Если попросить любого из нас представить реактивный двигатель, то воображение рисует струи огня, вырывающиеся из сопла и толкающие самолет или огромную ракету. Однако реактивные двигатели могут быть и другими: в них аппарат толкает поток ионизированных частиц, которые приводятся в движение электромагнитным полем. Подробнее о том, как это работает и в чем основной недостаток подобных устройств, поговорим в этом материале.
Нужно больше ионов!
На основанном выше принципе работают так называемые электрические ракетные двигатели. Мы подробно остановимся на двух типах электростатических двигателей — ионных и плазменных, — которые уже успешно применяются на космических аппаратах.
В электростатических двигателях создается электростатическое поле (привет, капитан очевидность) — электрические заряды, которые его «производят», неподвижны в пространстве и не изменяются со временем. В этом поле и разгоняются частицы рабочего тела — так в ракетостроении называют вещество, которое выбрасывают из летательного аппарата, чтобы создать тягу. В качестве рабочего в электрических ракетных двигателях могут использоваться практически любые жидкости, газы и их смеси, но для электростатических двигателей как правило используют благородный газ ксенон.
В целом, принцип работы ионного двигателя довольно прост. Нейтральные по заряду атому ксенона поступают в ионизатор, где бомбардируются электронами. Эти электроны выбивают собственные электроны ксенона, в результате чего в ионизаторе образуются положительно заряженные ионы ксенона и свободные электроны, то есть газ в состоянии плазмы.
Положительно заряженные ионы притягиваются к сеткам системы извлечения, между которыми поддерживается большая разность потенциалов. В результате ионы разгоняются и выбрасываются из двигателя. Ну а дальше все по третьему закону Ньютона — действию всегда есть равное противоположное действие: ионы вылетают, аппарат толкают.
Помните, у нас еще остались свободные электроны? Они собираются на специальную катодную трубку, которая выведена в камеру ионизации, и выбрасываются под небольшим углом к потоку ионов.
Концептуально второй тип электростатических двигателей — двигатели на эффекте Холла — работает по тому же принципу. Эффект Холла заключается в том, что если расположить проводник в перпендикулярные относительно друг друга электрическое и магнитное поля, то на краях этого проводника возникнет разность потенциалов.
Такой двигатель эффективнее, чем ионный, поскольку в нем для создания тяги задействуются и положительные ионы, и электроны.
Плюсы и минусы
Возможно, именно ионные двигатели откроют нам путь к исследованию и последующему освоению Солнечной системы. По крайней мере, если не считать разнообразные фантастические варианты вроде антиматерии, термоядерных установок и варп-ядра, это лучшее, что инженеры придумали и смогли реализовать. Основное достоинство ионных двигателей — это крайне низкий расход рабочего тела. Например, аппарату Dawn на полет к астероиду Веста и малой планете Церера (а это, на минуточку, почти семь миллиардов километров) потребовалось всего 425 килограммов ксенона. У двигателей также высокий удельный импульс (отношение создаваемой тяги к расходу топлива). Ионы выбрасываются с очень большой скоростью — например у рекордного Dual-Stage 4-Grid, созданного совместно Европейским космическим агентством и Австралийским национальным университетом в 2006 году, скорость выхлопа достигла (pdf) 210 км/с. Впрочем, обычно он варьируется в пределах 20–50 км/с, но и это намного выше, чем 3–5 км/с у химических ракетных двигателей. Благодаря этому упоминавшийся Dawn смог установить рекорд негравитационного (то есть без использования маневров, когда аппарат ускоряется за счет гравитационного воздействия массивных небесных тел) ускорения, достигнув скорости 11,1 км/с (почти 40 000 км/ч).
Важным преимуществом для длительных полетов является то, что ионный двигатель может работать беспрерывно в течение многих лет. Так, NEXT, который был построен Aerojet Rocketdyne, отработал рекордные на тот момент 48 тысяч часов, или 5,5 года. Наконец, ионные двигатели могут похвастаться впечатляющим КПД — 60–80 %.
Впрочем, долговечность ионных двигателей все же ограничена. Поскольку металлические части контактируют с плазмой, они со временем разрушаются. Так что инженеры постоянно ищут более устойчивые материалы, ведь для полетов к дальним объектам необходимо быть уверенным, что двигатель проработает многие годы.
Другой недостаток ионного двигателя — для его работы нужно много энергии, до 7 кВт. Солнечные батареи не вариант (особенно если мы собираемся лететь в глубины нашей системы), поэтому аппараты с ионными двигателями необходимо комплектовать либо очень емкими батареями, либо небольшими ядерными реакторами, которые обеспечат достаточную мощность.
И если первые два недостатка инженеры с успехом преодолевают, то третий пока что является наиболее существенным. У ионных двигателей очень маленькая тяга, которая измеряется в миллиньютонах. Рекорд принадлежит разработанному NASA и Мичиганским университетом X-3 — 5,4 ньютона. Для сравнения, тяга самой мощной в истории ракеты-носителя Super Heavy должна составить 75 315 000 ньютонов.
В условиях вакуума тяга — не самая важная характеристика, но стартовать с поверхности другого небесного тела аппараты с ионным двигателем не смогут. У них не хватит тяги для преодоления притяжения и сопротивления атмосферы. Так, например, случилось со спутниками Starlink, которые оборудованы холловскими двигателями. Из-за магнитной бури верхние слои атмосферы стали более плотными, и аппараты не смогли выйти на расчетную орбиту. Поэтому пока оптимальной выглядит комбинация традиционных химических и ионных двигателей.
Впрочем, ионные двигатели — это очень перспективное направление. Они уже установлены на две сотни космических аппаратов, включая МКС и базовый модуль китайской орбитальной станции Тяньхэ. Благодаря ионному двигателю зонд «Хаябуса» долетел до астероида Итокава и вернулся обратно с образцом вещества, а европейский BepiColombo доберется до Меркурия. Возможно, однажды именно ионные двигатели позволят нам долететь до границ Солнечной системы и еще дальше.