Все привыкли воспринимать ионные двигатели как фантастику. Но они успешно работают в космосе уже 50 лет. Почему же они до сих пор не вытеснили химические? Дело в их малой мощности, что сильно ограничивает область применения.
Ограниченность химических реактивных двигателей
Все реактивные двигатели, работающие на жидком или твердом химическом топливе, имеют один существенный недостаток: скорость истечения из них реактивной массы ограничена несколькими сотнями метров в секунду. А поскольку произведение изменения скорости космического корабля на его массу всегда равно произведению скорости истечения газов на массу этих газов, это приводит к ситуации, когда большая часть массы корабля приходится на топливо (и окислитель), но все равно доступное Δv, то есть изменение скорости, остается крайне ограниченным.
Пока что единственным выходом из этой ситуации является отказ от химической реакции как источника реактивной силы и замена ее чем-то другим, что давало бы значительно более высокую скорость истечения газов из сопла двигателя. Лучше всего с этим может справиться магнитное поле. А вот на вопрос, что именно разгонять и как, существует ряд очень похожих ответов. Первый и наиболее проработанный из них — это ионный двигатель.
Как устроен ионный двигатель
Идея ионного двигателя довольно проста. В камеру подается какой-то газ, обычно инертный (аргон, ксенон, криптон), чтобы исключить его химическую реакцию с конструкционными материалами. Также в некоторых случаях использовалась ртуть. Далее этот газ бомбардируется высокоэнергетическими электронами, которые взаимодействуют с электронными оболочками атомов газа и отрывают от них электроны.
Вследствие этого образуется своеобразная смесь свободных отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных ионов. Этот процесс называют ионизацией, а полученный в его результате газ (после удаления из него лишних электронов) — ионизированным. И поскольку частицы этого газа заряжены, их можно ускорять магнитным или электростатическим полем.
Первый ионный двигатель
Концепция ионного реактивного двигателя появилась более 100 лет назад. В 1911-м ее высказал Константин Циолковский, а вскоре разработками конструкции такого типа двигателей занимались все пионеры ракетной техники. Однако задача эта оказалась не такой простой — первый ионный двигатель заработал в NASA в 1959 году. Произошло это в лаборатории на Земле. В космосе его испытали на аппарате SERT-1, тогда он проработал 31 минуту 16 секунд.
Казалось бы, это недолго, но не для ракетных двигателей, которые обычно сжигают огромные объемы топлива за несколько минут. Дело в том, что даже в самых первых их конструкциях скорость истечения рабочего тела составляла более 10 км/с, тогда как для лучших химических двигателей — 3–5 км/с. То есть ионный двигатель уже в 60-е годы давал возможность использовать в три раза меньше реактивной массы по сравнению с химическими двигателями.
Также в том полете был на практике подтвержден основной недостаток всех ионных двигателей — невозможность достижения большой мощности. Этому слишком мешает ограничение силы электрического тока в газовой среде, что не позволяет ионизировать большие объемы газа.
Ионный двигатель на еффекте Холла
В ответ Советский Союз испытал в космосе свой ионный двигатель на эффекте Холла. В нем не используется обстрел газа высокоэнергетическими электронами. Вместо этого рабочее тело помещается в камеру кольцевой формы, внутри которой расположена катушка, а по краям — магниты, выполняющие функции катода. Роль анода обычно играет сам источник газа. В таких условиях ионизация происходит непосредственно под действием магнитного поля и, соответственно, объемы газа, который может быть ионизирован, значительно больше.
А это означает, что, несмотря на несколько меньшие скорости истечения ионизированного газа, ионный двигатель на эффекте Холла значительно превышает по мощности традиционные двигатели такого типа. Однако стоит отметить, что это «значительно» очень относительно, ведь самые мощные «холловские» двигатели способны развивать тягу не более 600 миллиньютонов при скорости истечения газа до 50 км/с. Это мощность, которой достаточно, например, чтобы удержать в воздухе мобильный телефон.
Советские ионные двигатели
Однако двигатель на эффекте Холла все же оказался значительно эффективнее обычного ионного. И если NASA еще раз запустила ионный двигатель на спутнике SERT-II и на много лет потеряла интерес к их использованию, в Советском Союзе для маломощных, но чрезвычайно экономичных двигателей нашли применение. Этой мощности оказалось вполне достаточно для вращения космических аппаратов вокруг их оси.
Поэтому с 1972 года в СССР почти серийно выпускались ионные двигатели ориентации с тягой до 200 миллиньютонов, которые устанавливались на различные спутники. В частности, ими были оснащены метеорологические аппараты серии «Метеор», которые использовались много лет.
Отдельно стоит сказать о терминологии. Часто ионные двигатели также называют плазменными. С этим связано большое количество недоразумений. В частности, двигатели на эффекте Холла нередко именуются стационарными плазменными. В целом это название является допустимым, но чаще термин «плазменные двигатели» применяется к другим типам, которые используют для ускорения реактивной массы электромагнитные поля.
Использование ионного двигателя в качестве маршевого
Заинтересованность других стран в ионных двигателях вернулась в 1990-е, когда развитие электроники позволило делать космические аппараты и оборудование для них достаточно легкими, а разработки советских ученых стали доступными для инженеров других стран. Именно на эти годы приходится первая попытка использования ионного двигателя в качестве маршевого. Космический аппарат Deep Space-1 был специально предназначен для испытания новых технологий, в частности, маршевого ионного двигателя, максимальная мощность которого в полете составила 92 миллиньютона.
Несмотря на довольно скромную мощность, этот двигатель позволил зонду Deep Space-1 установить рекорд по наращиванию своей скорости в космосе без применения гравитационных маневров. Чтобы увеличить скорость на 4,3 км/с, аппарату массой 370 кг понадобилось всего 72 кг ксенона. Сам двигатель был вполне традиционной конструкции, то есть ионизация в нем осуществлялась с помощью электростатического поля.
В 2003 году Европейское космическое агентство запустило SMART-1 — аппарат, предназначенный для изучения Луны. Он впервые использовал в качестве маршевого ионный двигатель на эффекте Холла, мощность которого составляла всего 1380 Вт (как не очень мощная дрель). Несмотря на это, он мог развивать тягу до 70 мН и имел удельный импульс в 16 400 м/с, что втрое превышает этот показатель для самых эффективных химических двигателей. Благодаря этому SMART-1 потратил всего 82 кг ксенона, чтобы достичь Луны с околоземной орбиты и стать ее искусственным спутником.
«Хаябуса»
Но эти миссии были только началом современного использования ионных двигателей, ведь в том же 2003 году Японское космическое агентство запустило автоматический аппарат «Хаябуса», оснащенный аж четырьмя маршевыми ионными двигателями. Несмотря на то, что мощность каждого из них составляла всего 8 миллиньютонов, то есть могла обеспечить ускорение 500-килограммового аппарата лишь на несколько миллиметров в секунду, удерживать такое ускорение он мог месяцами, что обеспечило возможность реализовать главное преимущество ионного двигателя перед химическими — высокий запас Δv при достаточно скромных размерах.
Низкий удельный импульс химических двигателей очень остро ощущается в том, что каждый маневр космического аппарата должен быть продуман с самого начала. На изменение планов и исправление ошибок запаса топлива на борту обычно просто нет. А у «Хаябусы» оно было. Дело в том, что из-за многочисленных неисправностей эта миссия несколько раз оказывалась на грани срыва. В какой-то момент из-за сбоя в программе связь с аппаратом была потеряна и произошло повреждение одного из маршевых двигателей. Впоследствии связь смогли восстановить, и «Хаябуса» вернулся на Землю, используя оставшиеся двигатели. Это подтвердило еще одно преимущество ионных двигателей по сравнению с химическими — их высокую надежность.
Dawn и современные миссии
В 2007 году с Земли стартовал аппарат Dawn, который сегодня удерживает первенство по набору скорости в космосе без использования гравитационных маневров. Он использовал целых три двигателя, очень похожих на тот, что был установлен на Deep Space-1. Благодаря этому аппарату удалось намного превзойти рекорд набора скорости, увеличив ее на 11,1 км/с. Стоит отметить, что миссия Dawn изначально была запланирована как такая, которая в максимальном объеме использует преимущества нового двигателя. На 747 кг массы самого аппарата приходилось 425 кг ксенона.
Этого хватило, чтобы долететь с поверхности Земли до астероида Веста, поработать пару лет в ее окрестностях, оставить ее и направиться к карликовой планете Церере, выйти на орбиту вокруг нее и исследовать уже это небесное тело. И даже после этого в баках Dawn оставалось еще достаточно топлива, чтобы добраться до третьего астероида. Правда, эти планы не были реализованы, и после 11 лет миссию остановили, а сам зонд остался возле Цереры.
Об успехе концепции использования ионного двигателя в качестве маршевого на автоматических станциях свидетельствует тот факт, что сейчас его применяют еще три миссии. Речь идет об автоматическом аппарате BepiColombo, предназначенном для изучения Меркурия, зонде «Хаябуса-2», который уже доставил на Землю образцы с астероида Рюгу и сейчас выполняет дополнительную миссию, рассчитанную еще на 10 лет полета, и европейском спутнике связи Artemis. Последний надо упомянуть отдельно, ведь история его эксплуатации началась в 2001 году с аварии третьей ступени ракеты-носителя, в результате которой он не вышел на нужную орбиту. Обычно для спутника это заканчивается падением в атмосферу, но Artemis имел ионные двигатели. Благодаря этому ему медленно удалось добраться до нужной орбиты, став едва ли не первым космическим аппаратом в истории, который смог пережить нештатный старт.
Преимущества ионных двигателей
В целом можно отметить, что ионные двигатели не являются фантастикой или экспериментальной разработкой. За последние пару десятилетий они зарекомендовали себя как надежное и очень экономичное оборудование. Полностью заменить химические двигатели они пока не могут даже теоретически. Для старта с поверхности Земли ионный двигатель не подходит в принципе. В качестве маршевого для пилотируемых миссий он также в ближайшее время использоваться не будет. Наибольшая тяга, которую на сегодняшний день смогли развить ионные двигатели, — это 290 мН на аппарате BepiColombo. Говорить о каком-то ускорении для аппарата, существенно тяжелее одной тонны, не стоит.
Вполне возможно, ограничения ионных двигателей на тягу никогда не удастся преодолеть. Но они уже совершили настоящий переворот в исследовании космоса. В первую очередь это касается спутников, которые теперь могут служить десятилетиями, активно маневрируя при этом между орбитами. Самый амбициозный проект современности — спутники Starlink — использует именно ионные двигатели на эффекте Холла.
Кроме того, ионные двигатели, бесспорно, стали настоящим прорывом в технологии небольших автоматических аппаратов, предназначенных для исследования других планет. Впервые стало возможным за несколько лет исследовать космические тела, активно перемещаясь между ними. И если раньше нормой было запустить зонд и годами ждать ради нескольких часов активной работы, то теперь производительность миссий существенно увеличилась.
Перспективы
Пока непонятным остается вопрос о том, какая из двух основных схем — со статическим магнитным полем или на эффекте Холла — является более перспективной, ведь сейчас на космических аппаратах используются обе. Кажется, что для околоземных спутников больше подходит двигатель на эффекте Холла, ведь там нужны достаточно динамичные маневры и большая мощность. А вот для межпланетных станций явно преобладает традиционная схема ионного двигателя, ведь в них важно «выжать» из каждого килограмма ксенона максимум удельного импульса.
И даже если тягу ионных двигателей обоих типов не удастся существенно повысить, они однозначно подтверждают, что использование электромагнитного поля для создания тяги заслуживает дальнейшей разработки. Возможно, какой-то из вновь созданных типов электромагнитных двигателей станет лучшим вариантом для будущих пилотируемых космических кораблей.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
