До Марса за две недели: инженеры NASA испытали новый ионный двигатель — видео

НАСА

Ученые из Мичиганского университета в сотрудничестве с ВВС США и НАСА вывели на новый уровень ионный двигатель X3, который, в теории, сможет доставить человека на Марс за две недели, рассказывает ресурс High Tech со ссылкой на Space.com.

Отмечается, что в исследовательском центре NASA Glenn в Огайо исследователи Мичиганского университета смогли увеличить максимальную мощность ионного двигателя X3 (разновидность двигателя Холла) до 100 кВт, что является рекордом для данного типа.

"Мы показали, что X3 может работать с мощностью более 100 кВт, — говорит руководитель проекта Алек Галлимор. — Он работал с огромным диапазоном мощности от 5 кВт до 102 кВт с электрическим током до 260 ампер. Он генерировал 5,4 ньютона тяги, что является самым высоким уровнем тяги, достигнутым любым плазменным двигателем на сегодняшний день".

Предыдущий рекорд составляет 3,3 ньютона.

Ионные двигатели используют электричество, обычно генерируемое солнечными батареями или газовым топливом, для вытеснения плазмы — газоподобного облака заряженных частиц — из сопла, создавая таким образом тягу. По данным NASA, такой метод тяги способен разогнать космический корабль гораздо быстрее, чем химические двигатели: максимальная скорость химических ракет составляет 5 км/с, тогда как двигатель Холла способен достичь скорости в 40 км/с. Это означает, что корабль с таким двигателем может долететь до Марса за две недели, при условии, что он стартует, когда расстояние между нашими планетами будет минимальным — 56 млн км.

По словам Галлимора, ионные двигатели к тому же более экономичны и требуют меньше топлива, если пропеллентом выступает газ — вроде ксенона — а не солнечные батареи. Исследовательский зонд NASA ­— Dawn, который вышел недавно на орбиту карликовой планеты Церес — как раз использует ионный двигатель на базе ксенона.

Недостаток ионного двигателя кроется в слабой тяге: чтобы разогнать корабль, ему нужно работать довольно длительное время. Иными словами, ионные космические аппараты долго разгоняются и пока не способны преодолеть гравитационное притяжение Земли. По этой причине его нельзя использовать на Земле — только в космосе.

Нынешние ионные электрические установки, доступные на рынке, создают тягу всего в 3-4 кВт, тогда как для отправки человека на Марс нужны более мощные установки, способные достичь мощности в 500 кВт или даже 1 МВт.

Ученые надеются, что X3, который сейчас вышел только на уровень 100 кВт, в течение ближайших 20 лет сможет справиться с этой задачей. Особенностью X3 также является его конструкция — вместо одного канала для выхода плазмы он использует три. Это позволило уменьшить размеры двигатели, сохранив при этом показатели мощности.

В следующем году команда ученых проведет еще один больший тест, задачей которого будет выяснить, сможет ли ионный двигатель малой тяги проработать 100 часов подряд. Галлимор сообщил, что инженеры также разрабатывают специальную магнитную экранирующую систему, которая должна защитить стенки двигателя от повреждения плазмой. Предполагается, что без нее X3 столкнется с поломками уже через несколько тысяч часов. Экран же позволит двигателю работать на полную мощность несколько лет.

Двигатель X3 станет центральной частью электрической силовой установки XR-100, которую разрабатывает Aerojet Rocketdyne для программы NextSTEP.

Принцип действия

Как уже говорилось в общих фразах выше, принцип работы двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. Благодаря высокому отношению заряда к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей. Называются даже цифры до 210 км/с, что в 40 раз выше 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. В то же время это требует больших затрат энергии.

Механизм работы двигателя таков: в ионизатор подаётся топливо (ксенон или ртуть), 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 в соответствии с третьим законом 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.

Как уже было сказано, недостаток двигателя в его нынешних реализациях — очень слабая тяга. Таким образом, нет возможности использовать ионный двигатель для старта с планеты. С другой стороны, в условиях невесомости, ипри достаточно долгой работе двигателя есть возможность разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих видов двигателей. Ионные двигатели используют повышенные напряжения, обладают более сложной схемой и конструкцией, что усложняет решение задачи обеспечения высокой надёжности и электрической прочности двигателя.

Действующая модель ионного двигателя, действующая на основе отбрасывания заряженных ионов воздуха с проводящего острия под высоким напряжением, может быть создана в домашних условиях.

В настоящее время ионные двигатели применяют для управления ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли, некоторые из которых оснащены десятками маломощных ионных двигателей. Используются они и в качестве главного тягового двигателя небольших автоматических космических станций.

История двигателя

Ионный двигатель является первым хорошо отработанным на практике типом электрического ракетного двигателя. Концепция ионного двигателя была выдвинута в 1917 году Робертом Годдардом, а в 1954 году Эрнст Штулингерruen детально описал эту технологию, сопроводив её необходимыми вычислениями.

Первый функционирующий ионный электростатический двигатель был создан в США в NASA John H. Glenn Research Center at Lewis Field. В 1964 году прошла первая успешная демонстрация ионного двигателя в суборбитальном полёте: двигатель успешно работал в течение запланированной 31 минуты. В 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе.

В качестве основного — маршевого — двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1 в 1998 году. Следующими аппаратами стали запущенные в 2003 году аппараты — европейский лунный зонд Смарт-1, а также японский аппарат Хаябуса, запущенный к астероиду Итокава.

Следующим аппаратом NASA, обладающим маршевыми ионными двигателями, стала вышеупомянутая АМС Dawn, которая стартовала 27 сентября 2007 года. Dawn предназначен для изучения Весты и Цереры. Он несёт три двигателя NSTAR, успешно испытанных на Deep Space 1.

Европейское Космическое Агентство установило ионный двигатель на борту спутника GOCE, запущенного 17 марта 2009 года на сверхнизкую околоземную орбиту высотой около 260 км. Ионный двигатель создаёт в постоянном режиме импульс, компенсирующий атмосферное трение и другие негравитационные воздействия на спутник.

Теперь ЕКА планирует использовать ионный двигатель в этой меркурианской миссии, наряду с гравитационными манёврами и химическим двигателем для перехода на орбиту вокруг Меркурия в качестве искусственного спутника.

Подпишитесь сейчас на страницу Newsader в Facebook: жмите кнопку "Нравится"

Новая возможность: Подпишитесь на канал Newsader в TELEGRAM и знакомьтесь с нашими материалами еще более оперативно!
Новости по теме