Сейчас космические аппараты ускоряются преимущественно с помощью химической реакции, которая нагревает рабочее тело, создающее реактивный импульс. Однако уже сейчас появляются двигатели нового поколения — электрические, ионные, плазменные. Вот основные сведения о том, почему они лучше предыдущих и почему их до сих пор не вытеснили.
1. Почему людей не устраивают химические реактивные двигатели?
Главной проблемой химических двигателей, используемых сейчас в космической технике, является их низкий удельный импульс. Килограмм газов, выходящих из их сопла, имеет лишком малую скорость и, соответственно, сообщает кораблю сравнительно малое ускорение.
Именно поэтому горючее и окислитель составляют большую часть массы современных ракет, что ограничивает полезную нагрузку, которую люди могут взять с собой в космос. Скорость, которую могут развить космические аппараты при запуске, редко превышает 15 км/с. Поэтому даже полет к Марсу длится несколько месяцев, не говоря уже о путешествиях к планетам-гигантам.
2. Плазменные, ионные и электрические двигатели — одно и то же?
Повысить удельный импульс ракетных двигателей можно, если вместо энергии химической реакции использовать ускорение магнитным полем. А его, в свою очередь, создавать с помощью электрического тока в проводниках различной формы. Правда, перед этим необходимо превратить молекулы газа в заряженные частицы.
Именно на этом принципе основаны многочисленные концепты электрических, плазменных и ионных двигателей. Внутри каждого из этих классов существует большое количество различных конструкций, но, по сути, все они работают более или менее одинаково. Во всех случаях от молекул газа отрываются электроны и превращаются в ионы. Разница заключается главным образом в том, доходит ли этот процесс до конца, то есть до образования плазмы.
3. Когда появились электрические двигатели?
Идея электрического реактивного двигателя появилась еще в начале XX века, а уже в 30-х годах были построены первые экспериментальные образцы. Они подтвердили, что удельный импульс такого двигателя может достигать 30 тыс. м/с по сравнению с 4600–5000 м/с, которые может дать химический двигатель.
Первое испытание электрического реактивного двигателя в космосе состоялось в 1964 году, когда был запущен аппарат SERT-1 (NASA). Однако массовое их применение для стабилизации орбит спутников началось только в 1980-е. А в качестве маршевых двигателей для межпланетных миссий они впервые были использованы на аппарате Deep Space 1.
4. Где электрические двигатели используются сейчас?
Сейчас электрические реактивные двигатели применяются для коррекции орбит спутников почти так же часто, как и химические. Самым известным и самым успешным примером здесь являются спутники Starlink, которые используют двигатели на эффекте Холла, работающие на криптоне.
В межпланетных миссиях наиболее успешными примерами использования электрических двигателей является аппарат Dawn, исследовавший Цереру и Весту, а также миссии «Хаябуса-1» и «Хаябуса-2», которые смогли привезти на Землю образцы грунта с астероидов. В будущем планируется применить подобную силовую установку для корректировки орбиты лунной орбитальной станции.
5. В чем проблемы с электрическими двигателями?
Основная причина, по которой электрические двигатели до сих пор не вытеснили химические, заключается в том, что высокий удельный импульс не равен большой тяге. Хотя такие двигатели используют топливо значительно экономнее химических, выбрасывать ионы в достаточном количестве, чтобы создать действительно большую силу тяги, они не могут.
В некоторых из них это обусловлено самой конструкцией. Другие — например, магнитоплазменные — могли бы сравниться по этому показателю с химическими, но требуют для работы значительно более мощных источников энергии, чем солнечные панели или РИТЭГ. Именно поэтому для старта с Земли и разгона в космосе больших аппаратов они никогда не использовались.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
