Ионные двигатели обладают невероятной топливной эффективностью, но их малая тяга требует их постоянной работы – отсюда и все проблемы при их применении. Ведь постоянная работа – это постоянный износ, и как следствие – серьезное ограничение периода их эксплуатации и жизнеспособности. Но группа ученых из исследовательской лаборатории NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) придумали новый дизайн двигателя, который исключает износ и открывает двери для возможных будущих миссий за пределами нашей Солнечной системы.

Различные типы ионных двигателей начали применять в космических миссиях еще в 1964 году, когда NASA запустила программу суборбитального полета SERT (Space Electric Rocket Test I). После этого во многих космических полетах на той или иной стадии использовались такие двигатели. Например, несколько коммуникационных спутников достигали своих ключевых геосинхронных орбит используя именно ионную тягу. А аппарат SMART-1 производства Европейского космического агентства хоть и использовал при выходе на околоземную орбиту обычные двигатели, для полета до лунной орбиты использовал ионные движки.

Но во всей своей красе ионные двигатели смогли раскрыться только при полетах в дальний космос: миссиях NASA Deep Space One и Dawn, и миссии Hayabusa от Японского аэрокосмического исследовательского агентства, где ионные двигатели активировались на разных стадиях, на протяжении нескольких лет и создавали тягу в несколько сотен ньютон.

Существует множество видов и еще больше предложенных вариантов ионных двигателей, но основной принцип один для всех. Есть два базовых вида ионных двигателей – электростатический и электромагнитный.

Электростатический ионный двигатель работает по принципу ионизации топлива (чаще всего в таких случаях используются газы ксенон или аргон). Сначала из электрона получают положительно заряженный ион, путем наделения его достаточной энергией. Затем положительно заряженные ионы помещаются между двумя специальными заряженными решетками образующими электростатическое поле. Это настолько разгоняет заряженные ионы, что они буквально вырываются из сопла двигателя и тем самым дают нужную тягу.

Электромагнитный ионный двигатель тоже работает по принципу ионизации топлива. Но в этом случае образуется плазма, которая образует своего рода мост (поток) между ионизированным анодом и катодом. Этот поток преобразует магнитное поле в электрическое поле, которое разгоняет положительно заряженные ионы. Выводятся они из двигателя благодаря силе Лоренцо – примерно по похожему принципу работает рейлган.

Все описанное выше требует большого количества электрической энергии, примерно 25 кВт на ньютон тяги. Так сколько же нужно уровней тяги для перемещения по Солнечной системе, скажем, 100-тонного космического корабля? Все конечно зависит от самой миссии, но 1000 H будет вполне достаточно, чтобы примерно за 10 месяцев достигнуть орбиты Юпитера, а орбиты Нептуна – за полтора года.

Что же для этого потребуется? Сперва нужно будет обзавестись источником энергии с силой около 25 МВт (мегаватт). Что же подойдет для такого уровня? Ядерная энергия, конечно! Очень много ядерной энергии, которая вырабатывается ядерным реактором, установленным в 100-тонном космическом корабле. К счастью технологии довольно активно развиваются, и в направлении создания компактных ядерных реакторов работы уже ведутся. Более того, NASA и DOE работают вместе над проектом Fission Surface Power Project, сутью которого является размещение на поверхности Луны и Марса маленьких ядерных электростанций. Задачей проекта является создать в ближайшие 10 лет реактор мощностью 40 кВт, который влезет в пространство размером 3x3x7 метров и при этом не будет весить больше 5000 кг.

Допустим, миниатюрную ядерную электростанцию мы уже создали. Как мы сделаем сам ионный двигатель на 1000 Н? Помимо обычных технических проблем, вроде эффективности ионизации топлива и разработки системы охлаждения для такого двигателя, самой большой проблемой в данном вопросе является быстрый износ из-за большого ионного «выхлопа» который будет выделять из двигателя и в конце концов просто разрушит конструкцию. Но что интересно, проблем стоит не в материале, из которого этот двигатель состоит, а в нынешней конструкции (дизайне). Так вот эту проблему уже частично решили исследователи из NASA и лаборатории Jet Propulsion.

Топливная плазма заполняет анодный и газовый распылитель. При низкой тяге, малое количество плазмы разгоняется эффектом Лоренца, благодаря магнитному и электрическому полям. При большой тяге плотность плазмы становится достаточно мощной чтобы искривить эти поля, что в результате разгоняет положительно заряженные ионы прямо в анодную стену.

В нынешних ионных двигателях высокая вырабатываемая ионная энергия разрушает стенки камеры. При попытке увеличить тягу, тем самым снизив потребление топлива, разрушение происходит еще быстрее. Проблема становится еще сложнее и потому, что электродинамика полей и плазмы нелинейна, что усложняет возможность предсказать эффект эрозии после изменения самого дизайна камеры.

Новый подход заключается в том, чтобы защитить стенки камеры от заряженных ионов путем создания магнитного щита. NASA удалось это сделать путем экранирования стенок нитридом бора таким образом, что магнитное поле от внутренней и внешний катушки проходит вдоль конца анодного канала. Другими словами, магнитное поле теперь никак не влияет на сами стенки камеры. Эти поля теперь находятся перпендикулярно, или даже практически параллельно стенкам.

Результаты первых экспериментов новой магнитно-экранированной камеры с мощностью 6 кВт ускорителя показали, что эрозия резко снизилась на 500-1000 пунктов. Это просто отличный результат!

Разумеется, на дальнейшем пути создания более крупных ионных двигателей ученые наверняка столкнуться с немалым количеством трудностей, но основная задача, которая вроде бы и лежала на поверхности, но никак не хотела решаться, теперь все-таки решена. Другими словами, мы стали еще на один шаг ближе к миссиям и, кто знает, даже коммерческим путешествиям в дальний космос.

Ионный двигатель – тип электрического ракетного двигателя, принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле. Достоинством этого типа двигателей является малый расход топлива и продолжительное время функционирования (максимальный срок непрерывной работы самых современных образцов ионных двигателей составляет более трёх лет). Недостатком ионного двигателя является ничтожная по сравнению с химическими двигателями тяга. По сравнению с двигателями с ускорением в магнитном слое ионный двигатель обладает большим энергопотреблением при равном уровне тяги. Ионные двигатели используют повышенные напряжения, обладают более сложной схемой и конструкцией, что усложняет решение задачи обеспечения высокой надёжности и электрической прочности двигателя.

Сфера применения: управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли (некоторые спутники оснащены десятками маломощных ионных двигателей) и использование в качестве главного тягового двигателя небольших автоматических космических станций.

Ионному двигателю в настоящее время принадлежит рекорд негравитационного ускорения космического аппарата в космосе – Deep Space 1 смог увеличить скорость аппарата массой около 370 кг на 4,3 км/с, израсходовав 74 кг ксенона. Этот рекорд был побит космическим аппаратом Dawn: впервые – 5 июня 2010 года, а к сентябрю 2016 года набрана скорость уже в 39900 км/час (11,1 км/с).

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. Технические характеристики ионного двигателя: потребляемая мощность 1-7 кВт, скорость истечения ионов 20-50 км/с, тяга 20-250 мН, КПД 60-80%, время непрерывной работы более трёх лет. В существующих реализациях ионного двигателя в качестве источника энергии, необходимой для ионизации топлива, используются солнечные батареи.

Рабочим телом, как правило, является ионизированный инертный газ (аргон, ксенон и т.п.), но иногда и 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.

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

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 Штулингер детально описал эту технологию, сопроводив её необходимыми вычислениями.

В 1955 году Алексей Иванович Морозов написал, а в 1957 году опубликовал в ЖЭТФ статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». Это дало толчок к исследованиям, и уже в 1964 году на советском аппарате «Зонд-2» первым таким устройством, выведенным в космос, стал плазменно-эрозионный двигатель конструкции А.М.Андрианова. Он работал в качестве двигателя ориентации с питанием от солнечных батарей.

Первый американский функционирующий ионный электростатический двигатель (создан в США в НАСА John H. Glenn Research Center at Lewis Field) был построен под руководством Гарольда Кауфмана в 1959 году. В 1964 году прошла первая успешная демонстрация ионного двигателя в суборбитальном полёте (SERT I). Двигатель успешно работал в течение запланированной 31 минуты. В 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II). Малая тяга и низкий КПД надолго отвадили американских конструкторов от применения электрических и ионных двигателей.

Тем временем в Советском Союзе продолжалась разработка и улучшались характеристики. Были разработаны и применялись различные типы ионных двигателей на различных типах космических аппаратов. Двигатели СПД-25 тягой 25 миллиньютон, СПД-100, и другие серийно устанавливались на советские спутники с 1982 года.

В качестве основного (маршевого) двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1 (первый запуск двигателя – 10 ноября 1998 года). Следующими аппаратами стали европейский лунный зонд Смарт-1, запущенный 28 сентября 2003 года, и японский аппарат Хаябуса, запущенный к астероиду Итокава в мае 2003 года.

Следующим аппаратом НАСА, обладающим маршевыми ионными двигателями, стала (после ряда замораживаний и возобновления работ) АМС Dawn, которая стартовала 27 сентября 2007 года. Dawn предназначен для изучения Весты и Цереры и 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.

Недавно испытан первый беспилотник с ионным двигателем. Это первый за всю историю авиации летательный аппарат с двигателем этого типа. Впрочем, история двигателя не так уж коротка и считать его принципиально новым можно лишь с некоторыми оговорками.

Вначале немного теории. Ионный двигатель работает, испуская из сопла струю положительно заряженных ионов. Их разделение с электронами является отдельной и довольно сложной инженерной задачей, мы ее касаться не будем, отметим только, что электроны тоже выбрасываются в окружающее пространство, но, скорее как мусор – их масса ничтожна и получить сколько-нибудь заметную реактивную тягу за счет этих частиц нельзя. Положительно заряженные (ионизованные) ядра атомов существенно тяжелее и, при выбрасывании назад, тягу создают. Их разгон в нужном направлении обеспечивается электростатическим полем. Если сделать его достаточно сильным, то скорость истечения ионов можно довести до пары сотен километров в секунду, что значительно превышает 4-5 км/с, свойственные химическим двигателям (где есть топливо и оно горит).

Проблемой ионных двигателей является их малая тяга – все-таки атомное ядро весит не так уж много. Поэтому сегодняшняя сфера их применения находится там, где этот показатель некритичен, а эффективность расхода рабочего тела, напротив, очень важна, поскольку этого тела мало и пополнить его запасы невозможно. Речь идет о космических полетах – ионные двигатели используются для ориентации спутников и, иногда, в качестве маршевых двигателей межпланетных станций. А вот в авиации этот продукт прогресса применен впервые.

Как пишут авторы полетевшей конструкции, в результате десяти испытательных полетов им удалось установить, что летать она в принципе способна. Дальность полета составила примерно 40-45 метров, самолету временами удавалось даже набирать высоту – на метр-другой. Это может показаться несерьезным, но не будем забывать, что самолет братьев Райт немногим более века назад выглядел не намного лучше, и в тот момент никто не мог бы представить, что наследники этой конструкции будут преодолевать огромные расстояния, подниматься на километровые высоты и перевозить сотни людей.

Специалисты NASA испытали разработанный исследователями из Мичиганского университета (США) ионный двигатель X-3, который установил новые рекорды мощности, тяги и тока.

Принцип действия двигателя X-3 основан на эффекте Холла, который возникает при воздействии магнитного поля на движущиеся заряженные частицы – к примеру, ионы газа. При этом ионы отклоняются от своей траектории, из-за чего возникает ток, перпендикулярный основному направлению. Это создает дополнительную тягу и позволяет достичь высокого расхода ксенона, который используется в качестве ионизированного газа.

Ионный двигатель диаметром один метр весит 227 килограммов и оснащён тремя каналами выхода плазмы, что позволяет уменьшить его габариты по сравнению с одноканальными двигателями. Работу Х-3 обеспечивает электрическая силовая установка XR-100, разработанная американской компанией Aerojet Rocketdyne. В процессе в вакуумной камере двигатель продемонстрировал мощность более 100 киловатт и тягу в 5,4 ньютона.

Для сравнения, другие образцы ионных двигателей на эффекте Холла развивали мощность не более пяти киловатт. Основным преимуществом таких двигателей является высокий удельный импульс – около 40 километров в секунду. Обычные ракеты на жидком топливе развивают лишь 5 километров в секунду. В результате тратится меньше топлива, но тяга невелика, поэтому ионные двигатели пока не могли преодолеть земное притяжение.

Специалисты NASA намерены продолжить испытания ионного двигателя Х-3 в будущем году. В ходе следующего этапа тестирования учёные собираются проверить выносливость двигателя, заставив его работать на полную мощность в течение 100 часов. Специально для данного эксперимента построят специальную магнитную экранирующую систему, которая защитит стенки ионного двигателя от раскалённой плазмы.

Современные химические ракетные двигатели имеют массу преимуществ. Они надежные, предсказуемые, относительно дешевые (по космическим меркам, конечно). А еще вскоре появятся новые метановые двигатели, которые, в частности, хотят использовать для полетов на Марс.

Увы, для путешествия к другим планетным системам потенциала обычных ракетных двигателей уже недостаточно. Необходимость «тащить» за собой огромные баки и высокий уровень потребления топлива сковывают возможности космической индустрии.

Выходом из ситуации может стать мощный электрический ракетный двигатель, принцип работы которого построен вокруг создания реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле. Но все не так просто, как может показаться.