Усі звикли сприймати іонні двигуни як фантастику. Але вони успішно працюють у космосі вже 50 років. Чому ж вони досі не витіснили хімічні? Справа у їхній малій потужності, що сильно обмежує область застосування.
Обмеженість хімічних реактивних двигунів
Усі реактивні двигуни, що працюють на рідкому чи твердому хімічному паливі, мають один суттєвий недолік: швидкість витікання з них реактивної маси обмежена кількома сотнями метрів на секунду. А оскільки добуток зміни швидкості космічного корабля на його масу завжди дорівнює добуткові швидкості витікання газів на масу цих газів, це призводить до ситуації, коли більша частина маси корабля припадає на паливо (та окислювач), але все одно доступне Δv, тобто зміна швидкості, лишається вкрай обмеженою.
На сьогодні єдиним виходом із цієї ситуації є відмова від хімічної реакції як джерела реактивної сили й заміна її чимось іншим, що давало би значно вищу швидкість витікання газів із сопла двигуна. Найкраще з цим може впоратися магнітне поле. А ось на питання, що саме розганяти та як, існує низка позірно дуже схожих відповідей. Перша та найбільш опрацьована з них — це іонний двигун.
Як влаштований іонний двигун
Ідея іонного двигуна досить проста. У камеру подається якийсь газ, зазвичай інертний (аргон, ксенон, криптон), щоб виключити його хімічну реакцію з конструкційними матеріалами. Також у деяких випадках використовувалася ртуть. Далі цей газ бомбардується високоенергетичними електронами, що взаємодіють з електронними оболонками атомів газу та відривають від них електрони.
Внаслідок цього утворюється своєрідна суміш вільних від’ємно заряджених електронів і позитивно заряджених іонів. Цей процес називають іонізацією, а отриманий в його результаті газ (після видалення з нього зайвих електронів) — іонізованим. І оскільки частинки цього газу заряджені, їх можна прискорювати магнітним або електростатичним полем.
Перший іонний двигун
Концепція іонного реактивного двигуна з’явилася понад 100 років тому. В 1911-му її висловив Костантін Ціолковський, а невдовзі розробками конструкції такого типу двигунів займалися всі піонери ракетної техніки. Проте задача ця виявилася не такою простою — перший іонний двигун запрацював у NASA 1959 року. Відбулося це в лабораторії на Землі. У космосі його випробували на апараті SERT-1, тоді він пропрацював 31 хвилину 16 секунд.
Здавалося б, це недовго, але не для ракетних двигунів, які зазвичай спалюють величезні об’єми палива за кілька хвилин. Річ у тім, що навіть у найперших їхніх конструкціях швидкість витікання робочого тіла становила понад 10 км/с, тоді як для найкращих хімічних двигунів — 3-5 км/с. Тобто іонний двигун уже у 60-ті роки давав можливість використовувати втричі меншу кількість реактивної маси у порівнянні з хімічними двигунами.
Також у тому польоті була на практиці підтверджена основна вада всіх іонних двигунів — неможливість досягнення великої потужності. Цьому надто заважає обмеження сили електричного струму в газовому середовищі, що не дозволяє іонізувати великі об’єми газу.
Іонний двигун на ефекті Голла
У відповідь Радянський Союз випробував у космосі свій іонний двигун на ефекті Голла. У ньому не використовується обстріл газу високоенергетичними електронами. Замість цього робоче тіло поміщається у камеру кільцевої форми, всередині якої розташована котушка, а по краях — магніти, що виконують функції катода. Роль анода зазвичай відіграє саме джерело газу. У таких умовах іонізація відбувається безпосередньо під дією магнітного поля і, відповідно, об’єми газу, який може бути іонізований, є значно більшими.
А це означає, що, попри трохи менші швидкості витікання іонізованого газу, іонний двигун на ефекті Голла значно перевищує за потужністю традиційні двигуни такого типу. Однак варто зазначити, що це «значно» дуже відносне, адже найпотужніші «голлівські» двигуни здатні розвивати тягу не більше 600 міліньютонів при швидкості витікання газу до 50 км/с. Це потужність, якої достатньо, наприклад, щоб утримати у повітрі мобільний телефон.
Радянські іонні двигуни
Однак двигун на ефекті Голла все ж виявився значно ефективнішим за звичайний іонний. І якщо NASA ще раз запустила іонний двигун на супутнику SERT-II і на багато років втратила інтерес до їхнього використання, в Радянському Союзі для малопотужних, але надзвичайно економічних двигунів знайшли застосування. Цієї потужності виявилося цілком достатньо для обертання космічних апаратів навколо їхньої осі.
Тож із 1972 року в СРСР майже серійно випускалися іонні двигуни орієнтації з тягою до 200 міліньютонів, що встановлювалися на різноманітні супутники. Зокрема, ними були оснащені метеорологічні апарати серії «Метеор», які використовувалися багато років.
Окремо варто сказати про термінологію. Часто іонні двигуни також називають плазмовими. З цим пов’язана велика кількість непорозумінь. Зокрема, двигуни на ефекті Голла часто йменуються стаціонарними плазмовими. Загалом ця назва є допустимою, але частіше термін «плазмові двигуни» застосовується до інших типів, які використовують для прискорення реактивної маси електромагнітні поля.
Використання іонного двигуна як маршевого
Зацікавленість інших країн в іонних двигунах повернулася у 1990-ті, коли розвиток електроніки дозволив робити космічні апарати й обладнання для них досить легкими, а розробки радянських учених стали доступними для інженерів інших країн. Саме на ці роки припадає перша спроба використання іонного двигуна як маршового. Космічний апарат Deep Space-1 був спеціально призначений для випробування нових технологій, зокрема, маршового іонного двигуна, максимальна потужність якого у польоті склала 92 міліньютони.
Попри досить скромну потужність, цей двигун дозволив зонду Deep Space-1 встановити рекорд із нарощування своєї швидкості у космосі без застосування гравітаційних маневрів. Аби збільшити швидкість на 4,3 км/с, апарату масою 370 кг знадобилося всього 72 кг ксенону. Сам двигун був цілком традиційної конструкції, тобто іонізація в ньому здійснювалася за допомогою електростатичного поля.
2003 року Європейське космічне агентство запустила SMART-1 — апарат, призначений для вивчення Місяця. Він уперше використав у якості маршового іонний двигун на ефекті Голла, потужність якого складала всього 1380 Вт (як не дуже потужний дриль). Попри це, він міг розвивати тягу до 70 мН і мав питомий імпульс у 16 400 м/с, що втричі перевищує цей показник для найефективніших хімічних двигунів. Завдяки цьому SMART-1 витратив лише 82 кг ксенону, щоб досягти Місяця з навколоземної орбіти та стати його штучним супутником.
«Хаябуса»
Але ці місії були тільки початком сучасного використання іонних двигунів, адже того ж 2003 року Японська космічна агенція запустила автоматичний апарат «Хаябуса», оснащений аж чотирма маршовими іонними двигунами. Попри те, що потужність кожного з них складала всього 8 міліньютонів, тобто могла забезпечити прискорення 500-кілограмового апарата лише на кілька міліметрів за секунду, тримати таке прискорення він міг місяцями, що забезпечило можливість реалізувати головну перевагу іонного двигуна перед хімічними — високий запас Δv за досить скромних розмірів.
Низький питомий імпульс хімічних двигунів дуже гостро відчувається у тому, що кожен маневр космічного апарата має бути продуманий від самого початку. На зміну планів та виправлення помилок запасу палива на борту зазвичай просто немає. А у «Хаябуси» воно було. Річ у тім, що через численні несправності ця місія кілька разів опинялася на межі зриву. У якийсь момент через збій у програмі зв’язок з апаратом був втрачений і сталося пошкодження одного з маршових двигунів. Згодом зв’язок змогли відновити, й «Хаябуса» повернувся на Землю, використовуючи решту двигунів. Це підтвердило ще одну перевагу іонних руішіїв у порівнянні з хімічними — їхню високу надійність.
Dawn і сучасні місії
2007 року з Землі стартував апарат Dawn, який на сьогодні утримує першість із набору швидкості у космосі без використання гравітаційних маневрів. Він використовував аж три двигуни, дуже схожі на той, що був встановлений на Deep Space-1. Завдяки цьому апарату вдалося набагато перевершити рекорд набору швидкості, збільшивши її на 11,1 км/с. Варто зазначити, що місія Dawn від самого початку була запланована як така, що у максимальному об’ємі використає переваги нового двигуна. На 747 кг маси самого апарата припадало 425 кг ксенону.
Цього вистачило, щоб долетіти з поверхні Землі до астероїда Веста, попрацювати пару років у її околицях, залишити її та попрямувати до карликової планети Церери, вийти на орбіту навколо неї та дослідити вже це небесне тіло. І навіть після цього у баках Dawn лишалося ще достатньо палива, щоб дістатися до третього астероїда. Щоправда, ці плани не були реалізовані, й після 11 років місію зупинили, а сам зонд залишився біля Церери.
Про успіх концепції використання іонного двигуна як маршового на автоматичних станціях свідчить той факт, що зараз його застосовують ще три місії. Йдеться про автоматичний апарат BepiColombo, призначений для вивчення Меркурія, зонд «Хаябуса-2», що вже доставив на Землю зразки з астероїда Рюгу і наразі виконує додаткову місію, розраховану ще на 10 років польоту, та європейський супутник зв’язку Artemis. Останній треба згадати окремо, адже історія його експлуатації розпочалася 2001 року з аварії третього ступеня ракети-носія, внаслідок якої він не вийшов на потрібну орбіту. Зазвичай для супутника це закінчується падінням в атмосферу, але Artemis мав іонні двигуни. Завдяки цьому йому поволі вдалося дістатися потрібної орбіти, ставши чи не першим космічним апаратом в історії, що зміг пережити нештатний старт.
Переваги іонних двигунів
Загалом можна зазначити, що іонні двигуни не є фантастикою чи експериментальною розробкою. За останні пару десятиліть вони зарекомендували себе як надійне та дуже економічне обладнання. Повністю замінити хімічні двигуни вони поки що не можуть навіть теоретично. Для старту з поверхні Землі іонний двигун не підходить у принципі. Як маршовий для пілотованих місій він теж найближчим часом використовуватися не буде. Найбільша тяга, яку на сьогодні змогли розвинути іонні двигуни, — це 290 мН на апараті BepiColombo. Говорити про якесь прискорення для апарата, суттєво важчого за одну тонну, не варто.
Цілком можливо, обмеження іонних двигунів на тягу ніколи не вдасться подолати. Але вони вже зробили справжній переворот у дослідженні космосу. Насамперед це стосується супутників, які тепер можуть служити десятиліттями, активно маневруючи при цьому між орбітами. Найамбітніший проєкт сучасності — супутники Starlink — використовує саме іонні двигуни на ефекті Голла.
Крім того, іонні двигуни, безперечно, стали справжнім проривом у технології невеликих автоматичних апаратів, призначених для дослідження інших планет. Вперше стало можливим за кілька років досліджувати космічні тіла, активно переміщуючись між ними. І якщо раніше нормою було запустити зонд і роками чекати заради кількох годин активної роботи, то тепер продуктивність місій суттєво збільшилася.
Перспективи
Поки що незрозумілим залишається питання про те, яка з двох основних схем — зі статичним магнітним полем чи на ефекті Голла — є перспективнішою, адже зараз на космічних апаратах використовуються обидві. Здається, що для навколоземних супутників більше підходить двигун на ефекті Голла, адже там потрібні достатньо динамічні маневри й більша потужність. А ось для міжпланетних станцій явно переважає традиційна схема іонного двигуна, адже у них важливо «витиснути» з кожного кілограма ксенону максимум питомого імпульсу.
І навіть якщо тягу іонних двигунів обох типів не вдасться суттєво підвищити, вони однозначно підтверджують, що використання електромагнітного поля для створення тяги заслуговує на подальшу розробку. Можливо, якийсь із новостворених типів електромагнітних двигунів стане найкращим варіантом для майбутніх пілотованих космічних кораблів.
Тільки найцікавіші новини та факти в нашому Telegram-каналі!
Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine
