Освоение космоса: с чем едят ионные двигатели?

В научно-популярной литературе мне всегда было интересно читать статьи на тему освоения космоса. Да и в научной фантастике произведения на эту тему мною любимы более всего. Если нам не удастся расселиться за пределы Земли, смысла в существовании человеческой цивилизации будет не больше, чем в существовании динозавров. В самом деле — планете около 4 миллиардов лет, а разумному человечеству в лучшем случае около 100 тысяч. Если представить, что наша звезда с ее планетами — одна из триллионов звезд, составляющих нашу галактику (Млечный путь), а таких галактик во Вселенной еще больше, чем в нашей звезд… ну, Вы поняли. И здесь главным препятствием на пути к исследованию ближнего и дальнего космоса являются расстояния, отделяющие нас, землян, от всего остального.

Миссии по исследованию удаленных планет Солнечной системы занимают годы только на то, чтобы исследовательский аппарат долетел до своей цели. На пример, чтобы добраться до Сатурна, аппарту Cassini потребовалось около 8 лет (запущен в 1997, достиг планеты и ее лун в 2004) и он до сих пор продолжает работать. А ведь за несколько лет технический прогресс рождает все более совершенные устройства и то,что казалось вершиной достижений науки и техники еще вчера, через два года оказывается безнадежно устаревшим. В общем, проблема преодоления огромных расстояний будет актуальной всегда и здесь намечается нечто интересное.

Одним из перспективных устройств, обеспечивающих перемещение космических летательных аппаратов непосредственно в космосе считаются ионные двигатели. Есть и другие перспективные технологии, но именно ионные двигатели получили более-менее широкое распространение на всех типах космических аппаратов — от спутников связи на низких земных орбитах до дальних исследовательских зондов.
Что же представляет из себя ионный двигатель? Если коротко, принцип его работы выглядит так: рабочее тело (как правило, инертный газ) ионизируется под воздействием электрического поля либо радиоволн. Полученные ионы (положительно заряженные частицы) затем разгоняются в сопле электростатическим либо электромагнитным способом. Струя вырывающихся из сопла ионов и создает тягу в ионном двигателе. По скольку такая реактивная струя в чистом виде представляла бы из себя поток необычайно активных положительно заряженных частиц (ионов), это привело бы к быстрому разрушению материала как сопла, так и корабля. Для предотвращения такого разрушения (ионной коррозии) в струю добавляют электроны (отрицательно заряженные частицы) так, чтобы на выходе она имела нейтральный заряд. Конструкция в сборе и представляет из себя ионный двигатель, отличаясь разными способами получения и ускорения ионов и электронов. Ах, да — всем двигателям, не зависимо от их конструкции, нужен очень мощный источник электроэнергии.

По сути, ионный двигатель представляет из себя устройство по преобразованию электрической энергии в кинетическую. И здесь мы наблюдаем интересную картину — потребляя в постоянном режиме 25 кВт электрической мощности, советские ионные двигатели развивали максимальную тягу приблизительно в 95 грамм! Американские при мощности потребления от 2 до 20 кВт — от 9 до 40 грамм! Понятно, что толкать многотонные аппараты с усилием в 10 грамм даже в условиях невесомости и вакуума можно очень долго, а 2 кВт это не мало.

В целом, ионные двигатели рассчитаны на длительную непрерывную работу неделями, месяцами и даже годами, обеспечивая постоянное ускорение аппарата. Скажем, двигатель аппарата Dawn способен ускорить его от 0 до 97 км/ч за…4 дня. Но зато в следующие 4 дня скорость возрастет до 194 км/ч и так пока не кончится источник ионов — рабочее тело, либо источник электроэнергии.

Чтобы долететь до ближайшего к нам Марса последнему аппарату (NASA Phoenix Mars lander) потребовалось чуть менее года. А новый тип ионного двигателя от американской компании Ad Astra Rocket обещает нам покрыть это расстояние за 39 дней! Правда, ценой энергозатрат примерно до 20 МВт/час! Двадцать мегаватт электроэнергии на борту космического корабля уже сами по себе звучат внушительно. Пока, правда, компания испытала прототип своего нового двигателя с потребляемой мощностью 201 кВт и максимальной тягой 500 грамм. Простое соотношение потребления мощности к тяге показывает, что двигатель принципиального прорыва не обещает, но вот возможность использования такой мощности в одном устройстве, а также ряд конструктивных особенностей делают его интересным.

Ионный двигатель нового типа VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) работает по принципу ускорения ионизированного газа (аргона) в магнитном поле, или проще — ускоряет плазму. При этом сама плазма получается в воздействием на газ радиоволн — примерно как в микроволновой печи. Полученная плазма удерживается и ускоряется в магнитных ловушках. Это исключает ее контакт с материальными частями двигателя и корабля: струя плазмы контактирует только с магнитными полями, что резко уменьшает ионную (плазменную) эрозию. Преимущества двигателя в дешевизне рабочего тела — газа аргона и потенциально неограниченной потребляемой электрической мощности — сколько есть на борту, всю можно пустить на генерацию и разгон плазмы. Вариант двигателя в 201 кВт расходует 30 кВт на создание плазмы и 150 на ее разгон… остальное идет на работу магнитов и других систем двигателя.

Перспектива этого двигателя лежит в его масштабируемости — можно делать как маломощные движки на десятки или сотни киловатт, так и мощные двигатели на десятки мегаватт для межпланетных летательных аппаратов. При этом вес двигателя составляет примерно 1.5 кг на кВт, а вес рабочего тела — сотые доли от веса ракетного топлива, потребовавшегося бы для перемещения на расстояние от Земли до Марса. Запаса «бака с горючим» весом в 425 кг ему хватит на 2100 дней работы на средней мощности ускорения. Меньший вес означает больше полезной нагрузки и научного оборудования, длительное время работы — более высокую скорость и дальность полета.

NASA уже заказало пробные образцы для установки на МКС, а ты? для выполнения операций по коррекции орбиты станции. В дальнейших планах — доставка грузов с орбиты Земли на орбиту Луны. Правда вопрос — где взять 20 МВт электроэнергии на борту космического корабля остается открытым. Атомные реакторы на космических кораблях могли бы предоставить такую мощность, но из-за страха перед зелеными врагами человечества (зелеными человечками??!!) ни один действительно ядерный реактор в космос не полетел. Кстати, не понимаю, почему бы не использовать в космосе небольшие реакторы по типу тех, что используются в атомных подводных лодках, авианосцах, крейсерах? За 50 лет эксплуатации сотен таких установок флотами мировых государств на боевых и коммерческих кораблях не было ни одной серьезной утечки или аварии. А ведь море — оно не космос, там волны, и акулы, и можно утонуть…И еще ни разу не слышал о зеленых, протестующих против атомных авианосцев или ракетных крейсеров.

В общем, ионные двигатели едят с ядерными реакторами.