Ионные двигатели. часть первая

История

Ионный двигатель является первым хорошо отработанным на практике типом электрического ракетного двигателя. Концепция ионного двигателя была выдвинута в 1917 году Робертом Годдардом, а в 1954 году Эрнст Штулингерru_en детально описал эту технологию, сопроводив её необходимыми вычислениями.

В 1955 году Алексей Иванович Морозов написал, а в 1957 году опубликовал в ЖЭТФ статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». Это дало толчок к исследованиям, и уже в 1964 году на советском аппарате «Зонд-2» первым таким устройством, выведенным в космос, стал плазменно-эрозионный двигатель конструкции А. М. Андрианова. Он работал в качестве двигателя ориентации с питанием от солнечных батарей.

Первый американский функционирующий ионный электростатический двигатель (создан в США в НАСА John H. Glenn Research Center at Lewis Field) был построен под руководством Гарольда Кауфманаru_en в 1959 году.
В 1964 году прошла первая успешная демонстрация ионного двигателя в суборбитальном полёте (SERT-1). Двигатель успешно работал в течение запланированной 31 минуты.
В 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II). Малая тяга и низкий КПД надолго отвадили американских конструкторов от применения электрических и ионных двигателей.

Тем временем в Советском Союзе продолжалась разработка и улучшались характеристики. Были разработаны и применялись различные типы ионных двигателей на различных типах космических аппаратов. Двигатели СПД-25 тягой 25 миллиньютон, СПД-100, и другие серийно устанавливались на советские спутники с 1982 года.

В качестве основного (маршевого) двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1 (первый запуск двигателя — 10 ноября  г.). Следующими аппаратами стали европейский лунный зонд Смарт-1, запущенный 28 сентября 2003 года, и японский аппарат Хаябуса, запущенный к астероиду Итокава в мае 2003 года.

Следующим аппаратом НАСА, обладающим маршевыми ионными двигателями, стала (после ряда замораживаний и возобновления работ) АМС Dawn, которая стартовала 27 сентября 2007 года. Dawn предназначен для изучения Весты и Цереры и несёт три двигателя NSTAR, успешно испытанных на Deep Space 1.

Европейское Космическое Агентство установило ионный двигатель на борту спутника GOCE, запущенного 17 марта 2009 года на сверхнизкую околоземную орбиту высотой около 260 км. Ионный двигатель создаёт в постоянном режиме импульс, компенсирующий атмосферное трение и другие негравитационные воздействия на спутник.

Краткий экскурс в физику

Для начала стоит отметить, что любому ракетному двигателю свойственно выбрасывание из сопла слабо ионизированной плазмы. Вне зависимости от его вида. Но «классическими», настоящими плазменными двигателями являются те, которые ускоряют плазму благодаря электромагнитным силам, оказывающим воздействие на заряженные частицы.

Процесс сложный. Любое электрическое поле, которое ускоряет в плазме заряды, придаёт электронам и ионам равные по модулю суммарные импульсы. Вдаваться в эти подробности необязательно. Достаточно знать, что импульс – это величина измерения механического движения тела.

Поскольку плазма является электрически нейтральной, то сумма всех положительных зарядов равна по модулю сумме отрицательных. Есть определённый отрезок времени – он бесконечно мал. За эти считаные мгновения все положительные ионы получают мощный импульс. Такой же направляется в обратную сторону — к отрицательным. Что получается? Суммарный импульс в итоге равен нулю. А значит, тяги не возникает.

Такой вывод: для электрического «разгона» плазмы необходимо разделение разноименных зарядов. Положительные будут разгоняться тогда, когда отрицательные выведены из зоны действия. Сделать это сложно, так как кулоновские силы притяжения восстанавливают электрическое равновесие, возникая между плазменными разноимённо заряженными сгустками.

И как же удалось воплотить этот принцип работы в плазменном ракетном двигателе? За счёт магнитных и электростатических полей. Только вот во втором случае агрегат традиционно именуется ионным, а в первом – именно плазменным.

Характеристики

Ионная линза постоянно бомбардируется небольшим количеством вторичных ионов и разрушается или стирается, что уменьшает КПД двигателя и срок службы. Ионным двигателям требуется возможность эффективной и непрерывной работы в течении многих дет. Для уменьшения разрушения было использовано несколько методов. Самым достойным внимания было изменение различных видов топлива. Атомы ртути или цезия использовались в качестве топлива при испытаниях в 1960-х и 1970-х годах, но они прилипали к решеткам и разрушали их. С другой стороны, атомы ксенона – гораздо менее коррозионные, что сделало их отличным топливом практически для всех типов ионных двигателя. НАСА продемонстрировало непрерывную работу двигателя «NSTAR» в течение 16 000 часов (1,8 года), а продолжающиеся испытания показывают превышение этого срока вдвое. Электростатические ионные двигатели также достигли удельного импульса в 30-100 кН*с/кг, что превышает показатели большинства других типов ионных двигателей. Также они разогнали ионы до скоростей, достигающих 100 км/с.

Ионный двигатель с сеткой

В январе 2006 года Европейское космическое агентство совместно с Австралийским национальным университетом, заявили об успешных испытаниях улучшенного электростатического ионного двигателя – «Dual-Stage 4-Grid», достигший скорости в 210 км/с, что вчетверо превышало достигнутые ранее показатели, что позволяет достигнуть удельного импульса в четыре раза больше. У стандартных электростатическим ионных двигателей есть всего две решетки – высокого и низкого напряжения соответственно, обе из которых занимаются добычей ионов и ускорением корабля. Однако, когда разница разрядов между этими решетками достигает примерно 5 кВ, некоторые из частиц, полученных из камеры, сталкиваются с решеткой низкого напряжения, разрушают ее и ставят под угрозу долговечность двигателя. Это ограничение успешно преодолевается при использовании двух пар сеток. Первая пара работает при высоком напряжении, создавая разницу потенциалов между сетками на уровне 3 кВ. Эта пара сеток отвечает за извлечение заряженных частиц топлива из газовой камеры. Вторая пара, работающая при низком напряжении, генерирует электрическое поле, ускоряющее выходящие наружу частицы и обеспечивающее тягу. Среди других преимуществ нового типа двигателя – более компактный дизайн, что позволяет вырабатывать более сильную тягу, и меньший угол выхода шлейфа выходящих газов в 3 градуса – показатель, как сообщается, в пять раз меньший, чем достигнутый ранее. Это уменьшает объем топлива, нужный для коррекции положения аппарата, из-за меньших колебаний в направлении вектора двигателем.

[править] Принцип действия

Испытания ионного двигателя на ксеноне

Принцип работы двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. При этом, благодаря высокому отношению заряда к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей (вплоть до 210 км/с по сравнению с 3—4,5 км/с у химических ракетных двигателей). Таким образом, в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса. Это позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа по сравнению с расходом реактивной массы в химических ракетах, но требует больших затрат энергии.

В существующих реализациях для поддержки работы двигателя используются солнечные батареи. Но для работы в дальнем космосе такой способ неприемлем. Поэтому уже сейчас для этих целей иногда используются ядерные установки.

Источником ионов служит газ, как правило это аргон или водород, бак с газом стоит в самом начале двигателя, оттуда газ подаётся в отсек ионизации, получается холодная плазма, которая разогревается в следующем отсеке посредством ионного циклотронного резонансного нагрева. После нагрева высокоэнергетическая плазма подается в магнитное сопло, где она формируется в поток посредством магнитного поля, разгоняется и выбрасывается в окружающую среду. Таким образом достигается тяга.

С тех пор плазменные двигатели прошли большой путь и разделились на несколько основных типов, это электротермические двигатели, электростатические двигатели, сильноточные или магнитодинамические двигатели и импульсные двигатели. В свою очередь электростатические двигатели делятся на ионные и плазменные (ускорители частиц на квазинейтральной плазме).

Ионный двигатель использует в качестве топлива ксенон или ртуть. Первый ионный двигатель назывался сетчатый электростатический ионный двигатель. В ионизатор подается ксенон, который сам по себе нейтрален, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны.

Положительные ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2 или 3 сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против — 225 на внешней). В результате попадания ионов между сетками они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль согласно третьему закону Ньютона. Электроны, пойманные в катодную трубку, выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается по двум причинам:

• чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным;
• чтобы ионы, «нейтрализованные» таким образом, не притягивались обратно к кораблю.

Чтобы ионный двигатель работал — нужны всего 2 вещи: газ и электричество.

Недостаток двигателя в его нынешних реализациях — очень слабая тяга (порядка 50-100 миллиньютонов). Таким образом, нет возможности использовать ионный двигатель для старта с планеты, но, с другой стороны, в условиях невесомости, при достаточно долгой работе двигателя есть возможность разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих видов двигателей. Однако разрабатываются более совершенные и мощные типы электроракетных двигателей (холловский и магнитоплазмодинамический), превосходящие ионный двигатель по величине тяги и как следствие конечной скорости космического аппарата.

Как работают ракетные двигатели?

Освоение космоса — самое удивительное из мероприятий, когда-либо проводимых человечеством. И большую часть удивления составляет сложность. Освоение космоса осложняется массой проблем, которые нужно решить и преодолеть. Например, безвоздушное пространство, проблема с температурой, проблема повторного входа в атмосферу, орбитальная механика, микрометеориты и космический мусор, космическая и солнечная радиация, логистика в условиях невесомости и другое. Но самая сложная проблема — это просто оторвать космический корабль от земли. Здесь не обойтись без ракетного двигателя, поэтому в этой статье мы рассмотрим именно это изобретение человечества.

С одной стороны, ракетные двигатели настолько просто устроены, что за небольшую копейку вы сможете построить ракету самостоятельно. С другой стороны, ракетные двигатели (и их топливные системы) настолько сложны, что доставкой людей на орбиту, по сути, занимаются только три страны мира.

Когда люди задумываются о двигателе или моторе, они думают о вращении. К примеру, бензиновый двигатель автомобиля производит энергию вращения, чтобы двигать колеса. Электродвигатель производит энергию вращения для движения вентилятора или диска. Паровой двигатель делает то же самое, чтобы вращать паровую турбину.

Ракетные двигатели принципиально отличаются. Ракетные двигатели — это реактивные двигатели. Основной принцип движения ракетного двигателя — это знаменитый принцип Ньютона, «на каждое действие есть равное противодействие». Ракетный двигатель выбрасывает массу в одном направлении, а благодаря принципу Ньютона движется в противоположном направлении.

Ракетный двигатель, как правило, выбрасывает массу в форме газа под высоким давлением. Двигатель выбрасывает массу газа в одном направлении, чтобы получить реактивное движение в противоположном направлении. Масса идет от веса топлива, которое сгорает в двигателе ракеты. Процесс горения ускоряет массы топлива так, что они выходят из сопла ракеты на высокой скорости. Тот факт, что топливо превращается из твердого тела или жидкости в процессе сгорания, никак не меняет его массу. Если вы сожжете килограмм ракетного топлива, вы получите килограмм выхлопа в виде горячих газов на высокой скорости. Процесс сжигания ускоряет массу.

Возможности и приложения

По самому своему принципу ионизации порохового газа эти двигатели работают только в вакууме (космос или испытательная камера).

Их низкая тяга, всего несколько десятых долей ньютона , эквивалентная дыханию человека рукой на расстоянии 20  см , ограничивает их использование в орбитальных полетах или, в более общем смысле, в областях со слабыми гравитационными полями.

Эти типы двигателей имеют большие удельные импульсы  : от 5000 до 25000 с .

Двигатели этого типа хорошо подходят для автоматических исследовательских миссий (зонд) и сначала очень серьезно рассматриваются для удаленных пилотируемых миссий, таких как Марс .

Выходной ионный ток — важный параметр в этом типе двигателя. Его можно рассчитать в первом приближении как сумму (интеграл на поверхности) нагрузок, пересекающих выходную плоскость, на среднюю скорость нагрузок. Тяга двигателя может быть легко рассчитана по выходному ионному току.

Когда изобрели ионный двигатель

При всей перспективности ионного двигателя, первый раз его концепцию предложил еще в 1917 году Роберт Годдард. Только спустя почти 40 лет Эрнст Штулингер сопроводил концепцию необходимыми расчетами.

Роберт Годдард.

В 1957 году вышла статья Алексея Морозова под названием ”Об ускорении плазмы магнитным полем”, в которой он описал все максимально подробно. Это и дало толчок к развитию технологии и уже в 1964 году на советском аппарате ”Зонд-2” стоял такой двигатель для маневров на орбите.

Первый аппарат в космосе с ионным двигателем.

По сути, ионный двигатель является первым электрическим космическим двигателем, но его надо было дорабатывать и совершенствовать. Этим и занимались долгие годы, а в 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе. Показанный тогда малый КПД и низкая тяга надолго отбили желание американской космической промышленности пользоваться такими двигателями.

В СССР разработки продолжались и после этого времени. И европейское, и американское космические агентства вернулись к этой идее. Сейчас исследования продолжаются, а выведенные на орбиту образцы двигателей, хоть и не могут быть главным тяговым элементом управления, но зато проходят ”проверку боем”. Собранная информация позволит увеличить мощность ионного двигателя. По разной информации, так удалось увеличить тягу самого мощного подобного двигателя более чем до 5 Н. Если это так, то все действительно не зря.

Где использовались

1 миссия стартовала в 1998 году. НАСА запустило космический аппарат «Deep Space 1», на борту которого испытывалось 12 новых экспериментальных технологий. Например, электроника с низким энергопотреблением, солнечные концентраторы, различные научные приборы и солнечная электрическая двигательная установка. Ионные двигатели аппарата работали в течение огромного количества времени позволив получить информацию о нескольких астероидах, кометах и даже долететь до Марса.

Космический аппарат «Deep Space 1»

После успеха миссии, НАСА предоставило новый аппарат «Dawn» с тремя дополнительными ионными двигателями. Это позволило космическому аппарату выйти на орбиту астероида Веста, произвести наблюдения, свернуть с орбиты и отправится к карликовой планете Церера. При этом топлива в баке аппарата хватит, чтобы посетить еще несколько космических объектов.

Космический аппарат «Dawn»

Ионные двигатели использовались для переноса космического аппарата Европейского Космического Агентства «Smart 1» с околоземной орбиты на лунную, а также на японском космическом аппарате «Хаябуса». Этот тип двигателей испытывался на Земле, и успешно выдержал более 5 лет непрерывной работы.

Миссии

Действующие миссии

• Starlink — проект компании Илона Маска SpaceX по выведению спутников на околоземную орбиту для создания глобальной сети интернет. Технология используется для маневрирования спутников и избежания их столкновения с космическим мусором[источник не указан 849 дней].
• Artemis
• Хаябуса-2
• BepiColombo. Запущен 20 октября 2018 года. ЕКА использует ионный двигатель в этой меркурианской миссии, наряду с гравитационными манёврами и химическим двигателем для перехода на орбиту вокруг Меркурия в качестве искусственного спутника. На аппарате работают самые мощные на сегодняшний день 4 ионных двигателя суммарной тягой 290 мН.
• Тяньхэ — базовый модуль Китайской космической станции, запущенный 29 апреля 2021, имеет 4 ионных двигателя для коррекции орбиты.

Завершённые миссии

• SERT (англ. Space Electric Rocket Test, рус. Тест Космического Электрического Двигателя — программа NASA, в которой на спутниках впервые был использован ионный двигатель)
• Deep Space 1
• Hayabusa (вернулся на Землю 13 июня 2010 года)
• Smart 1 (завершил миссию 3 сентября 2006 года, после чего был сведён с орбиты)
• GOCE (после исчерпания запасов рабочего тела сошёл с орбиты)
• LISA Pathfinder (ЕКА) использовал ионные двигатели в качестве вспомогательных для точного контроля высоты; деактивирован 30 июня 2017.
• Dawn. 1 ноября 2018 года аппарат исчерпал все запасы топлива для маневрирования и ориентации, его миссия, длившаяся 11 лет, была официально завершена.

Планируемые миссии

• Международная космическая станция. По состоянию на март 2011 года планировалась доставка на МКС электромагнитного двигателя (VASIMR) Ad Astra VF-200 с мощностью в 200 кВт VASIMR. VF-200 представляет собой версию VX-200. Поскольку доступная электрическая мощность на МКС меньше 200 кВт, проект ISS VASIMR включал в себя систему батарей, которая накапливала энергию для 15 минут работы двигателя.
• Solar Orbiter.

Нереализованные миссии

Компьютерная модель Прометея-1

NASA ввело проект «Прометей», для которого разрабатывался мощный ионный двигатель, питающийся электричеством от бортового ядерного реактора. Предполагалось, что такие двигатели в количестве восьми штук могли бы разогнать аппарат до 90 км/с. Первый аппарат этого проекта Jupiter Icy Moons Explorer планировалось отправить к Юпитеру в 2017 году, однако разработка этого аппарата была приостановлена в 2005 году из-за технических сложностей. В 2005 году программа была закрыта. В настоящее время идёт поиск более простого проекта АМС для первого испытания по программе «Прометей».

Проект Джефри Лэндиса

Geoffrey A. Landisru_en предложил проект межзвёздного зонда с ионным двигателем, получающим энергию через лазер от базовой станции, что даёт некоторое преимущество по сравнению с чисто космическим парусом. В настоящее время данный проект неосуществим из-за технических ограничений — например, он потребует силы тяги от ионных двигателей в 1570 Н при нынешних 20—250 мН(по другим данным рекорд тяги у современных ионных двигателей 5,4 Н).

Как работает ионный двигатель

Принцип работы ионного двигателя

Такой двигатель является реактивным так же как и знакомый ракетный двигатель, только вместо сжигания топлива используется ионизация газа. А в остальном принцип тот же, принцип реактивного движения основанный на Третьем законе Ньютона. А если по-простому, то аппарат двигает вперед поток ионов выбрасываемых из двигателя.

А теперь подробнее о принципе работы ионного двигателя. В «камеру сгорания» подается инертный газ (обычно аргон или ксенон), при помощи потока электронов этот газ ионизируется. Далее электроны улавливаются специальными устройствами, а положительно заряженные ионы двигаются к решеткам с очень большой разницей потенциалов. Из-за разницы потенциалов ионы разгоняются и выбрасываются из сопла создавая реактивную тягу.

Ранее пойманные электроны (отрицательно заряженные, если вы уже забыли) выбрасываются в вдогонку и под углом к потоку ионов, чтобы нейтрализовать их заряд, иначе часть ионов могут притянутся к корпусу двигателя уменьшив его тягу. Принцип работы ионного двигателя на самом деле прост, но всегда есть какое-то «но»…

Достоинства и недостатки

Все довольно просто, но есть некоторые недостатки.

Ионный двигатель создает очень большой удельный импульс но очень маленькую тягу обусловленную массой выбрасываемых частиц. Это значит, что разогнать космический корабль он может, но ускорение будет небольшим и на его создание уйдет очень много времени.

Поэтому сейчас такие двигатели используются только в космосе, где нет сопротивления воздуха и на небольших объектах вроде спутников, либо для пространственной ориентации более крупных объектов.

Ионный двигатель в работе

Но в марте 2015 года на орбиту был запущен космолет X-37B, который должен испытать ионный двигатель на эффекте Холла. Такой двигатель работает по тому же принципу, что и обычный, за исключением того, что ускорение происходит благодаря эффекту Холла, что позволяет несколько увеличить его тягу и не использовать решетки для притяжения и разгона ионов.

В 2003 двигатель на эффекте Холла был впервые использован в качестве основного на автоматической станции SMART-1 весом в 370 кг европейского космического агенства, но сам двигатель был создан в московском КБ «Факел». Теперь ионный двигатель ждет испытание на намного более массивном X-37.

Главным достоинством ионного двигателя является время его работы. Такой двигатель может работать очень долго благодаря низкому потреблению газа и все время своей работы он будет разгонять космический аппарат. Например, двигатель NEXT (NASA’s Evolutionary Xenon Thruster) проработал в космосе рекордное время — 5,5 лет или 48 000 часов, использовав всего 870 кг ксенона, в случае стандартного химического двигателя потребовалось бы 10 тонн топлива.

Рекорд по скорости также принадлежит ионному двигателю. Аппарат Dawn запущенный Nasa для исследования карликовой планеты Цереры, разогнался до скорости 11,46 км/с без использования гравитационных маневров.

Судя по всему, именно у ионных двигателей наибольшие перспективы стать в будущем маршевыми двигателями для межпланетных полетов.

Устройство и принцип работы холловского двигателя:

Холловский двигатель (двигатель на основе эффекта Холла) – это одна разновидностей электростатического ракетного двигателя, в котором используется эффект Холла. Двигатели на основе эффекта Холла используются на космических аппаратах с 1972 года.

В основе принципа работы данного двигателя лежит эффект Холла, открытый в 1879 г. Эдвином Холлом (Edwin H. Hall). Он заключается в том, что в проводнике, в котором созданы взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля, возникает электрический ток (называемый холловским) в направлении, перпендикулярном обоим этим полям. Иными словами, если электрическое и магнитное поля имеют направления соответственно по осям X и Y, то электрический (холловский) ток имеет направление вдоль оси Z.

Холловский двигатель состоит из кольцевой камеры. Иными словами, камера двигателя выполнена в форме кольца (цилиндра). С одной стороны в камеру подаётся рабочее тело, с другой стороны происходит истекание плазмы. Внутри двигателя располагается анод (положительный электрод), катод (отрицательный электрод) расположен снаружи двигателя. По внешней стороне кольца располагаются магниты.

Между анодом и катодом создается разность потенциалов. В кольцевую камеру подаётся рабочее тело (например, ксенон). Разряд между анодом и катодом ионизирует рабочее тело, отрывая электроны от нейтральных атомов газа. Под действием электростатического поля положительные ионы газа (плазма) разгоняются в осевом направлении – в направлении выходного отверстия цилиндрического двигателя. На выходе из двигателя происходит нейтрализация положительного заряда плазмы электронами, эмитируемыми с катода. Истечение положительных ионов из выходного отверстия создает тягу.

В радиальном направлении действует магнитная сила, которая в соответствии с эффектом Холла приводит к появлению электрического тока, движущегося в азимутальном направлении (т.е. вокруг центрального электрода, оси двигателя). Холловский ток создается движением электронов в электрическом и магнитном полях.

В холловском двигателе тяга создается также с помощью холловского тока, пересекающего радиальное магнитное поле. Их взаимодействие заставляет электроны обращаться вокруг оси двигателя. Эти электроны выбивают электроны из атомов ксенона, создавая ионы ксенона, которые осевое электрическое поле ускоряет в направлении выходного отверстия двигателя. Электроны холловского тока под действием силы Лоренца (возникающей в результате взаимодействия приложенного радиального магнитного поля с электрическим холловским током) создают дополнительную тягу и вырываются наружу в выходное отверстие вместе с положительными ионами.

Двигатель на основе эффекта Холла позволяет получить более высокую плотность тяги, более высокие значения расхода рабочего тела, и, как следствие, более высокую тягу двигателя, чем ионный двигатель, поскольку в истекающем потоке содержатся и положительные ионы, и электроны, что предотвращает накопление объемного заряда, уменьшающего напряженность ускоряющего электрического поля.

В зависимости от располагаемой мощности скорости истечения рабочего тела могут составлять от 10 до 50 км/с.

Будущее ракетных двигателей

Мы привыкли видеть химические ракетные двигатели, которые сжигают топливо для производства тяги. Но есть масса других способов для получения тяги. Любая система, которая способна толкать массу. Если вы хотите ускорить бейсбольный мячик до невероятной скорости, вам нужен жизнеспособный ракетный двигатель. Единственная проблема при таком подходе — это выхлоп, который будет тянуться через пространство. Именно эта небольшая проблема приводит к тому, что ракетные инженеры предпочитают газы горящим продуктам.

Многие ракетные двигатели крайне малы. К примеру, двигатели ориентации на спутниках вообще не создают большую тягу. Иногда на спутниках практически не используется топливо — газообразный азот под давлением выбрасывается из резервуара через сопло.

Новые конструкции должны найти способ ускорить ионы или атомные частицы до высокой скорости, чтобы сделать тягу более эффективной. А пока будем пытаться делать электромагнитные двигатели и ждать, что там еще выкинет Элон Маск со своим SpaceX.

VASIMR

Другим многообещающим проектом является разработка электромагнитного ускорителя с изменяемым удельным импульсом (в англоязычной литературе – VASIMR). Рабочее тело (аргон) ионизируется радиоволнами, и полученная плазма затем разгоняется в электромагнитном поле, создавая реактивную тягу.

Впервые появившись в 1979 году, идея стала по-настоящему революционной и сейчас близка к воплощению. Такой двигатель был бы крайне востребован в системе орбитального и межпланетного транспорта. Для начала «космический буксир» мог бы перемещать многотонные грузы между орбитами Земли и Луны. Модель VASIMR VF-200 производства Ad Astra Rocket Company планируется разместить на борту МКС.

Макет двигателя VASIMR VF-200-1 представлен в ролике ниже.

История ионного двигателя

Впервые ионный двигатель был продемонстрирован Эрнстом Штулингером, ученым НАСА немецкого происхождения, а практическое воплощение ему придавал Гарольд Кауфман в Научно-исследовательском центре Льюиса при НАСА (ныне он носит имя Гленна), начиная с 1957 года и до начала 1960-х.

Ионный двигатель

Использование ионных двигателей в космосе было впервые демонстрировано на тестовых моделях ракет «SERT-1» и «SERT-2». В качестве реагирующей массы эти двигатели использовали ртуть. Первой моделью стала «SERT-1», запущенная 20 июля 1964 года, которая успешно доказала, что технология работает в космосе так, как было рассчитано. Вторая тестовая модель, «SERT-2», запущенная 3 февраля 1970 года, подтвердила возможность работы двух ионных двигателей на ртути в течение нескольких тысяч часов. Несмотря на демонстрации в 1960-х и 1970-х годах, они, тем не менее, редко использовались до конца 1990-х.

Научно-исследовательский центр Гленна при НАСА продолжал разрабатывать электростатические ионные двигатели с сеткой все 1980-е годы, разрабатывая солнечную энергетическую установку для НАСА типа «NSTAR», который был успешно использован для зонда «Deep Space 1» — первой миссии по выводу на межпланетную траекторию аппарата, которая использовала электродвигатель в качестве основной силовой установки. На данный момент этот двигатель установлен на аппарат «Dawn», следующий к астероидному поясу. Компания «Hughes Aircraft Company» (сейчас – «L-3 ETI») разработала ионный двигатель на ксеноне «XIPS» для позиционирования станции относительно геосинхронных спутников (используется более 100 двигателей). Сегодня НАСА работает над электростатическим ионным двигателем «HiPEP» с мощностью в 20-50 кВ, который будет обладать более высоким КПД, удельным импульсом и большим сроком службы по сравнению с «NSTAR». Компания «Aerojet» недавно завершила тестирования прототипа ионного двигателя «NEXT».

Начиная с 1970-х годов, совместное предприятие «ArianeGroup» и Гисенский университет занимались разработкой радиочастотного ионного двигателя. Двигатели «RIT-10» используются для полетов Европейского возвращаемого космического модуля «EURECA» и аппарата «ARTHEMIS». Британская компания «Qinetiq» разработала двигатели «T5» и «T6», первый из которых использовался для миссии «GOCE», а второй, вероятно, — для миссии «BepiColombo». Японцы, разработавшие микроволновой двигатель «10», использовали его для космического аппарата «Хаябуса».

Откуда берутся ионы

Двигатели создают их, генерируя плазму внутри аппарата. Нейтральные атомы газа, например, ксенона, бомбардируются электронами. Эти столкновения высвобождают еще больше электронов, превращая их в положительно заряженные ионы. Эта плазменная смесь из электронов и положительно заряженных ионов имеет общий нейтральный заряд.

При этом электроны удерживаются в камере, что приводит к еще большей ионизации, в то время как положительные ионы откачиваются через специальную сетку. Когда они проходят через эту сетку, высокое напряжение ускоряет их до 90 км/с. Каждый вылетевший из сопла ион придает крошечное ускорение аппарату.

Вся система работает от солнечных батарей, поэтому нет необходимости в дополнительной системе питания или аккумуляторах, что значительно увеличивает полезную нагрузку аппарата.

Однако эти двигатели могут непрерывно работать в течение нескольких дней, недель и даже месяцев, ускоряясь и постепенно набирая скорость. У химических ракет, для сравнения, топливо закончилось бы за несколько минут. Поэтому если космический аппарат уже выведен из гравитационного поля планеты, ионный двигатель становится весьма эффективным.

Некоторые космические агентства уже использовали ионные двигатели в своих миссиях в космосе. И хотя разработки велись на протяжении десятилетий, применить их долгое время не решались из-за большого риска.

Заключение

В завершение хотелось бы сказать, что ни один плазменный двигатель для космических кораблей из существующих в наше время не способен доставить ракету даже к ближайшим звёздам. Это касается как экспериментально проверенных аппаратов, так и теоретически просчитанных.

Многие учёные приходят к пессимистичному заключению – разрыв между нашей планетой и звёздами фатально непреодолим. Даже до системы Альфа Центавра, некоторые компоненты которой видны невооружённым глазом с Земли, а ведь расстояние составляет 39,9 триллиона километров. Даже на космическом аппарате, способном передвигаться со скоростью света, преодоление данного расстояния составило бы около 4,2-4,3 лет.

Так что плазменные агрегаты звездолётов – это, скорей, из сферы научной фантастики. Но это ничуть не преуменьшает их значимость! Их используют в качестве маневровых, вспомогательных и корректирующих орбиты двигателей. Поэтому изобретение вполне оправдано.

А вот ядерный импульсный агрегат, который утилизирует энергию взрывов, имеет вероятный потенциал развития. Во всяком случае, как минимум в теории отправка автоматического зонда в ближайшую звёздную систему является возможной.