Ионные двигатели для космических миссий

Команда российских ученых и инженеров на базе НИИ прикладной механики и электродинамики Московского авиационного института (МАИ) занялась разработкой ионных двигателей нового поколения. Они предназначены как для орбитальных космических аппаратов, так и для полетов на другие планеты, в том числе и в дальний космос. Одной из причин, ограничивающих перемещение космических аппаратов по Вселенной, является недостаточная мощь их двигателей. Даже самые совершенные из них не позволяют добраться к месту назначения за короткий срок, а порой и выполнять намеченную исследовательскую программу. Тем более это касается потенциальных пилотируемых полетов. Никого не прельщает перспектива проводить в космосе годы, и поэтому разработчики космической техники постоянно ищут способы увеличить мощность двигателей за счет введения различных передовых новшеств.

Так, еще в 50‑х годах прошлого столетия NASA разрабатывало проект «Орион», предусматривавший строительство гигантского космического корабля, запускавшегося посредством взрыва находящейся внизу ядерной бомбы. По расчетам разработчиков, корабль, летящий на ядерном импульсе, должен был добраться до Марса всего за три месяца. Проект был заморожен по понятным причинам: во-первых, радиация, которая подействовала бы и на астронавтов, во-вторых, электромагнитный импульс, возникший при запуске, уничтожил бы всю технику на борту корабля… Правда, позднее ядерная энергия, возникающая при распаде плутония, была все же использована для полетов «Вояджера-1», «Вояджера-2» и «Кассини». Однако запасы плутония на земном шаре ограниченны.

В 1988 году аэрокосмический инженер Леик Мирабо предложил идею использования лазерного излучения для космических аппаратов. Аппарат должен был иметь коническую форму, причем лазерный луч должен был выстреливать с узкого конца конуса, где находился параболический отражатель. Это нагревало бы воздух внутри двигателя до 30000 градусов, в результате происходил бы взрыв, создающий тягу.

Что же касается ионной технологии, то именно ее использовал зонд Dawn, запущенный в сентябре 1997 года для изучения карликовых планет Весты и Цереры. Работа таких двигателей основана на бомбардировке атомов ксенона электронами, что приводит к образованию ионов. Их испускают металлические сетки, расположенные в задней части двигателя и заряженные на 1000 вольт. Максимальная скорость, которую удавалось набрать зонду, составила 38600 километров в час. При этом ионные двигатели требуют минимального количества топлива, так как питаются от солнечных батарей. Правда, для перевозки людей скорость остается слишком медленной. Способ больше подходит для транспортировки оборудования и припасов. Это весьма пригодится, если все-таки появятся колонии на Луне и Марсе.

В прошлом году было объявлено о том, что в рамках космической миссии «Психея» впервые будет задействован инновационный двигатель Холла. Космический аппарат, разработанный для NASA спутниковой компанией Maxar, должен был послужить основой для роботизированного корабля, которому предстоит исследовать металлический астероид, возможно, представляющий собой остатки протопланеты, существовавшей на заре образования Солнечной системы. Такой тип ускорителя, как двигатель Холла, впервые использовался для полетов в открытый космос. Эффектом Холла называют возникновение в электрическом проводнике разности напряжений на краях образца, помещенного в поперечное магнитное поле, при протекании тока перпендикулярно этому полю.

Впервые двигатели, работающие на основе данного эффекта, начали применять в 70‑х годах прошлого столетия в СССР. Они относятся к электростатическим ракетным двигателям, но обладают большей тягой, чем стандартные ионные, будучи одного размера с последними. В частности, каждый такой ускоритель способен генерировать в три раза больше тяги, чем ионный двигатель межпланетной станции Dawn. Сегодня их используют для выведения спутников на целевые орбиты, причем не только в России, но и за рубежом. По словам экспертов, без подобной технологии путешествие на Психею вообще стало бы невозможным, так как использование традиционных химических двигателей требует колоссальных объемов финансирования. Новая же разработка позволяет провести исследование астероида сравнительно дешево и уложиться в «бюджетный» миллиард долларов. Как сообщают авторы нового проекта, разрабатываемого сотрудниками МАИ, принцип работы ионных двигателей основан на разгоне ионов полями, когда ускоренные заряженные частицы вылетают из двигателя, тем самым создавая тягу, заставляющую аппарат лететь.

По словам ведущего научного сотрудника НИИ прикладной механики и электродинамики Вартана Абгаряна, ранее никем не изучалась возможность увеличения тяги высокочастотных ионных двигателей «путем изменения гео­метрии основных элементов конструкции».

В настоящее время члены команды исследуют, как изменение разрядной камеры и электронов ионно-оптической схемы может воздействовать на характеристики двигателя. В частности, речь идет об «эффективности использования магнитной защиты стенок разрядной камеры от осаждения заряженных частиц из плазмы». Тяга в таком случае может возрасти на 10-15%, а далее и на 40%. Все расчеты проводятся на инженерной модели плазменного разряда в высокочастотном ионном двигателе. Внутри разрядной камеры формируется плазма, состоящая из атомов, ионов и электронов. Все эти заряженные частицы проходят через электроды ионно-оптической системы, представляющие собой 2-3 тонкие пластины с множеством отверстий, расположенных на расстоянии миллиметра друг от друга. Газы, вылетающие из двигателя, и создают необходимую тягу.

По словам специалистов, у таких проектов огромный потенциал. Например, подобная аппаратура сможет корректировать работу спутников на орбите. Но куда более интересная перспектива – использование двигателя такого типа в ядерном буксире «Зевс», который планируется запустить к другим планетам Солнечной системы.

Основной же вопрос, который сейчас всех волнует: а что будет с международными космическими программами и сотрудничеством России и других стран в области космоса при нынешней обостренной геополитической ситуации? Будет ли сотрудничество продолжено или эти программы станут сворачиваться? И смогут ли отдельные государства вести автономные разработки и исследования? Пока ответить нечего. Но очень хочется надеяться, что высокомощные двигатели, тем более отечественного производства, станут реальностью, а не останутся в проекте.

Ида ШАХОВСКАЯ