подаётся напряжение в несколько сотен вольт, создаёт электрическое поле, направленное вдоль продольной оси двигателя. Это поле пытается притянуть к себе электроны, испускаемые нагретым катодом 7. Но радиальное магнитное поле «не пускает» электроны к аноду. Совместное действие электрического и магнитного полей приводит к тому, что электроны начинают двигаться по окружности вокруг продольной оси двигателя, создавая так называемый холловский ток (из-за чего СПД ещё называется холловским двигателем). Вернее это в среднем они двигаются вокруг оси, а точная траектория электронов очень сложна.
На практике в качестве рабочего газа почти всегда используется ксенон, т.к. он имеет большую плотность (его относительно легко хранить), легко ионизируется и имеет ряд других преимуществ.
Если вы сегодня услышите, что новый космический аппарат оснащён плазменными двигателями, то почти наверняка это будут именно СПД. Несмотря на многообразие других типов, в том числе существование других вариантов холловских двигателей, описанный выше СПД занимает почти что монопольное положение среди плазменных ракетных двигателей, кода речь заходит не о лабораторных испытаниях, а о реальных космических полётах.
Большинство СПД выпущено нашим отечественным ОКБ «Факел». Уже почти полувековой опыт российских специалистов вызывает доверие у разработчиков космических аппаратов по всему миру. Не меньше доверия они вызывают и у страховых компаний: установите плазменный двигатель любого иного типа, нежели СПД от Факела или его лицензионной копии от французской Snecma, и стоимость страховки космического аппарата сразу возрастёт!
СПД осуществляют небольшую коррекцию орбит спутников, они же перевели некоторые из них с геопереходной орбиты на геостационарную. СПД доставил европейский зонд Smart-1 с околоземной орбиты к Луне. Мощность серийных СПД находится в диапазоне от всего пары сотен ватт до нескольких киловатт, что перекрывает практически все современные потребности.
Вот так выглядит работа массовых российских двигателей СПД-70 в космосе (начиная с 55-й секунды видео):
Что же, с прошлым и настоящим плазменных двигателей мы, похоже, разобрались. Но как на счёт будущего?..
Будущее у них связано с двумя диаметрально противоположными направлениями:
– двигатели для наноспутников (космических аппаратов массой в пределах 10 кг);
– высокомощные двигатели для больших орбитальных манёвров и полётов к другим телам Солнечной системы.
CubeSat — это стандарт на размеры, форму и массу космических аппаратов. Стандартизация этих параметров позволяет очень легко и дёшево запускать совместно со «взрослым» спутником массой в тонны множество маленьких «детских» спутников.
Все CubeSat представляют собой прямоугольные параллелепипеды. Есть шесть официально стандартизованных размеров CubeSat: 1U, 1.5U 2U, 3U, 3U+ и отдельно 6U. Иногда встречаются «пикоспутники» типа 0.25U, а также идут работы над «большими» 8U, 12U и 16U, но авторы исходной концепции CubeSat подобных размеров в стандарт не заложили (возможно, что только пока).
1U — это почти кубик с размерами 100x100x113,5 мм (из них только 100x100x100 мм доступны для полезной нагрузки) и массой не более 1,33 кг. 1.5U — 100x100x170,2 мм массой до 2 кг. 2U — 100x100x227 мм массой до 2,66 кг. 3U — 100x100x340,5 мм массой до 4 кг. 3U+ — тоже, что и 3U, но с дополнительным цилиндрическим объёмом диаметром 64 мм и длиной 36 мм на одном из торцов. Наконец, 6U — это 100×226,3×366 мм при массе до 12 кг.
Самыми массовыми стали спутники стандарта CubeSat 3U и 3U+: таких спутников запущено уже более семи сотен! Чтобы лучше понимать, что такое 3U, стоит взглянуть на спутник в руках человека:
Спутник АмГУ-1 стандарта CubeSat 3U
Это реально крошечные спутники!
С малыми размерами и стандартизацией пришло радикальное снижение цены: теперь сделать свой спутник не дороже, чем купить легковой автомобиль. Дошло до того, что спутники делают даже школьники! Ученики образовательного центра Сириус в Сочи собрали два спутника на основе платформы размера CubeSat 1U, которые затем доставили на борт МКС, откуда космонавты запустили их в самостоятельный полёт.
Но, не смотря на размеры, некоторые из CubeSat выполняют серьёзные задачи, например — дистанционное зондирование Земли. А для выполнения серьёзных задач спутникам зачастую нужна двигательная установка. Особенно если вспомнить, что такие спутники выводят на орбиту совместно с другими, более тяжёлыми, зачастую сразу большую группу. А это значит, что разработчики аппаратов CubeSat не имеют возможности заказать вывод именно на те орбиты, которые им нужны.
В таких условиях внезапно вновь стали актуальными АИПД.
Но идея создания двигателя для наноспутников не умерла вместе с этим проектом. Он нашёл одобрение и поддержку у компании Спутникс, занимающейся разработкой и производством спутниковых платформ и компонентов космических аппаратов. Совместно со специалистами компании был определён комплекс требований к двигателю:
– размеры не более 85x85x55 мм;
– масса не более 0,5 кг;
– потребляемая мощность не более 3 Вт;
– полный импульс не менее 200 Н*с (чем больше — тем лучше).
Примерный облик этого двигателя таков:
Проект АИПД для спутников формата CubeSat
Хотя финансирование на разработку практически не выделялось, за прошлый год удалось создать вакуумный стенд для испытаний двигателя.
Вакуумный стенд для испытаний АИПД сверхмалого размера
Тем не менее, работы не остановились полностью! Например, День Космонавтики был отпразднован в «самоизоляции» изготовлением из вольфрам-лантанового сплава катода для АИПД:
Готовый вольфрам-лантановый полый катод
Сборка из катода, изолятора/рабочего тела и анода АИПД
Конечно, до готового двигателя ещё далеко. Более того, двигателей нужно будет изготовить несколько, т.к. нужно проверить различные рабочие тела, в пригодности «классического» фторопласта есть большие сомнения.
Вообще, основные особенности этого двигателя — магнитная система и электролитические конденсаторы.
Обычно в АИПД магнитное поле, ускоряющее плазму, создаётся только разрядным током, который составляет десятки килоампер или даже более. Для создания такого большого тока требуются импульсные конденсаторы, отличающиеся не самой высокой удельной энергоёмкостью. А значит они получаются большими и тяжёлыми.
Решением видится внешняя магнитная система, которая заодно станет индуктивным сопротивлением, не дающим току вырасти до недопустимой для конденсаторов величины. При этом, разумеется, возрастёт длительность импульса.
Решение потенциально очень хорошее, но, как уже было сказано выше, скорее всего потребует поиска другого рабочего тела, свободного от проблемы науглероживания.
Разумеется, АИПД — это не единственный вариант двигателя для спутников CubeSat. Множество научных групп по всему миру активно ведут разработки. И пока никто не может сказать наверняка, кто из нас создаст «двигатель будущего». Ясно лишь одно: компактный, лёгкий и безопасный двигатель с большим полным импульсом найдёт огромный спрос среди разработчиков наноспутников. Возможно, нас будет ждать настоящая нанореволюция в освоении космического пространства, когда большинство задач, ранее решавшихся аппаратами весом в сотни и тысячи килограмм, возьмут на себя CubeSat 3U и 6U.
Уже сейчас наблюдается некоторая нехватка мощности плазменных двигателей: геостационарные спутники имеют по 10-20 кВт доступной электрической мощности, а самые мощные серийные СПД едва достигают 5 кВт. Если спутник использует плазменный двигатель для выхода на рабочую орбиту, то приходится устанавливать сразу множество СПД, работающих одновременно.
Весьма перспективным выглядит вариант вывода геостационарных спутников не на геопереходную орбиту, а на низкую опорную (НОО), с которой они бы уже на плазменных двигателях летели выше. Либо самостоятельно, либо используя межорбитальный буксир. Ведь полезная нагрузка ракеты на НОО в несколько раз выше, чем на геопереходную! Но для этого потребуются двигатели мощностью в десятки или даже сотни киловатт.
Строительство обитаемой станции на Лунной орбите или базы на её поверхности тоже создаёт потребность в плазменных двигателях на десятки-сотни киловатт.
Освоение Марса? Тут найдётся работа для плазменных двигателей во многие мегаватты! Это понимал ещё Сергей Павлович Королёв, а потому им были санкционированы работы над магнитоплазмодинамическими (МПД) двигателями высокой мощности.
Что это за двигатели такие? Ну, в простейшем случае это всего лишь два электрода: катод по центру и труба-анод вокруг него. В более совершенном варианте добавляется ещё магнитная катушка вокруг анода:
Схема работы МПД двигателя с внешним магнитным полем
Впрочем, профиль анода может сильно отличаться от просто прямой трубы. Да и катод может быть более сложным, чем просто сплошной стержень. Часто в нём делается канал или множество каналов, через которые в двигатель подаётся рабочее тело. В отечественной литературе такую разновидность МПД двигателя, при условии наличия внешней магнитной системы (той самой катушки вокруг анода), часто называют торцевым холловским двигателем.
Принцип работы МПД двигателя «в двух словах» таков: между анодом и катодом через плазму течёт ток (от сотен до десятков тысяч ампер). Этот ток, взаимодействуя как со своим собственным магнитным полем, так и с полем внешней магнитной системы, создаёт силу, которая разгонят плазму вдоль продольной оси двигателя. Скорость плазмы на выходе составляет 20-60 км/с или даже более.
Увы, МПД двигатели всё ещё остаются сугубо «двигателями будущего»: несколько раз они летали в космос в качестве эксперимента, но ни разу ни один аппарат не использовал их для реального маневрирования.
В 2000-х годах началось производство высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) лент второго поколения, которые сделали возможными мощные и компактные магнитные системы с очень малым энергопотреблением.
В частности выпуск таких лент освоила московская компания СуперОкс. Она же несколько лет назад взялась за разработку МПД двигателя с ВТСП магнитной системой, для чего был приглашён я.
За эти годы была с нуля создана лаборатория плазменных двигателей и вакуумный стенд для их испытаний.
Стенд для испытаний МПД двигателей с ВТСП магнитной системой
Путём длительных проб и ошибок был разработан собственно сам МПД двигатель
Последний прототип МПД двигателя, рассчитанного на работу с ВТСП магнитном
Поднимитесь к самому началу статьи: первая иллюстрация — это как раз испытания этого двигателя. Ну а в динамике его испытания можно увидеть тут:
Удельный импульс двигателя получился около 35-40 км/с, КПД — более 50%, потребляемая мощность — 15-20 кВт (приемлемая для тяжёлых спутников), тяга — на уровне 0,5 Н. При снижении удельного импульса можно получить тягу и в 1 Н. На создание внешнего магнитного поля в 0,4 Тл расходуется менее 1 кВт!
Всё ли тут прекрасно? Нет, на самом деле работы ещё очень-очень много. В начале этого года представители СупеОкс приехали в НИЯУ МИФИ, а представители кафедры Физики Плазмы МИФИ ездили в СуперОкс. Прошли переговоры о переносе лаборатории и стенда в МИФИ для продолжения работы на более высоком уровне. Увы, пандемия остановила этот процесс, и остаётся только надеяться, что через месяц-два его получится продолжить.
Но не МПД единым! Есть и другие проекты плазменных двигателей высокой мощности.
Наиболее известным из них, безусловно, является безэлектродный двигатель VASIMR компании Ad Astra.
Схема плазменного ракетного двигателя VASIMR
Суть этого двигателя в следующем:
– с помощью сверхпроводящей (да, опять сверхпроводники) магнитной системы в двигателе создаётся продольное магнитное поле;
– с одного конца в двигатель напускается газ — рабочее тело;
– возле того же конца создаётся вращающееся электрическое поле с частотой, равной частоте вращения электронов в магнитном поле двигателя. Так называемый электрон-циклотронный резонанс;
– ускоренные электрическим полем электроны сталкиваются с атомами газа и ионизируют их, создавая плазму;
– в средней части двигателя создаётся вращающееся электрическое поле с частотой, равной частоте вращения ионов в магнитном поле двигателя. Ион-циклотронный резонанс;
– ионы разгоняются электрическим полем до больших скоростей. Однако скорость при этом направлена перпендикулярно оси двигателя. Ионы вращаются, но никуда не улетают, тяги не создают;
– в задней части двигателя создаётся расходящееся магнитное поле — магнитное сопло. Оно преобразует вращение ионов в движение вдоль оси, создаёт тягу.
Двигатель такого типа имеет потенциально неограниченный ресурс, его мощность может составлять от десятков киловатт до многих мегаватт, КПД превышает 70%, удельный импульс регулируется от 30 до 300 км/с.
Увидеть VASIMR в деле можно тут:
Другая очень перспективная разработка в области мощных плазменных двигателей — это коаксиальный СПД от NASA, модель X3.
Коаксиальный СПД NASA X3
Как можно видеть на фотографии, X3 — это как бы три СПД, вложенных один в другой. Все три разрядных канала имеют независимое питание, что позволяет включить любой из них в отдельности, любую пару или все три сразу. А это даёт широчайшие возможности по регулировке мощности: от 5 до 100 кВт! Тяга при этом меняется от 0,35 до 5,4 Н. Вполне обычный для СПД КПД на уровне 55-65%. Удельный импульс может регулироваться от 18 до 26 км/с.
Двигатель NASA X3 при работе всех разрядных каналов
Учитывая огромный опыт эксплуатации на орбите сотен СПД, можно рассчитывать, что двигатель X3 будет иметь весьма высокие ресурс и надёжность. Впрочем, есть некоторые вопросы на счёт того, хватит ли у керамической конструкции диаметром аж 80 см и массой в сотни килограмм прочности чтобы выдержать запуск на ракете-носителе.
Ну что же, на этом пока всё. Не прекращайте осваивать космос!
Автор статьи внутри вакуумной камеры с прототипом МПД двигателя и ВТСП магнитной системой
Поверхностный осмотр ДВС, замер компрессии и давления топлива
Итак, перед началом работ следует внимательно осмотреть двигатель и подкапотное пространство. Отдельного внимания заслуживают элементы проводки, топливные шланги, патрубки и т.д.
Затем нужно проверить состояние воздушного фильтра, а также фильтра топлива. Если фильтры забиты, тогда это может оказаться причиной сбоев в работе агрегата. Параллельно проверяется уровень технических жидкостей (моторное масло, тосол, антифриз, тормозная жидкость и т.д.).
Далее нужно прогреть мотор до рабочих температур. Затем следует погазовать. Если из выхлопной трубы виден серый, сизый, синий или белый дым, тогда это может указывать на разные проблемы (нарушенное смесеобразование, проблемы со сгоранием топливного заряда, попадание ОЖ или моторного масла в камеру сгорания и т.д.).
Еще опытные специалисты всегда проверяют систему вентиляции картера. Для быстрой проверки прямо на месте достаточно отсоединить патрубок системы вентиляции картерных газов, после чего в патрубок нужно вставить немного чистой ткани. Затем мотор заводят и газуют.
В том случае, когда из патрубка летит масло или явно идет дым, тогда это может указывать на проблемы поршневых колец или неполадки самой системы вентиляции. Также в рамках диагностических процедур нужно измерить компрессию и давление топлива.
Чтобы сделать замер компрессии, потребуется выкрутить свечи зажигания на бензиновых моторах или свечи накала на дизельных. При этом также производится визуальный осмотр самих свечей. Если компрессия окажется ниже допустимой нормы, тогда высока вероятность износа ЦПГ, прогара клапана, залегания колец и т.п.
Что касается системы питания, тогда на многих бензиновых агрегатах можно замерить давление топлива в топливной рейке. Такой замер позволяет определить неисправности бензонасоса, загрязнение фильтров топлива, поломки регулятора давления.
Проведение компьютерной диагностики силового агрегата
Для реализации задачи нужно обнаружить универсальный диагностический разъем. Затем через адаптер, который вставляется в указанный разъем, подключается ноутбук, ПК, планшет или смартфон. Отметим, что для самостоятельной диагностики оптимально использовать сканер-адаптер OBDII, который позволяет подключить мобильное устройство без использования проводов.
Например, для проведения компьютерной диагностики двигателя при помощи смартфона нужен адаптер в диагностический разъем, а необходимый софт скачивается и устанавливается на устройство. После этого смартфон и адаптер синхронизируются, а полученные данные отображаются на дисплее. Единственное, нужно учитывать, что программы и оборудование могут быть как универсальными, так и предназначаться только для конкретной марки авто.
После подключения двигатель следует завести, затем нужно запустить программу диагностики. В зависимости от того, какой софт и тип сканера используется, на дисплее будут отображаться графики и другая информация. Самое главное, это считать код неисправности двигателя, после чего код ошибки может понадобиться дополнительно расшифровать.
Как правило, таким способом выявляются неполадки электронных датчиков, сбои в работе систем и т.п. После того, как проблемный элемент был обнаружен, его также можно проверить тестером-мультиметром. Если после замены или ремонта ошибка исчезла, тогда процедуру можно считать успешной.
Однако в тех случаях, когда проблему не удается решить самостоятельно, для проведения углубленной диагностики потребуется дорогостоящее специализированное оборудование, а также необходимо иметь профессиональные навыки и профильные знания. Вполне очевидно, что в подобной ситуации лучше доставить автомобиль на СТО.
Диагностика шумов, свистов и стуков двигателя
Для определения различных посторонних звуков оптимально иметь механический стетоскоп, при помощи которого легче установить источник. Также можно изготовить простейшее приспособление и самому. Для этого достаточно взять деревянную палку, на конце которой закрепляется жестяная или пластиковая банка. Это нехитрое приспособление также позволяет «прослушивать» мотор.
Также в процессе анализа следует внимательно изучить тональность стука (звонкий или глухой), а еще происходит ли изменение частоты и интенсивности с набором оборотов. Параллельно нужно учитывать, что посторонние звуки могут исходить не от самого ДВС, а от навесного оборудования или КПП, приводов и т.д.
Способ диагностики плазменной струи
Способ диагностики плазменной струи, включающий изменение параметров струи и измерение помещенным в плазму магнитным зондом электромагнитных сигналов, возникающих в плазме при изменении параметров струи, отличающийся тем, что, с целью ускорения диагностики и повышения надежности измерений, изменение параметров струи осуществляется наложением в области перед магнитным зондом поперечного магнитного поля.
Изобретение относится к плазменной технике, а более конкретно к устройствам для ускорения заряженных частиц, и может быть использовано, в первую очередь, для обработки высокоэнергетическими плазменными потоками металлических поверхностей с целью повышения таких их характеристик как чистота поверхности, микротвердость, износостойкость, коррозионная стойкость, жаростойкость, усталостная прочность и др
Изобретение относится к системам тепловой защиты из огнеупорного композитного материала, которые охлаждаются потоком жидкости, и более точно касается конструкции тепловой защиты для отражателя камеры удерживания плазмы в установке термоядерного синтеза, охлаждающего элемента, который использован в конструкции тепловой защиты, и способа изготовления такого охлаждающего элемента
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для получения электрической энергии путем преобразования тепловой энергии плазмы в электрическую
Изобретение относится к области технологии очистки и обезвреживания отходящих газов, газовых выбросов различных производств и процессов, а также плазмохимического синтеза химически активных соединений с использованием электрических методов, в частности к устройству газоразрядных камер, в которых производят процесс детоксикации и очистки
Своими руками, выездная услуга или проверка на СТО
Вполне очевидно, что компьютерная диагностика потребует наличия специального оборудования. На автомобилях с ЭСУД имеется так называемый диагностический разъем, в который осуществляется подключение сканера, компьютера или ноутбука. Обращаем внимание, для некоторых авто могут также понадобиться специальные переходники. Еще нужно иметь установленное программное обеспечение, которое позволяет взаимодействовать с электронными системами автомобиля, а также определенные навыки и знания для работы с программами и оборудованием.
Для того чтобы понять, где сделать компьютерную диагностику двигателя и как выполнить эту задачу правильно, можно воспользоваться одним из доступных способов:
В первом случае понадобится только доставить автомобиль на территорию сервисного центра и оплатить услугу. К плюсам можно отнести то, что на многих крупных станциях работают мастера с большим опытом, а также обычно имеется возможность устранить поломку и произвести необходимый ремонт прямо на месте. К минусам относится стоимость компьютерной диагностики двигателя, которая может составлять в полном объеме около 15 -20 у.е. и более.
Выездная диагностика автомобиля может понадобиться в том случае, если доставить автомобиль на СТО проблематично по какой-либо причине или осуществляется подбор машины б/у. Следует учитывать, что данная услуга может быть оказана как качественно и профессионально, так и предоставляться людьми с небольшим опытом.
Если выездную диагностику автомобиля предлагают крупные сервисные станции как дополнительную услугу, тогда проблем возникнуть не должно. Специалисты сами приедут в то место, где находится автомобиль, подключат сканер или ноутбук с нужными программами, благодаря чему машину углубленно проверят, расшифруют и/или сбросят ошибки двигателя и т.д. К базовой стоимости диагностики закономерно прибавляется наценка за выезд. Что касается мелких предпринимателей, в этом случае указанная диагностика может быть как полноценной, так и проводиться с учетом минимального набора оборудования и знаний. Именно такого развития событий стоит опасаться. Другими словами, за выезд и услугу нужно заплатить, при этом диагностика может быть поверхностной и ничем не отличаться от той, которую автовладелец способен провести своими руками с учетом минимальных финансовых затрат.
Речь идет о подключении смартфона или планшета на базе Android/IOS или Windows через адаптер в диагностический разъем. Разница будет заключаться только в цене услуги, которая за один выезд может приравниваться к рыночной стоимости указанного адаптера. По этой причине выгоднее приобрести диагностический сканер-адаптер OBD2, установить нужное ПО на смартфон/планшет и самостоятельно проверять автомобиль. К минусам данного способа стоит отнести тот факт, что больше количество программ для взаимодействия с адаптерами имеют достаточно ограниченный функционал. Преимуществом является то, что проверять автомобиль можно где угодно и когда угодно, а также удобно выявлять неисправность, которая присутствует не постоянно, а возникает с некоторой периодичностью.
Диагностика двигателя своими руками
Прежде всего, своевременная диагностика позволяет оперативно выявить возможные неисправности на начальном этапе. Другими словами, удается быстро определить поломки еще до того, как они перерастут в серьезные неисправности.
Опытные владельцы хорошо знают, что игнорирование мелких проблем в результате может привести к более крупным неприятностям, к капитальному ремонту двигателя или даже к необходимости замены агрегата на контрактный мотор.
С учетом вышесказанного необходимо регулярно проводить профилактические осмотры, а также выполнять диагностику при малейших отклонениях от нормальной работы силовой установки. Что касается профилактики, желательно не реже одного раза в 7 дней проверять уровень моторного масла, рабочей жидкости в системе охлаждения, осматривать патрубки и шланги на предмет растрескивания и повреждений.
Также необходимо следить за состоянием сальников и прокладок. Появление потеков масла говорит о необходимости замены уплотнителей или же устранения причин, по которым смазку «давит».
Если же было замечено, что двигатель начал работать со сбоями, потерял мощность, увеличился расход топлива, тогда нужно сделать комплексную диагностику мотора. На современных авто эта процедура выполняется при помощи специального диагностического оборудования в совокупности с визуальной оценкой, анализом шумов и т.д. Давайте рассмотрим процесс более подробно.
Начнем с того, что наличие контроллеров и развитая система электронного управления ЭСУД позволяет быстро оценить состояние различных систем двигателя. При этом важно понимать, что во многих случаях одной такой проверки будет мало. Для получения объективных результатов необходимо проводить целый ряд диагностических процедур.
В списке основных действий стоит выделить:
Что касается необходимых инструментов и оборудования, в рамках минимального комплекта понадобится иметь набор ключей и отверток, компрессометр, а также сканер в диагностический разъем OBD 2 (On-board diagnostics) или ноутбук/ПК со специальным софтом и переходниками для подключения.
Что в итоге
С учетом вышесказанного становится понятно, что современный автомобиль имеет множество подсистем, которые взаимосвязаны между собой и образуют единую электронную систему. Указанная система не только управляет, но и контролирует правильность работы узлов, механизмов и агрегатов с учетом большого числа параметров.
По этой причине компьютерная диагностика автомобиля является своеобразной диагностической и профилактической мерой, которая позволяет оценить состояние авто, своевременно заметить сбой или поломку определенных элементов. В результате регулярная проверка способна уберечь мотор и другие агрегаты от дальнейших серьезных поломок, которые имеют свойство прогрессировать, оставаясь незамеченными на начальном этапе. Другими словами, важно выявить скрытые и незначительные дефекты до момента, когда они приведут к более дорогому и сложному ремонту.
Указанную диагностику оптимально проходить на каждом ТО, а также в случае появления каких-либо отклонений в работе двигателя или других систем (например, рулевое управление, тормозная система), загорания аварийных лампочек на приборной панели и т.д. Также компьютерную диагностику необходимо обязательно проводить в том случае, если планируется покупка б/у автомобиля, намечается дорогостоящий ремонт на основе каких-либо косвенных признаков, окончательно не подтвержденных сканированием ошибок.
С учетом приведенной выше информации становится понятно, как проводят диагностику двигателя и его систем своими руками. Главными плюсами такого подхода можно считать возможность контролировать состояние агрегата, а также выявить явные или скрытые неисправности до того момента, пока они не станут причиной более сложного и дорого ремонта.
Напоследок отметим, что даже если владелец не сможет самостоятельно устранить найденную поломку, самостоятельное проведение диагностических процедур во многих случаях позволяет найти причину неисправностей, что ускоряет и удешевляет общий процесс ремонта двигателя, его узлов и систем.
