Ионно-плазменные двигатели для космических спутников

Буквально на днях познакомился с информацией о том, что украинские ученые в ближайшие 5 лет намерены производить ионно-плазменные двигатели для космических спутников. 

Посмотрев видеоролик и короткое интервью с руководителем инновационного аэрокосмического кластера Виктором Поповым, которое записало Еспресо.TV на выставке "Оружие, безопасность, Авиамир" в Киеве, я решил более подробно разобраться в этой технологии. Но в начале об общей информации и о том, что сказал Виктор.

Для освоения космоса, вывода спутников на орбиту, полетов на Луну и Марс планируется использовать перспективные ионно-плазменные двигатели. В мире есть всего несколько компаний-разработчиков таких технологий, среди них — харьковские предприятия.

Как говорит автор разработки: «До этого для вывода спутников на геостационарные орбиты использовались жидкостные двигатели. Но они тяжелые, весят тонну. А ионно-плазменный двигатель вместо тонны весит 100 кг, следовательно, 1 до 10. Остальные 900 кг будет заменено аппаратурой».

Ионно-плазменный двигатель в десять раз меньше, чем обычный жидкостный ракетный двигатель и при этом способен работать в открытом космосе десятилетиями. Изготовление опытного образца уже на завершающем этапе.

«Мы ставим перед собой задачу реализовать в течение 3-4 лет, максимум 5-ти наладить серийное производство ионно-плазменных двигателей в Украине. С этого начнется время применения целого ряда ракетно-электрических двигателей в космосе, я бы так сказал», — отметил Попов.

Дело в том, что об ионных и плазменных двигателях известно уже давно, но это разные технологии отличающие друг от друга. Коротко напомню об этих технологиях.

Ионный двигатель

Еще в 1954 году американец, немецкого происхождения Эрнст Штулингер детально описал эту технологию, сопроводив её необходимыми вычислениями. Далее начиная с 70-х годов ХХ века и заканчивая 2010 годом в различных странах были разработаны и испытаны ионные двигатели на космических аппаратах, в качестве основного (маршевого) двигателя.

Принцип работы двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. При этом, благодаря высокому отношению заряда к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей (вплоть до 210 км/с по сравнению с 3—4,5 км/с у химических ракетных двигателей). Таким образом, в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса. Это позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа по сравнению с расходом реактивной массы в химических ракетах, но требует больших затрат энергии.

Ионный двигатель NSTAR

Ионный двигатель использует в качестве топлива ксенон или ртуть. В ионизатор подаётся топливо, которое само по себе нейтрально, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом, в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны. Положительные ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из двух или трёх сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против -225 вольт на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона.

Электроны, пойманные в катодную трубку, выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается, во-первых, для того, чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным, а во-вторых, чтобы ионы, «нейтрализованные» таким образом, не притягивались обратно к кораблю.

Недостаток двигателя в его нынешних реализациях — очень слабая тяга (порядка 50—100 миллиньютонов). Таким образом, нет возможности использовать ионный двигатель для старта с планеты, но, с другой стороны, в условиях невесомости, при достаточно долгой работе двигателя, есть возможность разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих видов двигателей.

Плазменный двигатель

Плазменный двигатель — электрический ракетный двигатель, рабочее тело которого приобретает ускорение, находясь в состоянии плазмы.

Существует множество типов плазменных двигателей. В настоящее время наиболее широкое распространение — в качестве двигателей для поддержания точек стояния геостационарных спутников связи — получили стационарные плазменные двигатели, идея которых была предложена российским ученым физиком Алексеем Морозовым в 1960-х гг. Первые лётные испытания состоялись в 1972 г. Плазменные двигатели не предназначены для вывода грузов на орбиту, и могут работать только в вакууме.

Плазменный ракетный двигатель

Принцип работы заключается в следующем. Инертный газ ксенон подается через металлический кольцевой анод с отверстиями в двустенную (кольцевую) керамическую газоразрядную камеру, на выходе которой установлен полый газоразрядный (работающий также на ксеноне) катод-компенсатор для эмиссии электронов. В керамической газоразрядной камере внутренний и наружный полюса электромагнита создают радиальное магнитное поле в несколько сотен Гаусс, нарастающее вдоль камеры и быстро спадающее за её пределами.

Если между анодом и катодом-компенсатором приложить постоянное напряжение в несколько сотен вольт, то в газоразрядном канале зажигается разряд и ксенон ионизируется, создавая плазму. Тяжёлые ионы ксенона ускоряются электрическим полем вдоль канала, почти не отклоняясь слабым магнитным полем, и набирают энергию несколько меньшую, чем приложенное напряжение. Электроны же, напротив, не могут свободно перемещаться вдоль канала, поскольку их ларморовский радиус очень мал. Впрочем, из-за коллективных процессов в плазме электроны всё же составляют небольшую часть разрядного тока. Основной же ток разряда переносят ионы ксенона. Поток ускоренных ионов, вылетающих из газоразрядной камеры, создаёт реактивную тягу двигателя. Вместе с ионами из плазменного двигателя уходит равный им по величине поток электронов из катода-компенсатора.

Возможно ли совместить эти две технологии и получить ионно-плазменный двигатель, способный поднять хотя бы 1 т в космос, преодолев земное притяжение и достигнуть те скоростные и временные характеристики преодолевая космическое пространство, как утверждает Виктор Попов, посмотрим. Пока мы видим только картинки и слышим слова.

Спасибо за прочтение. smileyЕсли вам понравилось, пожалуйста, поделитесь с друзьями и в комментариях черкните пару слов своего мнения