Улучшенные ионные двигатели позволят вырваться за пределы Солнечной системы (ФОТО)
Для многих фраза «Включаем ионный двигатель» может показаться скорее пришедшей из какого-нибудь фантастического фильма, вроде «Звездных войн», нежели относящейся к реальному миру. А ведь ионные двигатели на самом деле используются в различных космических миссиях уже более сорока лет и они по-прежнему продолжают оставаться объектом активных исследований со стороны ученых. Эти двигатели обладают невероятной топливной эффективностью, но их малая тяга требует их постоянной работы – от сюда и все проблемы при их применении. Ведь постоянная работа – это постоянный износ, и как следствие – серьезное ограничение периода их эксплуатации и жизнеспособности. Но группа ученых из исследовательской лаборатории NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) придумали новый дизайн двигателя, который исключает износ и открывает двери для возможных будущих миссий за пределами нашей Солнечной системы.
Различные типы ионных двигателей начали применять в космических миссиях еще в 1964 году, когда NASA запустила программу суборбитального полета SERT (Space Electric Rocket Test I). После этого во многих космических полетах на той или иной стадии использовались такие двигатели. Например, несколько коммуникационных спутников достигали своих ключевых геосинхронных орбит используя именно ионную тягу. А аппарат SMART-1 производства Европейского космического агентства хоть и использовал при выходе на околоземную орбиту обычные двигатели, для полета до лунной орбиты использовал ионные движки.
Но во всей своей красе ионные двигатели смогли раскрыться только при полетах в дальний космос: миссиях NASA Deep Space One и Dawn, и миссии Hayabusa от Японского аэрокосмического исследовательского агентства, где ионные двигатели активировались на разных стадиях, на протяжении нескольких лет и создавали тягу в несколько сотен ньютон.
Ионный двигатель аппарата Deep Space One
Как же работает ионный двигатель?
Существует множество видов и еще больше предложенных вариантов ионных двигателей, но основной принцип один для всех. Есть два базовых вида ионных двигателей – электростатический и электромагнитный.
Электростатический ионный двигатель работает по принципу ионизации топлива (чаще всего в таких случаях используются газы ксенон или аргон). Сначала из электрона получают положительно заряженный ион, путем наделения его достаточной энергией. Затем положительно заряженные ионы помещаются между двумя специальными заряженными решетками образующими электростатическое поле. Это настолько разгоняет заряженные ионы, что они буквально вырываются из сопла двигателя и тем самым дают нужную тягу.
Электромагнитный ионный двигатель тоже работает по принципу ионизации топлива. Но в этом случае образуется плазма, которая образует своего рода мост (поток) между ионизированным анодом и катодом. Этот поток преобразует магнитное поле в электрическое поле, которое разгоняет положительно заряженные ионы. Выводятся они из двигателя благодаря силе Лоренцо – примерно по похожему принципу работает рейлган.
…а космические корабли бороздят просторы Вселенной
Все описанное выше требует большого количества электрической энергии, примерно 25 кВт на ньютон тяги. Так сколько же нужно уровней тяги для перемещения по Солнечной системе, скажем, 100-тонного космического корабля? Все конечно зависит от самой миссии, но 1000 H будет вполне достаточно, чтобы примерно за 10 месяцев достигнуть орбиты Юпитера, а орбиты Нептуна – за полтора года.
Что же для этого потребуется? Сперва нужно будет обзавестись источником энергии с силой около 25 МВт (мегаватт). Что же подойдет для такого уровня? Ядерная энергия, конечно! Очень много ядерной энергии, которая вырабатывается ядерным реактором, установленным в 100-тонном космическом корабле. К счастью технологии довольно активно развиваются, и в направлении создания компактных ядерных реакторов работы уже ведутся. Более того, NASA и DOE работают вместе над проектом Fission Surface Power Project, сутью которого является размещение на поверхности Луны и Марса маленьких ядерных электростанций. Задачей проекта является создать в ближайшие 10 лет реактор мощностью 40 кВт, который влезет в пространство размером 3 x 3 x 7 метров и при этом не будет весить больше 5000 кг.
Проблема конструкции
Допустим, миниатюрную ядерную электростанцию мы уже создали. Как мы сделаем сам ионный двигатель на 1000 Н? Помимо обычных технических проблем, вроде эффективности ионизации топлива и разработки системы охлаждения для такого двигателя, самой большой проблемой в данном вопросе является быстрый износ из-за большого ионного «выхлопа» который будет выделять из двигателя и в конце концов просто разрушит конструкцию. Но что интересно, проблем стоит не в материале, из которого этот двигатель состоит, а в нынешней конструкции (дизайне). Так вот эту проблему уже частично решили исследователи из NASA и лаборатории Jet Propulsion.
На схеме ниже можно видеть как топливная плазма заполняет анодный и газовый распылитель. При низкой тяге, малое количество плазмы разгоняется эффектом Лоренца, благодаря магнитному и электрическому полям. При большой тяге плотность плазмы становится достаточно мощной чтобы искривить эти поля, что в результате разгоняет положительно заряженные ионы прямо в анодную стену.
В нынешних ионных двигателях высокая вырабатываемая ионная энергия разрушает стенки камеры. При попытке увеличить тягу, тем самым снизив потребление топлива, разрушение происходит еще быстрее. Проблема становится еще сложнее и потому, что электродинамика полей и плазмы нелинейная, что усложняет возможность предсказать эффект эрозии после изменения самого дизайна камеры.
Новый подход заключается в том, чтобы защитить стенки камеры от заряженных ионов путем создания магнитного щита. NASA удалось это сделать путем экранирования стенок нитридом бора таким образом, что магнитное поле от внутренней и внешний катушки проходит вдоль конца анодного канала. Другими словами, магнитное поле теперь никак не влияет на сами стенки камеры. Эти поля теперь находятся перпендикулярно, или даже практически параллельно стенкам.
Результаты первых экспериментов новой магнитно-экранированной камеры с мощностью 6 кВт ускорителя показали, что эрозия резко снизилась на 500-1000 пунктов. Это просто отличный результат!
Разумеется, на дальнейшем пути создания более крупных ионных двигателей ученые наверняка столкнуться с немалым количеством трудностей, но основная задача, которая вроде бы и лежала на поверхности, но никак не хотела решаться, теперь все таки решена. Другими словами, мы стали еще на один шаг ближе к миссиям и, кто знает, даже коммерческим путешествиям в дальний космос.
