Розріджені верхні шари атмосфери на наднизьких орбітах гальмують апарати так сильно, що висоту доводиться постійно відновлювати тягою. Інженер зі Штутгартського університету запропонував живити двигун тим самим повітрям, яке створює цей опір. У його установці немає катода і нейтралізатора, а це вузли, що руйнуються на таких висотах найшвидше. За розрахунками, супутник зможе триматися там як завгодно довго.
Політ без запасу пального
Апарат GOCE вимірював гравітаційне поле Землі з висоти близько 260 км, а на орбіті його тримав іонний двигун на ксеноні. Коли пальне вичерпалося, у 2013 році зонд почав швидко знижуватися й зрештою згорів. Франческо Романо застосував свою модель саме до цього сценарію.
Розрахунки дисертації показують, що установка на атмосферному газі утримувала б супутник у діапазоні від 190 до 250 км необмежено довго, споживаючи менш ніж 1,6 кВт. Стільки дають звичайні сонячні панелі, тому окремого джерела живлення під неї не потрібно. Робота викладена у препринті на arXiv і ще не проходила рецензування наукового журналу.
Чому заважає атомарний кисень
Ультрафіолет на цих висотах розбиває молекулярний кисень на окремі атоми. Така форма газу надзвичайно агресивна щодо металу, вона окиснює електроди та прискорювальні сітки іонних двигунів.
Найвразливішим вузлом виявився катод електронної гармати, яка знімає надлишковий заряд з обшивки. Коли вона виходить з ладу, апарат накопичує заряд і притягує назад щойно викинуті іони, а тяга зникає. Додає складності й мінливість самого середовища, бо щільність газу залежить від часу доби, широти та сонячної активності.
Сама ідея використати набігаючий газ замість балона з ксеноном не нова. Ще у 2018 році в ESA відзвітували про перші вдалі випробування подібної системи італійської компанії Sitael, але та конструкція будувалася на холлівському двигуні з катодом-нейтралізатором, тобто саме з вузлом, який атомарний кисень руйнує першим.
Дзеркало й антена для збору газу
Щоб зібрати розріджений газ, Франческо Романо перебрав кілька конструкцій вхідного вбирача, від воронки-пастки до компактного шестигранника з титанового сплаву. Найкраще спрацювало параболічне дзеркало з графітовим або кремнеземним покриттям, яке відбиває частинки просто в камеру. У випробуваннях в аеродинамічній трубі з атомарним киснем, аргоном і азотом воно захопило близько 94,3 % частинок, а при нахилі на 15° ефективність впала лише на 8 %, як пише Universe Today.
Сам двигун працює на радіочастотному геліконному розряді, а збуджує його антена типу «пташина клітка», така сама, як у медичних томографах. Ця схема вводить у плазму 99 % підведеної потужності, тоді як звичайні дротяні котушки частину енергії гублять на власному реактивному опорі. Соленоїд навколо камери формує магнітне сопло, у якому потік прискорюється і виходить назовні квазінейтральним, бо разом з іонами його залишають і електрони, тому окремий нейтралізатор не потрібен.
Від вакуумної камери до Марса
У вакуумній камері відтворили концентрацію трьох основних газів робочої висоти. Плазмовий струмінь тримався стабільно за радіочастотної потужності від 50 до 60 Вт.
Марсіанська атмосфера складається переважно з вуглекислого газу, і така сама установка, за розрахунками, утримувала б апарат на висоті від 120 до 160 км над поверхнею. Нинішні дослідницькі супутники Марса працюють переважно вище за 250 км, тому камери та радари з нижчого рівня знімали б рельєф детальніше.
Поки що йдеться про лабораторний зразок і розрахунки. Чи зможе полетіти така конструкція, вирішать оператори угруповань на наднизьких орбітах, бо саме вони купують ксенон і списують апарати після вичерпання запасу.
