Ионные двигатели. часть первая

Как работает ионный двигатель

Принцип работы ионного двигателя

Такой двигатель является реактивным так же как и знакомый ракетный двигатель, только вместо сжигания топлива используется ионизация газа. А в остальном принцип тот же, принцип реактивного движения основанный на Третьем законе Ньютона. А если по-простому, то аппарат двигает вперед поток ионов выбрасываемых из двигателя.

А теперь подробнее о принципе работы ионного двигателя. В «камеру сгорания» подается инертный газ (обычно аргон или ксенон), при помощи потока электронов этот газ ионизируется. Далее электроны улавливаются специальными устройствами, а положительно заряженные ионы двигаются к решеткам с очень большой разницей потенциалов. Из-за разницы потенциалов ионы разгоняются и выбрасываются из сопла создавая реактивную тягу.

Ранее пойманные электроны (отрицательно заряженные, если вы уже забыли) выбрасываются в вдогонку и под углом к потоку ионов, чтобы нейтрализовать их заряд, иначе часть ионов могут притянутся к корпусу двигателя уменьшив его тягу. Принцип работы ионного двигателя на самом деле прост, но всегда есть какое-то «но»…

Достоинства и недостатки

Все довольно просто, но есть некоторые недостатки.

Ионный двигатель создает очень большой удельный импульс но очень маленькую тягу обусловленную массой выбрасываемых частиц. Это значит, что разогнать космический корабль он может, но ускорение будет небольшим и на его создание уйдет очень много времени.

Поэтому сейчас такие двигатели используются только в космосе, где нет сопротивления воздуха и на небольших объектах вроде спутников, либо для пространственной ориентации более крупных объектов.

Ионный двигатель в работе

Но в марте 2015 года на орбиту был запущен космолет X-37B, который должен испытать ионный двигатель на эффекте Холла. Такой двигатель работает по тому же принципу, что и обычный, за исключением того, что ускорение происходит благодаря эффекту Холла, что позволяет несколько увеличить его тягу и не использовать решетки для притяжения и разгона ионов.

В 2003 двигатель на эффекте Холла был впервые использован в качестве основного на автоматической станции SMART-1 весом в 370 кг европейского космического агенства, но сам двигатель был создан в московском КБ «Факел». Теперь ионный двигатель ждет испытание на намного более массивном X-37.

Главным достоинством ионного двигателя является время его работы. Такой двигатель может работать очень долго благодаря низкому потреблению газа и все время своей работы он будет разгонять космический аппарат. Например, двигатель NEXT (NASA’s Evolutionary Xenon Thruster) проработал в космосе рекордное время — 5,5 лет или 48 000 часов, использовав всего 870 кг ксенона, в случае стандартного химического двигателя потребовалось бы 10 тонн топлива.

Рекорд по скорости также принадлежит ионному двигателю. Аппарат Dawn запущенный Nasa для исследования карликовой планеты Цереры, разогнался до скорости 11,46 км/с без использования гравитационных маневров.

Судя по всему, именно у ионных двигателей наибольшие перспективы стать в будущем маршевыми двигателями для межпланетных полетов.

История ионного двигателя

Впервые ионный двигатель был продемонстрирован Эрнстом Штулингером, ученым НАСА немецкого происхождения, а практическое воплощение ему придавал Гарольд Кауфман в Научно-исследовательском центре Льюиса при НАСА (ныне он носит имя Гленна), начиная с 1957 года и до начала 1960-х.

Ионный двигатель

Использование ионных двигателей в космосе было впервые демонстрировано на тестовых моделях ракет «SERT-1» и «SERT-2». В качестве реагирующей массы эти двигатели использовали ртуть. Первой моделью стала «SERT-1», запущенная 20 июля 1964 года, которая успешно доказала, что технология работает в космосе так, как было рассчитано. Вторая тестовая модель, «SERT-2», запущенная 3 февраля 1970 года, подтвердила возможность работы двух ионных двигателей на ртути в течение нескольких тысяч часов. Несмотря на демонстрации в 1960-х и 1970-х годах, они, тем не менее, редко использовались до конца 1990-х.

Научно-исследовательский центр Гленна при НАСА продолжал разрабатывать электростатические ионные двигатели с сеткой все 1980-е годы, разрабатывая солнечную энергетическую установку для НАСА типа «NSTAR», который был успешно использован для зонда «Deep Space 1» — первой миссии по выводу на межпланетную траекторию аппарата, которая использовала электродвигатель в качестве основной силовой установки. На данный момент этот двигатель установлен на аппарат «Dawn», следующий к астероидному поясу. Компания «Hughes Aircraft Company» (сейчас – «L-3 ETI») разработала ионный двигатель на ксеноне «XIPS» для позиционирования станции относительно геосинхронных спутников (используется более 100 двигателей). Сегодня НАСА работает над электростатическим ионным двигателем «HiPEP» с мощностью в 20-50 кВ, который будет обладать более высоким КПД, удельным импульсом и большим сроком службы по сравнению с «NSTAR». Компания «Aerojet» недавно завершила тестирования прототипа ионного двигателя «NEXT».

Начиная с 1970-х годов, совместное предприятие «ArianeGroup» и Гисенский университет занимались разработкой радиочастотного ионного двигателя. Двигатели «RIT-10» используются для полетов Европейского возвращаемого космического модуля «EURECA» и аппарата «ARTHEMIS». Британская компания «Qinetiq» разработала двигатели «T5» и «T6», первый из которых использовался для миссии «GOCE», а второй, вероятно, — для миссии «BepiColombo». Японцы, разработавшие микроволновой двигатель «10», использовали его для космического аппарата «Хаябуса».

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.

Примечания

1. ↑
2. Белан Н. В., Ким В. П., Оранский А. И., Тахонов В. Б. Стационарные плазменные двигатели. — Харьк. авиац. ин-т. — Харьков, 1989. — С. 18—20.
3. Marc Rayman.  (англ.). NASA (27 September 2016). Дата обращения: 19 ноября 2016.
4.  (недоступная ссылка). Дата обращения: 5 июля 2019.
5.  (недоступная ссылка). membrana.ru (12 января 2006). Дата обращения: 22 февраля 2015.
6. . Smithsonian Scrapbook. Smithsonian Institution Archives. Дата обращения: 21 февраля 2015.
7. Choueiri, E. Y. . Дата обращения: 21 февраля 2015.
8. Морозов А. И. Об ускорении плазмы магнитным полем // ЖЭТФ. — 1957. — Т. 32, вып. 2. — С. 305—310.
9. Доктор физико-математических наук А. МОРОЗОВ. . Наука и Жизнь (сентябрь 1999).
10.  (англ.) (недоступная ссылка). Glenn Research Center (20 May 2008). Дата обращения: 22 февраля 2015.
11. . www.mai.ru. Дата обращения: 19 октября 2017.
12. ↑ Рахманов, М. . CNews.ru (30 сентября 2003). Дата обращения: 22 февраля 2015.
13. Peter Nicholls.  (англ.). SFE: The Encyclopedia of Science Fiction, online edition, 2011— (20 December 2011). Дата обращения: 1 июля 2018.
14. Кочуров, В. . журнал «Мир фантастики» (27 декабря 2005). Дата обращения: 22 февраля 2015.
15.  (недоступная ссылка)
16. Jason Mick.  (недоступная ссылка). DailyTech (11 августа 2008). Дата обращения: 22 февраля 2015.
17. Landis, G. A. (1 сентября 1994). Дата обращения: 22 февраля 2015.
18. . Hi-News.Ru (14 октября 2017).

[править] Принцип действия

Испытания ионного двигателя на ксеноне

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.

В существующих реализациях для поддержки работы двигателя используются солнечные батареи. Но для работы в дальнем космосе такой способ неприемлем. Поэтому уже сейчас для этих целей иногда используются ядерные установки.

Источником ионов служит газ, как правило это аргон или водород, бак с газом стоит в самом начале двигателя, оттуда газ подаётся в отсек ионизации, получается холодная плазма, которая разогревается в следующем отсеке посредством ионного циклотронного резонансного нагрева. После нагрева высокоэнергетическая плазма подается в магнитное сопло, где она формируется в поток посредством магнитного поля, разгоняется и выбрасывается в окружающую среду. Таким образом достигается тяга.

С тех пор плазменные двигатели прошли большой путь и разделились на несколько основных типов, это электротермические двигатели, электростатические двигатели, сильноточные или магнитодинамические двигатели и импульсные двигатели. В свою очередь электростатические двигатели делятся на ионные и плазменные (ускорители частиц на квазинейтральной плазме).

Ионный двигатель использует в качестве топлива ксенон или ртуть. Первый ионный двигатель назывался сетчатый электростатический ионный двигатель. В ионизатор подается ксенон, который сам по себе нейтрален, 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 2 или 3 сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против — 225 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 по двум причинам:

• чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным;
• чтобы ионы, «нейтрализованные» таким образом, не притягивались обратно к кораблю.

Чтобы ионный двигатель работал — нужны всего 2 вещи: газ и электричество.

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. Однако разрабатываются более совершенные и мощные типы электроракетных двигателей (холловский и магнитоплазмодинамический), превосходящие ионный двигатель по величине тяги и как следствие конечной скорости космического аппарата.

Как работает ионный двигатель

Принцип работы ионного двигателя простой и сложный одновременно. Он заключается в ионизации газа, который разгоняется электростатическим полем для получения реактивной тяги и разгона космического корабля согласно третьему закону Ньютона.

Топливом или рабочим телом такого двигателя является ионизированный инертный газ (гелий, аргон, неон, ксенон, криптон, радон). Впрочем, не все инертные газы стоит использовать в качестве топлива, поэтому, как правило, выбор ученых и исследователей падает на ксенон. Также рассматривается вариант использования ртути в качестве рабочего тела ионного двигателя

Во время работы двигателя в камере образуется смесь из отрицательных электронов и положительных ионов. Так как электроны являются побочным продуктом, их надо удалять. Для этого в камеру вводится трубка с катодными сетками для того, чтобы она притягивала к себе электроны.

Положительные ионы, наоборот, притягиваются к системе извлечения. После чего разгоняются между сетками, разница электростатических потенциалов которых составляет примерно 1 200 Вольт, и выбрасываются в виде реактивной струи в пространство.

Схематичное изображение работы ионного двигателя.

Электроны, которые попали в катодную ловушку, должны быть удалены с борта космического аппарата, чтобы он сохранял нейтральный заряд, а выброшенные ионы не притягивались обратно, снижая эффективность установки. Выброс электронов осуществляется через отдельное сопло под небольшим углом к струе ионов

Таким образом, что произойдет в их взаимодействии после покидания двигателя, уже не так важно, ведь они не мешают движению корабля

Квантовый аппарат EmDrive

Это изобретение Роджера Шоера из Британии, над которым чуть ли не в открытую смеялось всё международное научное сообщество. Почему? Потому что его квантовый вакуумный плазменный двигатель считался невозможным. Ибо его принцип противоречит законам, которые являются фундаментом физики!

Но, как оказалось, этот плазменный космический двигатель работает, причём весьма успешно! Выяснить данный факт удалось в ходе испытаний NASA.

Агрегат прост по своей конструкции. Тяга создаётся посредством микроволновых колебаний вокруг вакуумного контейнера. А электроэнергия, необходимая для их выработки, добывается из солнечного света. Говоря простым языком – мотор не требует использования топлива и способен работать если не вечно, то как минимум до момента поломки.

Испытатели были в шоке. Двигатель тестировался учёным Гвидо Фетта и командой из NASA Eagleworks, которой руководил Гарольд Уайт – специалисты из космического центра им. Линдона Джонсона. После детального изучения изобретения была опубликована статья, в которой испытатели заверили читателей – аппарат работает и успешно создаёт тягу, пусть это и является необъяснимым противоречием закону о сохранении импульса.

И всё же учёные заявили, что данный агрегат предполагает взаимодействие с так называемым квантовым вакуумом виртуальной плазмы.

Сравнение с обычными ракетными двигателями

В обычных двигателях вы должны загрузить массу, которую нужно выбросить, и энергию, чтобы выбросить ее. В то время как с ионными двигателями на борту находится только масса, которая должна быть выброшена, энергия выброса может быть получена на месте с помощью солнечных батарей или поступать от радиоизотопного термоэлектрического генератора .

Обычные ракетные двигатели обеспечивают значительное ускорение за короткое время, но для этого используют большое количество топлива . Ракетные двигатели должны выдерживать огромные нагрузки давления и температуры , что делает их тяжелыми. Кроме того, сам резерв топлива должен быть продвинут так же, как и космический корабль  ; в результате космический корабль должен забрать с собой еще больше топлива (см . уравнение Циолковского ).

Ионные двигатели, которые создают низкую движущую силу, но в течение очень длительного периода времени, особенно экономичны. На килограмм нейтрального газа на борту в качестве опорной массы они производят гораздо больше работы, чем у обычных ракетных двигателей. Следовательно, через некоторое время, которое, по общему признанию, нельзя не отметить, они могут придать космическому аппарату такую ​​же скорость за счет гораздо меньшего расхода поддерживающей массы . Тогда этот автомобиль сможет нести меньшую опорную массу . Ионные двигатели также намного легче (около десяти кг), что обеспечивает дополнительную экономию тяги.

АИПД

Теперь можно поговорить про абляционные импульсные плазменные двигатели (АИПД). Они подходят для применения в малых космических аппаратах, которые имеют неплохой спектр функциональных возможностей. Для его расширения просто необходим высокоэффективный малогабаритный агрегат, способный корректировать и поддерживать орбиту. АИПД – перспективный аппарат с рядом достоинств, к которым можно отнести:

• Постоянную готовность к работе.
• Впечатляющий ресурс.
• Минимальную инерционность.
• Возможность точно дозировать импульс.
• Отсутствие импульса последействия.
• Зависимость тяги от потребляемой мощности.

Импульсные плазменные двигатели данного типа изучены в деталях. Исследователи, конечно, сталкивались и с проблемами. В частности – с поддержанием длительной работы агрегата, препятствием для которого является науглероживание поверхности.

Ещё в рамках одного из исследований, посвящённого изучению АИПД-ИТ, было выяснено, что у этого агрегата основной разряд горит на выходе из канала. А это характерная черта для двигателей намного более внушительной энергии.

Пример установки АИПД — спутник Earth Observer 1. Но претендовать на двигатель коррекции МКА он не может, поскольку потребляет слишком много энергии (60 Вт). К тому же у него низкий суммарный импульс.

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.

Откуда берутся ионы

Двигатели создают их, генерируя плазму внутри аппарата. Нейтральные атомы газа, например, ксенона, бомбардируются электронами. Эти столкновения высвобождают еще больше электронов, превращая их в положительно заряженные ионы. Эта плазменная смесь из электронов и положительно заряженных ионов имеет общий нейтральный заряд.

При этом электроны удерживаются в камере, что приводит к еще большей ионизации, в то время как положительные ионы откачиваются через специальную сетку. Когда они проходят через эту сетку, высокое напряжение ускоряет их до 90 км/с. Каждый вылетевший из сопла ион придает крошечное ускорение аппарату.

Вся система работает от солнечных батарей, поэтому нет необходимости в дополнительной системе питания или аккумуляторах, что значительно увеличивает полезную нагрузку аппарата.

Однако эти двигатели могут непрерывно работать в течение нескольких дней, недель и даже месяцев, ускоряясь и постепенно набирая скорость. У химических ракет, для сравнения, топливо закончилось бы за несколько минут. Поэтому если космический аппарат уже выведен из гравитационного поля планеты, ионный двигатель становится весьма эффективным.

Некоторые космические агентства уже использовали ионные двигатели в своих миссиях в космосе. И хотя разработки велись на протяжении десятилетий, применить их долгое время не решались из-за большого риска.

Устройство и принцип работы холловского двигателя:

Холловский двигатель (двигатель на основе эффекта Холла) – это одна разновидностей электростатического ракетного двигателя, в котором используется эффект Холла. Двигатели на основе эффекта Холла используются на космических аппаратах с 1972 года.

В основе принципа работы данного двигателя лежит эффект Холла, открытый в 1879 г. Эдвином Холлом (Edwin H. Hall). Он заключается в том, что в проводнике, в котором созданы взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля, возникает электрический ток (называемый холловским) в направлении, перпендикулярном обоим этим полям. Иными словами, если электрическое и магнитное поля имеют направления соответственно по осям X и Y, то электрический (холловский) ток имеет направление вдоль оси Z.

Холловский двигатель состоит из кольцевой камеры. Иными словами, камера двигателя выполнена в форме кольца (цилиндра). С одной стороны в камеру подаётся рабочее тело, с другой стороны происходит истекание плазмы. Внутри двигателя располагается анод (положительный электрод), катод (отрицательный электрод) расположен снаружи двигателя. По внешней стороне кольца располагаются магниты.

Между анодом и катодом создается разность потенциалов. В кольцевую камеру подаётся рабочее тело (например, ксенон). Разряд между анодом и катодом ионизирует рабочее тело, отрывая электроны от нейтральных атомов газа. Под действием электростатического поля положительные ионы газа (плазма) разгоняются в осевом направлении – в направлении выходного отверстия цилиндрического двигателя. На выходе из двигателя происходит нейтрализация положительного заряда плазмы электронами, эмитируемыми с катода. Истечение положительных ионов из выходного отверстия создает тягу.

В радиальном направлении действует магнитная сила, которая в соответствии с эффектом Холла приводит к появлению электрического тока, движущегося в азимутальном направлении (т.е. вокруг центрального электрода, оси двигателя). Холловский ток создается движением электронов в электрическом и магнитном полях.

В холловском двигателе тяга создается также с помощью холловского тока, пересекающего радиальное магнитное поле. Их взаимодействие заставляет электроны обращаться вокруг оси двигателя. Эти электроны выбивают электроны из атомов ксенона, создавая ионы ксенона, которые осевое электрическое поле ускоряет в направлении выходного отверстия двигателя. Электроны холловского тока под действием силы Лоренца (возникающей в результате взаимодействия приложенного радиального магнитного поля с электрическим холловским током) создают дополнительную тягу и вырываются наружу в выходное отверстие вместе с положительными ионами.

Двигатель на основе эффекта Холла позволяет получить более высокую плотность тяги, более высокие значения расхода рабочего тела, и, как следствие, более высокую тягу двигателя, чем ионный двигатель, поскольку в истекающем потоке содержатся и положительные ионы, и электроны, что предотвращает накопление объемного заряда, уменьшающего напряженность ускоряющего электрического поля.

В зависимости от располагаемой мощности скорости истечения рабочего тела могут составлять от 10 до 50 км/с.

Характеристики

Ионная линза постоянно бомбардируется небольшим количеством вторичных ионов и разрушается или стирается, что уменьшает КПД двигателя и срок службы. Ионным двигателям требуется возможность эффективной и непрерывной работы в течении многих дет. Для уменьшения разрушения было использовано несколько методов. Самым достойным внимания было изменение различных видов топлива. Атомы ртути или цезия использовались в качестве топлива при испытаниях в 1960-х и 1970-х годах, но они прилипали к решеткам и разрушали их. С другой стороны, атомы ксенона – гораздо менее коррозионные, что сделало их отличным топливом практически для всех типов ионных двигателя. НАСА продемонстрировало непрерывную работу двигателя «NSTAR» в течение 16 000 часов (1,8 года), а продолжающиеся испытания показывают превышение этого срока вдвое. Электростатические ионные двигатели также достигли удельного импульса в 30-100 кН*с/кг, что превышает показатели большинства других типов ионных двигателей. Также они разогнали ионы до скоростей, достигающих 100 км/с.

Ионный двигатель с сеткой

В январе 2006 года Европейское космическое агентство совместно с Австралийским национальным университетом, заявили об успешных испытаниях улучшенного электростатического ионного двигателя – «Dual-Stage 4-Grid», достигший скорости в 210 км/с, что вчетверо превышало достигнутые ранее показатели, что позволяет достигнуть удельного импульса в четыре раза больше. У стандартных электростатическим ионных двигателей есть всего две решетки – высокого и низкого напряжения соответственно, обе из которых занимаются добычей ионов и ускорением корабля. Однако, когда разница разрядов между этими решетками достигает примерно 5 кВ, некоторые из частиц, полученных из камеры, сталкиваются с решеткой низкого напряжения, разрушают ее и ставят под угрозу долговечность двигателя. Это ограничение успешно преодолевается при использовании двух пар сеток. Первая пара работает при высоком напряжении, создавая разницу потенциалов между сетками на уровне 3 кВ. Эта пара сеток отвечает за извлечение заряженных частиц топлива из газовой камеры. Вторая пара, работающая при низком напряжении, генерирует электрическое поле, ускоряющее выходящие наружу частицы и обеспечивающее тягу. Среди других преимуществ нового типа двигателя – более компактный дизайн, что позволяет вырабатывать более сильную тягу, и меньший угол выхода шлейфа выходящих газов в 3 градуса – показатель, как сообщается, в пять раз меньший, чем достигнутый ранее. Это уменьшает объем топлива, нужный для коррекции положения аппарата, из-за меньших колебаний в направлении вектора двигателем.

Заключение

В завершение хотелось бы сказать, что ни один плазменный двигатель для космических кораблей из существующих в наше время не способен доставить ракету даже к ближайшим звёздам. Это касается как экспериментально проверенных аппаратов, так и теоретически просчитанных.

Многие учёные приходят к пессимистичному заключению – разрыв между нашей планетой и звёздами фатально непреодолим. Даже до системы Альфа Центавра, некоторые компоненты которой видны невооружённым глазом с Земли, а ведь расстояние составляет 39,9 триллиона километров. Даже на космическом аппарате, способном передвигаться со скоростью света, преодоление данного расстояния составило бы около 4,2-4,3 лет.

Так что плазменные агрегаты звездолётов – это, скорей, из сферы научной фантастики. Но это ничуть не преуменьшает их значимость! Их используют в качестве маневровых, вспомогательных и корректирующих орбиты двигателей. Поэтому изобретение вполне оправдано.

А вот ядерный импульсный агрегат, который утилизирует энергию взрывов, имеет вероятный потенциал развития. Во всяком случае, как минимум в теории отправка автоматического зонда в ближайшую звёздную систему является возможной.