В космос без топлива — 3 двигателя будущего — Наука и технологии

Фотонный космический транспорт — Posrednik CG

«- Давно летаешь на фотонных ракетах?
Вместо ответа я отвернул лацкан куртки, показывая ему медаль, на которой было выгравировано «Сто световых лет».
А. КОЛПАКОВ «Гриада».

Фотонный двигатель – это реактивный двигатель, тяга которого создается за счет истечения квантов электромагнитного излучения или фотонов. Главным преимуществом такого двигателя является максимально-возможная в рамках релятивистской механики скорость истечения, равная скорости света в вакууме.

Если найти условную точку центра Солнечной системы, то более десятка ближайших к нам звёзд расположатся в сфере радиусом в одиннадцать световых лет. Фотонные звездолёты, относящиеся к классу субсветовых, позволили бы их экипажам достичь этих звёзд, исследовать их системы и вернуться обратно в течение жизни одного поколения.

Немецкий теоретик ракетной техники Э. Зенгер (1905-1964) ещё перед второй мировой войной высказал принципиальную идею двигателя с фотонной тягой. В основу идеи легли две фантастические предпосылки: изобретение «абсолютного зеркала», способного отражать и фокусировать кванты света сразу всех длин волн, а также гамма-лучи; получение энергоносителя в виде антиматерии. Книга Э. Зенгера «Механика фотонных ракет» была переведена на русский язык и вышла в свет в 1956 году.

Однако в романе О. СТЭПЛДОНА «Последние и первые люди» (1930) уже было дано первое в мировой литературе подробное и научно правдоподобное описание космического корабля на аннигиляционном двигателе. Хотя сам автор идеи был философом и не считал себя фантастом.

С тех пор «классическим» считается фотонный звездолет, состоящий из жесткого, укрепленного силовым каркасом параболического зеркала, соединенного длинной фермой с жилыми отсеками, складами и лабораториями. Ёмкости с антивеществом и веществом размещены на внешней поверхности зеркала. Соотношение размеров этих емкостей и корабля в целом позволяет предположить, что это объект не столько конструкторского, сколько художественного творчества.

Практически все известные и даже запатентованные компоновки фотонных звездолетов не учитывают того обстоятельства, что, по объективным расчётам, масса запасаемого на них антивещества (и вообще рабочего тела) должна в десятки и сотни раз превышать массу самой конструкции корабля.

Относительно подходящего топлива для фотонного двигателя в фантастике отразились альтернативные мнения. К фотонному космическому транспорту по основным характеристикам весьма близки анамнезонные звездолёты из романа И. ЕФРЕМОВА «Туманность Андромеды». Однако анамнезон – это обычное вещество с разрушенными связями между элементарными частицами. Следовательно, оно более компактно, чем вещество, и не требует особой защитной оболочки для хранения, как антивещество. Два маленьких плюса по сравнению с одним гигантским минусом: запасы анамнезона в дорогу по своему объёму сравнятся с объёмом небольшой планеты.

Зато ЕФРЕМОВ проработал одну важную деталь, которой большинство фантастов пренебрегает: запуск звездолёта, вид изнутри.

«Пел Лин передвинул рукоятку анамезонных двигателей. Четыре высоких цилиндра из нитрида бора, видимые в специальную прорезь пульта, засветились изнутри. Яркое зелёное пламя забилось в них бешеной молнией, заструилось и закрутилось четырьмя плотными спиралями. Там, в носовой части корабля, сильное магнитное поле облекло стенки моторных сопел, спасая их от немедленного разрушения.

Астронавигатор передвинул рукоять дальше. Сквозь зелёную вихревую стенку стал виден направляющий луч — сероватый поток К-частиц. Ещё движение, и вдоль серого луча прорезалась ослепительная фиолетовая молния — сигнал, что анамезон начал своё стремительное истечение…».

Соло Хан, по сравнению со своим коллегой, напоминает тракториста с рычагами управления, а многие прочие персонажи походят на лифтёров, пользующихся набором кнопок…

Доработка первоначальной идеи Э. Зенгера обнаруживается в повести братьев Стругацких «Путь на Амальтею», где фантасты пользуются определением «фотонный». Но вновь, как и в романе И. ЕФРЕМОВА, конструкции «фотонных грузовиков» не несут в себе никакого антивещества! Это не случайно. Главным недостатком фотонного двигателя является низкий КПД цепочки преобразования энергии от первичного источника до струи фотонов. Для прямого получения оптических квантов и гамма-квантов А. и Б. Стругацкие попросту заменили антивещество на дейтериево-тритиевую плазму. Эта идея не с потолка! В 1950 году академики А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм предложили использовать магнитное поле для удержания плазмы. Магнитное поле ограничивает движение заряженных частиц высокотемпературной плазмы и термоизолирует ее от стенок камеры, в которой она создается.

Направленная реактивная тяга в повестях «Путь на Амальтею» и «Стажёры» случаях создаётся гигантским сферическим зеркалом, каждый сантиметр которого должен ежесекундно отражать количество тепла, достаточное, чтобы выплавить несколько тонн стали.

«Отражатель – самый главный и самый хрупкий элемент фотонного привода, гигантское параболическое зеркало, покрытое пятью слоями сверхстойкого мезовещества. В зарубежной литературе отражатель часто называют «сэйл» — парус. В фокусе параболоида ежесекундно взрываются, превращаясь в излучение, миллионы порций дейтериево-тритиевой плазмы. Поток бледно-лиловатого пламени бьёт в поверхность отражателя и создаёт силу тяги. При этом в слое мезовещества возникают исполинские перепады температур и мезовещество постепенно – слой за слоем – выгорает.

Кроме того, отражатель непрерывно разъедается метеоритной коррозией. И если при включённом двигателе отражатель разрушится у основания, там, где к нему примыкает толстая труба фотореактора, корабль превратится в мгновенную бесшумную вспышку. Поэтому отражатели фотонных кораблей меняют через каждые сто астрономических единиц полёта. Поэтому контролирующая система непрерывно замеряет состояние рабочего слоя по всей поверхности отражателя» (А. и Б. СТРУГАЦКИЕ «Путь на Амальтею»).

Необходимость частых капитальных ремонтов зеркал позволяет использовать фотонные грузовики и лайнеры только на межпланетных трассах Солнечной системы. Строительство фотонного звездолёта (проект «Хиус-Молния») находится ещё на начальной стадии, а затем, видимо, и вовсе прекращается, поскольку в мире Полдня, найден способ движения в гиперпространстве. Фотонный космический транспорт морально устаревает…

Его недолгий гипотетический расцвет пришёлся на тот период отечественной фантастики, когда широкого знакомства с англоязычной фантастикой в СССР ещё не состоялось, зато активно творил Г. МАРТЫНОВ. Да и у того в романе «Гость из бездны» находим такие строки: «Первая фотонная ракета – «Ленин», казавшаяся сейчас архаическим пережитком, покинула Солнечную систему восемнадцать веков тому назад, в начале двадцать первого века христианской веры. Первые одиннадцать звездолётов были фотонными, и, точно в музее истории космических перелётов в пространстве находились корабли всевозможных конструкций – живая история звездолётостроения за последние восемнадцать столетий».

Одиннадцать фотонных звездолётов, построенных друг за другом… Вряд ли все они относились к единой типовой конструкции. Исходя из творческой натуры любого настоящего конструктора, можно предполагать, что каждая последующая модель звездолёта данного типа должна нести в себе некие новые технические доработки и решения. Драматическим был, видимо, отказ от технического детища, лелеемого на протяжении многих веков. За рамками романа остались некоторые вариации фотонных звездолётов, какие теоретически могли быть опробованы при постановке различных исследовательских задач. К примеру, на ближних межпланетных трассах могло быть опробование использования электромагнитных квантов из диапазона более длинных волн («радиодвигатель»). «Радиодвигатель» значительно упрощает задачу фокусировки «реактивной струи», но резко снижает КПД всего движительного комплекса.

«…Квантовая ракета — то же, что и фотонная, но вместо фотонов она отбрасывает кванты невидимого света (например, ультракороткие радиоволны)» – пояснял А. КОЛПАКОВ в романе «Гриада».

Существуют несколько вариантов компоновок фотонных звездолетов, предполагающих использование в качестве рабочего тела вещества окружающего пространства. Это позволяет вдвое (а при возможности производства антивещества на борту – и более) сократить бортовые запасы, но требует создания электромагнитных (или других полевых) массозаборников диаметром несколько десятков тысяч километров.

Читайте также:  Восстановить КБМ по ОСАГО после замены прав в 2020 году

Очевидный вариант представляет собой соединенные направленными друг к другу остриями воронки жестких частей массозаборника и сопла-зеркала с расположенными на них электромагнитами, создающими полевые продолжения того и другого. В местах их соединения расположены обитаемые отсеки, энергоустановка, хранилище антивещества.

Ряд учёных полагает, что как для сбора окружающего вещества, так и для фокусировки пучка фотонов с использованием газового или пылевого зеркала, достаточно соленоида, состоящего из одного витка, расположенного в плоскости, перпендикулярной направлению полета. Звездолет при этом может иметь форму более или менее обтекаемого симметричного относительно центральной оси тела, окруженного токовым кольцом на пилонах, либо диска, с расположением токопровода по периметру. В случае использования в качестве «реактивной струи» электромагнитных волн радиодиапазона звездолет может представлять собой, например, коническую ферму, на вершине которой разместится отсек экипажа, по периметру основания – генераторы радиоволн и энергоблоки. Технологические трудности, которые придётся преодолеть при реализации всех представленных проектов, неимоверны.

И всё же идею фотонного космического транспорта рановато списывать как безнадёжную. Действительно, серьёзную проблему представляет необходимость охлаждать зеркало. О фантастическом мезовеществе, конечно, приходится пока только мечтать. Зато гораздо ближе к реальности сверхпроводники, благодаря которым возникающие микротоки не будут встречать сопротивления, а стало быть, перегрев будет минимальным.

По сведениям, промелькнувшим в авторитетном источнике, антивещество может быть заменено на водородную плазму, получаемую при взаимодействии атомов водорода с антипротонами. А первоочередные астроинженерные задачи будут поставлены не где-то в созвездии Волопаса, а гораздо ближе, в пределах доступности космического транспорта новых поколений.

7 космических двигателей будущего

Современные ракетные двигатели неплохо справляются с задачей выведения техники на орбиту, но совершенно непригодны для длительных космических путешествий. Поэтому уже не первый десяток лет ученые работают над созданием альтернативных космических двигателей, которые могли бы разгонять корабли до рекордных скоростей. Давайте рассмотрим семь основных идей из этой области.

EmDrive

Чтобы двигаться, надо от чего-то оттолкнуться – это правило считается одним из незыблемых столпов физики и космонавтики. От чего конкретно отталкиваться – от земли, воды, воздуха или реактивной струи газа, как в случае ракетных двигателей, – не так важно.

Хорошо известен мысленный эксперимент: представьте, что космонавт вышел в открытый космос, но трос, связывающий его с кораблем, неожиданно порвался и человек начинает медленно улетать прочь. Все, что у него есть, – это ящик с инструментами. Каковы его действия? Правильный ответ: ему нужно кидать инструменты в сторону от корабля. Согласно закону сохранения импульса, человека отбросит от инструмента ровно с той же силой, с какой и инструмент от человека, поэтому он постепенно будет перемещаться по направлению к кораблю. Это и есть реактивная тяга – единственный возможный способ двигаться в пустом космическом пространстве. Правда, EmDrive, как показывают эксперименты, имеет некоторые шансы это незыблемое утверждение опровергнуть.

Создатель этого двигателя – британский инженер Роджер Шаер, основавший собственную компанию Satellite Propulsion Research в 2001 году. Конструкция EmDrive весьма экстравагантна и представляет собой по форме металлическое ведро, запаянное с обоих концов. Внутри этого ведра расположен магнетрон, излучающий электромагнитные волны, – такой же, как в обычной микроволновке. И его оказывается достаточно, чтобы создавать очень маленькую, но вполне заметную тягу.

Сам автор объясняет работу своего двигателя через разность давления электромагнитного излучения в разных концах «ведра» – в узком конце оно меньше, чем в широком. Благодаря этому создается тяга, направленная в сторону узкого конца. Возможность такой работы двигателя не раз оспаривалась, но во всех экспериментах установка Шаера показывает наличие тяги в предполагаемом направлении.

В числе экспериментаторов, опробовавших «ведро» Шаера, такие организации, как NASA, Технический университет Дрездена и Китайская академия наук. Изобретение проверяли в самых разных условиях, в том числе и в вакууме, где оно показало наличие тяги в 20 микроньютонов.

Это очень мало относительно химических реактивных двигателей. Но, учитывая то, что двигатель Шаера может работать сколь угодно долго, так как не нуждается в запасе топлива (работу магнетрона могут обеспечивать солнечные батареи), потенциально он способен разгонять космические корабли до огромных скоростей, измеряемых в процентах от скорости света.

Чтобы полностью доказать работоспособность двигателя, необходимо провести еще множество измерений и избавиться от побочных эффектов, которые могут порождаться, к примеру, внешними магнитными полями. Однако уже выдвигаются и альтернативные возможные объяснения аномальной тяги двигателя Шаера, которая, в общем-то, нарушает привычные законы физики.

К примеру, выдвигаются версии, что двигатель может создавать тягу благодаря взаимодействию с физическим вакуумом, который на квантовом уровне имеет ненулевую энергию и заполнен постоянно рождающимися и исчезающими виртуальными элементарными частицами. Кто в итоге окажется прав – авторы этой теории, сам Шаер или другие скептики, мы узнаем в ближайшем будущем.

Солнечный парус

Как говорилось выше, электромагнитное излучение оказывает давление. Это значит, что теоретически его можно преобразовывать в движение – например, с помощью паруса. Аналогично тому, как корабли прошлых веков ловили в свои паруса ветер, космический корабль будущего ловил бы в свои паруса солнечный или любой другой звездный свет.

Проблема, однако, в том, что давление света крайне мало и уменьшается с увеличением расстояния от источника. Поэтому, чтобы быть эффективным, такой парус должен иметь очень малый вес и очень большую площадь. А это увеличивает риск разрушения всей конструкции при встрече с астероидом или другим объектом.

Попытки строительства и запуска солнечных парусников в космос уже имели место – в 1993 году тестирование солнечного паруса на корабле «Прогресс» провела Россия, а в 2010 году успешные испытания по пути к Венере осуществила Япония. Но еще ни один корабль не использовал парус в качестве основного источника ускорения. Несколько перспективнее в этом отношении выглядит другой проект – электрический парус.

Электрический парус

Солнце излучает не только фотоны, но также и электрически заряженные частицы вещества: электроны, протоны и ионы. Все они формируют так называемый солнечный ветер, ежесекундно уносящий с поверхности светила около одного миллиона тонн вещества.

Солнечный ветер распространяется на миллиарды километров и ответственен за некоторые природные явления на нашей планете: геомагнитные бури и северное сияние. Земля от солнечного ветра защищается с помощью собственного магнитного поля.

Солнечный ветер, как и ветер воздушный, вполне пригоден для путешествий, надо лишь заставить его дуть в паруса. Проект электрического паруса, созданный в 2006 году финским ученым Пеккой Янхуненом, внешне имеет мало общего с солнечным. Этот двигатель состоит из нескольких длинных тонких тросов, похожих на спицы колеса без обода.

Благодаря электронной пушке, излучающей против направления движения, эти тросы приобретают положительный заряженный потенциал. Так как масса электрона примерно в 1800 раз меньше, чем масса протона, то создаваемая электронами тяга не будет играть принципиальной роли. Не важны для такого паруса и электроны солнечного ветра. А вот положительно заряженные частицы – протоны и альфа-излучение – будут отталкиваться от тросов, создавая тем самым реактивную тягу.

Читайте также:  Запотела фара 5 легких способов избавиться от влаги не снимая фары

Хотя эта тяга будет примерно в 200 раз меньше, чем таковая у солнечного паруса, проект заинтересовал Европейское космическое агентство. Дело в том, что электрический парус гораздо проще сконструировать, произвести, развернуть и эксплуатировать в космосе. Кроме того, с помощью гравитации парус позволяет также путешествовать к источнику звездного ветра, а не только от него. А так как площадь поверхности такого паруса гораздо меньше, чем у солнечного, то для астероидов и космического мусора он уязвим куда меньше. Возможно, первые экспериментальные корабли на электрическом парусе мы увидим уже в следующие несколько лет.

Ионный двигатель

Поток заряженных частиц вещества, то есть ионов, излучают не только звезды. Ионизированный газ можно создать и искусственно. В обычном состоянии частицы газа электрически нейтральны, но, когда его атомы или молекулы теряют электроны, они превращаются в ионы. В общей своей массе такой газ все еще не имеет электрического заряда, но его отдельные частицы становятся заряженными, а значит, могут двигаться в магнитном поле.

В ионном двигателе инертный газ (обычно используется ксенон) ионизируется с помощью потока высокоэнергетических электронов. Они выбивают электроны из атомов, и те приобретают положительный заряд. Далее получившиеся ионы ускоряются в электростатическом поле до скоростей порядка 200 км/с, что в 50 раз больше, чем скорость истекания газа из химических реактивных двигателей. Тем не менее современные ионные двигатели обладают очень маленькой тягой – около 50–100 миллиньютонов. Такой двигатель не смог бы даже сдвинуться со стола. Но у него есть серьезный плюс.

Большой удельный импульс позволяет значительно сократить расходы топлива в двигателе. Для ионизации газа используется энергия, полученная от солнечных батарей, поэтому ионный двигатель способен работать очень долго – до трех лет без перерыва. За такой срок он успеет разогнать космический аппарат до скоростей, которые химическим двигателям и не снились.

Ионные двигатели уже не раз бороздили просторы Солнечной системы в составе различных миссий, но обычно в качестве вспомогательных, а не основных. Сегодня как о возможной альтернативе ионным двигателям все чаще говорят про двигатели плазменные.

Плазменный двигатель

Если степень ионизации атомов становится высокой (порядка 99%), то такое агрегатное состояние вещества называется плазмой. Достичь состояния плазмы можно лишь при высоких температурах, поэтому в плазменных двигателях ионизированный газ разогревается до нескольких миллионов градусов. Разогрев осуществляется с помощью внешнего источника энергии – солнечных батарей или, что более реально, небольшого ядерного реактора.

Горячая плазма затем выбрасывается через сопло ракеты, создавая тягу в десятки раз большую, чем в ионном двигателе. Одним из примеров плазменного двигателя является проект VASIMR, который развивается еще с 70-х годов прошлого века. В отличие от ионных двигателей, плазменные в космосе еще испытаны не были, но с ними связывают большие надежды. Именно плазменный двигатель VASIMR является одним из основных кандидатов для пилотируемых полетов на Марс.

Термоядерный двигатель

Укротить энергию термоядерного синтеза люди пытаются с середины ХХ века, но пока что сделать это так и не удалось. Тем не менее управляемый термоядерный синтез все равно очень привлекателен, ведь это источник громадной энергии, получаемой из весьма дешевого топлива – изотопов гелия и водорода.

В настоящий момент существует несколько проектов конструкции реактивного двигателя на энергии термоядерного синтеза. Самой перспективной из них считается модель на основе реактора с магнитным удержанием плазмы. Термоядерный реактор в таком двигателе будет представлять собой негерметичную цилиндрическую камеру размером 100–300 метров в длину и 1–3 метра в диаметре. В камеру должно подаваться топливо в виде высокотемпературной плазмы, которая при достаточном давлении вступает в реакцию ядерного синтеза. Располагающиеся вокруг камеры катушки магнитной системы должны удерживать эту плазму от контакта с оборудованием.

Зона термоядерной реакции располагается вдоль оси такого цилиндра. С помощью магнитных полей экстремально горячая плазма проистекает через сопло реактора, создавая огромную тягу, во много раз большую, чем у химических двигателей.

Двигатель на антиматерии

Все окружающее нас вещество состоит из фермионов – элементарных частиц с полуцелым спином. Это, к примеру, кварки, из которых состоят протоны и нейтроны в атомных ядрах, а также электроны. При этом у каждого фермиона есть своя античастица. Для электрона таковой выступает позитрон, для кварка – антикварк.

Античастицы имеют ту же массу и тот же спин, что и их обычные «товарищи», отличаясь знаком всех остальных квантовых параметров. Теоретически античастицы способны составлять антивещество, но до сих пор нигде во Вселенной антивещество зарегистрировано не было. Для фундаментальной науки является большим вопросом, почему его нет.

Но в лабораторных условиях можно получить некоторое количество антивещества. К примеру, недавно был проведен эксперимент по сравнению свойств протонов и антипротонов, которые хранились в магнитной ловушке.

При встрече антивещества и обычного вещества происходит процесс взаимной аннигиляции, сопровождаемый выплеском колоссальной энергии. Так, если взять по килограмму вещества и антивещества, то количество выделенной при их встрече энергии будет сопоставимо со взрывом «Царь-бомбы» – самой мощной водородной бомбы в истории человечества.

Причем значительная часть энергии при этом выделится в виде фотонов электромагнитного излучения. Соответственно, возникает желание использовать эту энергию для космических перемещений путем создания фотонного двигателя, похожего на солнечный парус, только в данном случае свет будет генерироваться внутренним источником.

Но чтобы эффективно использовать излучение в реактивном двигателе, необходимо решить задачу создания «зеркала», которое было бы способно эти фотоны отразить. Ведь кораблю каким-то образом надо оттолкнуться, чтобы создать тягу.

Никакой современный материал попросту не выдержит рожденного в случае подобного взрыва излучения и моментально испарится. В своих фантастических романах братья Стругацкие решили эту проблему путем создания «абсолютного отражателя». В реальной жизни ничего подобного пока сделать не удалось. Эта задача, как и вопросы создания большого количества антивещества и его длительного хранения, – дело физики будущего.

Ионная тяга: как человечество использует электрические двигатели для полетов в космос

Ионный двигатель является если не самым перспективным электрическим космическим двигателем, то точно одним из самых используемых сегодня в отрасли. «Хайтек» рассказывает, как работают ионные двигатели, зачем их используют и при чем тут Константин Циолковский.

Сейчас на околоземной орбите находятся тысячи искусственных спутников, выведенных туда гигантскими (или не очень) ракетами-носителями с мощными реактивными двигателями на химическом топливе. Пока человечество не смогло придумать альтернативу таким двигателям, поскольку для преодоления гравитации Земли и развития первой космической скорости необходима мощная тяга: ее могут дать только обычные двигатели.

При этом уже в космосе спутники используют другой тип двигателей — электрические. Самым используемым является ионный двигатель — устройство, принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.

Типы электрических и альтернативных двигателей:

  • Ионные и плазменные накопители

Тип реактивного двигателя, который использует электрическую энергию для получения тяги от топлива: ионизированного газа. Многие из таких спутников не имеют ракетные сопла.

Читайте также:  Дворники на ВАЗ 2110 поломки, ремонт своими руками, размеры щеток LuxVAZ

Электродвигатели для космических кораблей могут быть сгруппированы в три семейства в зависимости от типа силы, используемой для ускорения ионов плазмы: электростатический (собственно, классический ионный двигатель), электротермический (в них электромагнитные поля используются для генерации плазмы, что приводит к повышению температуры топлива, а тепловая энергия, передаваемая газообразному топливу, преобразуется в кинетическую) и электромагнитный (или плазменный, тут ионы ускоряются путем воздействия электромагнитных полей, как правило, земного и искусственного у аппарата).

Это электрические двигатели, также использующие нехимическую энергию для своей работы, однако работающие по другим принципам, нежели ионные. Например, фотонный двигатель, позволяющий космическому кораблю перемещаться на энергии фотонов. Гипотетически так смогут работать космические аппараты, управляемые лазерными сигналами с Земли или Луны.

К этой же категории относятся эксперименты по созданию так называемого электродинамического троса, когда спутник может выбрасывать вокруг себя длинные металлические нити с разными электрическими зарядами.

Сейчас ученые разрабатывают еще несколько гипотетических видов двигателей, которые в будущем смогут давать энергию для движения космических спутников: вакуумный двигатель, двигатель внутренних радиочастот и устройство, которое будет брать энергию от полей самых маленьких частиц, например, бозонов. Работоспособность всех этих гипотез пока не доказана с точки зрения физики.

Первым человеком, который еще в 1911 году публично предложил идею создания ионного двигателя, стал российский и советский ученый, пионер космонавтики Константин Циолковский. При этом первый документ, в котором упоминается электрическая тяга для движения космических объектов, был за авторством другого пионера космонавтики, американского ученого Роберта Годдарда.

6 сентября 1906 года Годдард писал в своем дневнике, что сможет использовать энергию ионов для работы двигателей. Первые эксперименты с ионными двигателями были проведены Годдардом в Университете Кларка в 1916 году. В итоге ученый заявил, что сможет использовать их в полноценном формате только в условиях, приближенных к вакууму, тогда как в рамках тестирования их показывали при атмосферном давлении Земли.

Первый работающий ионный двигатель был построен инженером НАСА Горальдом Кауфманом только в 1959 году. В качестве топлива, в отличие от современных аналогичных двигателей, которые перерабатывают ионы газа ксенона, он использовал ртуть. Суборбитальные испытания двигателя прошли в 1964 году, когда в космос на ракете-разведчике был запущен научный зонд Sert 1 — первое в истории устройство, использующее конструкцию ионного двигателя в космосе. В 70-х годах США провели ряд повторных испытаний этой технологии.

Принцип работы ионного двигателя

Ионные двигатели используют пучки ионов — электрически заряженных атомов или молекул — для создания тяги. Основным рабочим телом ионизации является газ, иногда ртуть. В ионизатор подается это топливо, после чего туда же запускают высокоэнергетические электроны. В этой камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. После этого в камеру вводят специальный фильтр, который притягивает к себе отрицательные электроны, тогда как положительные ионы притягиваются к ряду сеток с большой разницей электростатических потенциалов (+1090 В на внутренней против -225 В на внешней). В результате такой мощной разницы ионы начинают разгоняться по кругу, пока не выбрасываются из устройства, ускоряя движение корабля. За ними выбрасываются и электроны, которые должны обезвредить ионы и не позволить им притягиваться обратно к двигателю.

Обычно источниками питания для ионных двигателей являются электрические солнечные панели. Однако в местах, куда солнечный свет не попадает, например, когда Земля закрывает Солнце, спутники могут использовать ядерную энергию. «Хайтек» подробно рассказывал о такой советской программе, спутники которой — с крошечными ядерными реакторами — до сих пор находятся на орбите захоронения Земли.

На сегодняшний день ионные двигатели необходимы спутникам, чтобы маневрировать в космосе, например, для изменения своего курса или уклонения от космического мусора. Существует также несколько проектов, предполагающих использование ионных двигателей для дальних космических путешествий.

Самый яркий пример использования ионных двигателей для дальних путешествий — автоматическая исследовательская миссия Dawn от НАСА. В сентябре 2007 года она была запущена для исследования астероида Веста и карликовой планеты Церера.

Dawn оборудована тремя ксеноновыми ионными двигателями NSTAR. Они установлены в нижней части аппарата: один вдоль оси, еще два — на передней и задней панелях. Принцип работы этих двигателей состоит в ускорении в электрическом поле ионов ксенонового топлива. Двигатели длиной в 33 см, диаметром сопла в 30 см и массой 8,9 кг разгоняют атомы до скорости в десять раз выше, чем могут это сделать современные химические двигатели. Ускорение и торможение обеспечивается за счет установленных на борту Dawn солнечных батарей и уровня подачи топлива.

Для полета Dawn было необходимо всего 3,25 мг топлива в секунду. Из 425 кг рабочего тела (ксенона), имеющегося на борту, на полет Земля — Веста предполагалось израсходовать 275 кг, на полет Веста — Церера — 110 кг.

Миссия Dawn стала не только одной из самых энергоэффективных в истории космонавтики, но и установила несколько рекордов скорости. 5 июня 2016 года — спустя девять лет после запуска — станция Dawn разогналась до 39 900 км/час (11,1 км/с).

1 ноября 2018 года НАСА официально закончила миссию Dawn, поскольку ионные двигатели полностью выработали топливо. Последние несколько лет инженеры НАСА занимаются разработкой новых двигателей, рассчитанных на увеличенное количество ксенона. В этих разработках пока есть сложность, поскольку увеличение веса станции за счет топлива негативно сказывается как на скорости передвижения аппарата, так и на дальности полета.

Еще одним космическим аппаратом, который использует ионные двигатели для дальних полетов, стала японская исследовательская станция по изучению астероида Рюгу «Хаябуса-2». Зонд, на котором установлены четыре ионных двигателя IES, может менять направление полета за счет этих двигателей. Они могут поворачиваться в разные стороны, но за счет электромеханической системы, питающейся от солнечных батарей. При этом ксенон массой в 73 кг хранится в 51-литровом топливном баке: такую конфигурацию удалось получить за счет того, что этот газ в полтора раза плотнее воды, и, соответственно, занимает меньше места.

Пока космические агентства исследуют возможное применение ионных двигателей в будущем. НАСА запланировало даже установить ионный двигатель нового поколения ISS Vasimr на МКС. Однако в 2015 году отменило этот проект, заявив, что пока «МКС не является идеальной демонстрационной площадкой для работы двигателей такого типа». Дело в том, что Vasimr должен был стать первым полноценным электротермическим ракетным двигателем, который позволил бы создавать тягу, аналогичную химическим двигателям. Это позволило бы в будущем использовать его даже для запусков ракет-носителей с Земли.

НАСА пришло к решению отменить тестирование Vasimr, поскольку ученые до конца не смогли найти источник энергии, на котором бы работал этот двигатель. Самым перспективным источником энергии могла стать термоядерная установка, однако ее использование на МКС могло быть небезопасной.

Из-за этого сейчас ионные двигатели продолжают рассматриваться в основном в качестве дополнительных двигателей на различных спутниках, с помощью которых зонды смогут совершать маневры в космосе. Другим перспективным направлением для использования двигателей такого типа может стать космическая уборка. На орбите Земли с каждым годом появляется все больше космического мусора, а спутники с ионными двигателями могут стать идеальным решением этой проблемы.

Ссылка на основную публикацию
В Башкирии житель собрал самодельный гусеничный вездеход
Снег да снег кругом зимний спецтранспорт для бездорожья - Спецтехника и нефтегазовое оборудование Российские дороги сами по себе представляют большую...
Бустер — со скольки лет можно использовать в России в 2020 году по ПДД
Бустер для детей в машину с какого возраста по правилам 2020 К многочисленным корректировкам ПДД уже все привыкли. Не обошли...
Бустер разрешен или нет 2020 последняя информация, советы
По Испании на машине — ПДД о детских автокреслах Клуб путешествий MAMSTRAVEL Многие читательницы нашего сайта путешествуют с ребятишками на...
В ГИБДД напомнили велосипедистам правила дорожного движения
Что означает дорожный знак Велосипед Правила дорожного движения обязан знать каждый, кто садится за руль, и неважно, будет ли это...
Adblock detector