Неужели, мы так и будем вечно летать в космос на громадных цистернах, под завязку накачанных водородом или керосином? Или альтернатива всё-таки есть?
Скрытый текст
Меня часто спрашивают, почему ракеты до сих пор летают на химическом топливе? Мол, только и можем, что прожигать водород и керосин? К счастью, из фантастики к нам приходит новый вид ракетных двигателей, который способен с помощью электромагнитного поля непрерывно разгонять космический аппарат в течение целых месяцев.
Разумеется, я говорю об ионных двигателях: этот экзотический тип ускорителя уже не один раз успешно применялся в миссиях по изучению Солнечной системы.
Конечно, химические ракеты могут показаться примитивными — берём тонны жидкого или твёрдого топлива, поджигаем его с помощью окислителя, и мощный взрыв толкает ракету навстречу звёздам — привет, третий закон Ньютона.
Свою задачу они выполняют — струя газа даёт ракете достаточное ускорение для выхода в космос. Двигатель может работать также и в безвоздушном пространстве, так как ракета несёт на борту окислитель.
Преимущество этих ракет в том, что они могут вырабатывать огромное количество энергии за короткое время — то что нужно, чтобы поднимать в космос тонны груза. Но этот способ жутко не эффективен. Чтобы отправить на орбиту “Фэлкон Хэви” весом в пятьсот пятьдесят тонн нужно аж четыреста тонн топливной смеси.
Двигатели первой ступени сжигают топливо за сто шестьдесят две секунды; двигатели второй ступени — за триста девяносто семь секунд; вместе это всего лишь девять с половиной минут. Хотите совершить манёвр или на пару недель включить ускорение? Не выйдет — бак уже пустой.
Конечно,.. эти недостатки заставили ученых задуматься об альтернативном источнике тяги — особенно, в открытом космосе, и пока что самой удачной попыткой остаётся.. ионный двигатель.
Важнейшая характеристика работы ракетного двигателя — скорость выброса пропеллента. Самый эффективный химический двигатель выдаёт пять километров в секунду, тогда как ионные могут выбрасывать отдельные атомы со скоростью девяносто километров в секунду.
Такой показатель даёт аппарату более эффективное ускорение. Лучшие химические двигатели дают КПД тридцать пять процентов,… тогда как ионные — все девяносто.
Но как работает ионный двигатель?
Глядя на его устройство, невольно думаешь о научной фантастике. Вместо горячих газов, ионные ускорители выбрасывают ионы — положительно или отрицательно заряженные атомы или молекулы, потерявшие или получившие электрон. В нашем случае задействованы положительные ионы, то есть атомы, отдавшие один электрон. С помощью магнитного поля двигатель разгоняет их до огромных скоростей и выбрасывает из сопла.
Но откуда берутся ионы? Они вырабатываются в генераторе плазмы внутри корабля. Нейтрально заряженные атомы газа вроде ксенона обстреливают электронами, выбивая из них ещё больше электронов, в результате чего возникают положительно заряженные ионы.
Этот плазменный суп из электронов и положительных ионов сохраняет нулевой заряд. Но электроны остаются в камере, продолжая участвовать в ионизации, а вот положительные частицы вытягиваются наружу через специальную сетку.
Проходя через неё, ионы с помощью высокого напряжения выбрасываются из сопла со скоростью до девяноста километров в секунду. С каждым выброшенным в космос ионом корабль получает небольшой толчок. Вся система работает на солнечных панелях, так что нет нужды нагружать аппарат тяжёлыми и громоздкими батареями, что делает его намного легче.
Проблема в том, что ионная тяга слишком слаба. Она измеряется в миллиньютонах, то есть речь идёт о тысячных.. долях ньютона. Подержите листок бумаги в руке — такова его сила.
Зато ионные двигатели могут разгонять корабль недели напролёт, на что химического топлива никогда бы не хватило. Хотя ионные двигатели вряд ли помогут преодолеть притяжение Земли, они крайне эффективны в условиях невесомости.
НАСА и другие космические агентства уже использовали ионные двигатели на практике. Разработки велись десятилетиями, но их опасались применять в активных миссиях из-за слишком большого риска. В девяносто восьмом году НАСА запустило экспериментальную автоматическую межпланетную станцию “Дип Спэйс один”.
Целью полёта было испытать двенадцать образцов новых технологий, — электронику с низким энергопотреблением, солнечные концентраторы, различные научные приборы и солнечные электроракетные двигатели. Ионный двигатель станции проработал очень долго, позволив тщательно изучить несколько астероидов и комет и даже Марс. После успеха НАСА установило на новую станцию “Дон” целых три дополнительных ионных двигателя.
Это позволило ему выйти на орбиту астероида Веста, провести наблюдения, затем уйти с орбиты, направиться к карликовой планете Церэра и провести исследования там. И даже после этого у него ещё оставалось топливо.
Чтобы вы понимали, о чём мы говорим — “Дон” разгоняется с нуля.. до ста километров в час.. за четыре дня.. непрерывной работы. Ионные ускорители использовали на зонде “Смарт-один” при переходе с земной орбиты на лунную, а также в японской станции “Хаябуса”. Ионные двигатели прошли испытания на Земле и успешно проработали больше пяти лет без остановки.
Успешное применение технологии означает, что скоро мы увидим новые аппараты с ионными ускорителями, а сами двигатели будут становиться мощнее и эффективнее. Как я уже говорил, проблема ионных двигателей в слабой тяге, но это можно исправить.
Во-первых, можно значительно увеличить подачу электричества, используемого для разгона ионов. У НАСА была идея — вместо солнечных панелей прибегнуть к энергии ядерного реактора. Пятнадцать лет назад они готовили миссию по изучению больших ледяных спутников Юпитера. Ионный двигатель НЭКСИС с восемью ускорителями, работающий от ядерного реактора, должен был доставить аппарат к каждому из спутников: Ганимеду, Каллисто и Европе. Зонд хотели вывести на земную орбиту по частям,.. собрать его в космосе.. и отправить к Юпитеру.
По три месяца отводилось на изучение Каллисто и Ганимеда, затем аппарат вышел бы на конечную орбиту вокруг Европы. При удачном раскладе он также посетил бы орбиту Ио. Да,.. звучит слишком хорошо — миссию свернули ещё в две тысячи пятом.
Есть и другие способы улучшить двигатель. НАСА тестирует ионный ускоритель с высокой тягой — холловский двигатель “Экс-три”, настоящая ионная пушка, его тяга — пять и четыре ньютона.
Да, не много, но вспомните, мы имели дело с какими-то тысячными долями. Возможно, благодаря именно этой задумке, когда астронавтов отправят на Марс, их дорога займет всего несколько месяцев.
В восемнадцатом году планируются испытания продолжительностью в сто часов, на которых сравнят выносливость “Экс-три” с его собратьями.
Кстати, я тут узнал о такой классной штуке, как прямоточный ионный двигатель, который проектируют европейские инженеры. Аппарату не понадобятся баки с топливом… — находясь на низких орбитах, он сможет втягивать молекулы воздуха прямо из атмосферы, затем ионизировать и со всей силы.. выбрасывать из сОпла.
Поскольку запас солнечной энергии не ограничен,.. а топливом будет служить атмосфера, он сможет работать без дозаправки… целую вечность. Аппараты получат дополнительную мобильность, а траекторию орбитальных станций не придётся лишний раз корректировать. Это будет настоящий прорыв.
Технологию можно применять на Марсе, Венере и Титане — везде, где есть атмосфера. Ионные двигатели уже внесли свой вклад в исследования космоса, и в дальнейшем их будут использовать в аппаратах всё чаще. Возможно, именно ионный двигатель станет ключом к началу освоения Марса в ближайшие десятилетия. А что вы думаете? Пишите в комментариях.