Принцип работы ионного двигателя

Неужели нельзя ничего придумать что-то лучше, чем взрыв водорода или газа? Хорошая новость: есть другие ракетные двигатели, которые пока воспринимаются как фантастика. Электромагнитное поле этих двигателей ускоряет атомы, что позволяет космическим аппаратам двигаться несколько месяцев. Речь идет про ионные двигатели, которые уже используются на нескольких космических аппаратах, чтобы реализовать множество удивительных исследований Солнечной системы.

Ракета на химическом топливе действительно уже довольно примитивна: берем тонны жидкого или твердого топлива, поджигаем при помощи окислителя, а газы, которые образовались от взрыва, толкают корабль вперед – третий закон Ньютона в действии. Но тут есть одна проблема. Дело в газе, керосине, которые поднимают ракету в космос. Благодаря ракетным окислителям процесс горения длится и в космическом пространстве, где нет кислорода. Преимущество ракет в их способности быстро давать огромное количество энергии – то, что нужно для доставки тонн груза в космос. Но такие ракеты экономически не выгодны. Ракете-носителю «Falcon Heavy», весом 550 тонн, требуется 400 тонн топлива и окислителя. Первая ступень сгорает уже 162 секунды, а второй горит еще 397. В целом горение длится приблизительно 9,5 минут. Понятно, что такие расходы на топливо и быстрое его окончание, вынудили ученых искать другие способы ускорения, особенно в условиях космоса. На данный момент самым успешным проектом является ионный двигатель.

Ионный двигатель NSTAR американской АМС Deep Space 1

Двигатель работал очень долго, что позволило вблизи досконально изучить астероиды, кометы и даже Марс. NASA в 2 раза улучшила технологии, использовавшиеся на «Deep Space 1», и оборудовала миссию «Dawn» тремя резервными ионными двигателями. Это позволило кораблю выйти на орбиту астероида Веста, произвести необходимые исследования, покинуть орбиту и отправиться к астероиду Церера, произведя там еще несколько исследований.

Ионными двигателями пользовались, чтобы вывести космический корабль «Smart-1» с земной на лунную орбиту. Ими был оснащен японский космический корабль «Хаябуса». Исследования показали, что ионные двигатели могут беспрерывно работать около 5 лет. Благодаря этим успехам, мы скоро увидим еще больше космических аппаратов на ионных двигателях. К тому же, эти двигатели постоянно усовершенствуются.

Как было сказано раньше, ионные двигатели имеют маленькую тягу, но уже есть идеи относительно ее увеличения. Первая предлагает значительно увеличить количество электроэнергии для ускорения ионов. В NASA рассматривали создание ионного двигателя на ядерном реакторе вместо солнечных батарей. В одном из экспериментов, аппарат был оборудован ядерным двигателем на ксеноне. Целью исследований были все большие ледовые спутники Юпитера: Ганимед, Каллисто, Европа. Этот космический корабль должны были запустить на орбиту Земли тремя отдельными частями, и, после состыковки на орбите, отправить на Юпитер. На корабле должны были установить 8 ионных двигателей, чтобы в течение 3 месяцев исследовать Каллисто, еще 3 месяца Ганимед, и потом вывести корабль на орбиту Европы. А если будут благоприятные условия, то изучить еще и Ио. Но… что-то пошло не так и в 2005 году миссию отменили.

Развитие ионных двигателей продолжается и сегодня. На данный момент, NASA тестирует двигатель высокой тяги Х3. Это двигатель на эффекте Холла, имеющий большую тягу (5,4 ньютона). Достаточно скромно, но не забывайте, что раньше исчисление было в миллиньютонах. Развив эту технологию до максимума, можно отправить астронавтов на Марс, сокративши время миссии до нескольких месяцев. Инженеры будут тестировать Х3 на протяжении 100 часов, чтобы проверить, выдержит ли он долговременную работу, как меньшие ионные двигатели.

Испытания ионного двигателя на ксеноне. NASA

А недавно был слух, что Европейское Космическое агентство протестировало ионный двигатель, который работает на воздухе. Инженеры предлагают полностью отказаться от топлива, вместо этого на низкой орбите космический корабль будет втягивать молекулы воздуха прямо с верхних слоев атмосферы, а потом будет ионизировать их и выкидывать их обратно в пространство. Учитывая, что корабль будет иметь безлимитный запас солнечной энергии, а топливо будет генерироваться прямо из атмосферы, он сможет очень долго работать без дозаправки. Космические корабли смогут функционировать на нижней высоте, а космические станции пребывать на низкой земной орбите без дозаправки. Это может кардинально изменить правила игры не только на Земле, но и на Марсе, Венере или Титане, везде, где есть атмосфера. Ионные двигатели уже внесли свой вклад в исследование космоса, а через несколько лет ими будут оснащены еще больше миссий. Вероятно, именно эти двигатели в ближайшее десятилетие доставят астронавтов на Марс.

Источник: ПЯТЫЙ ЭЛЕМЕНТ