Как устроен ионный двигатель зонда Dawn, который летит к Церере

Космический аппарат NASA Dawn провел более семи лет, путешествуя по Солнечной системе, чтобы исследовать астероид Весту и карликовую планету Цереру. Будучи на орбите Цереры, зонд передал нам первые снимки и данные об этих удаленных объектах. Но внутри самого Dawn есть другой, первый в своем роде двигатель — космический аппарат впервые в истории использует ионный двигатель на электротяге.

Такой ионный двигатель должен будет оснащать новое поколение космических аппаратов. Электроэнергия используется для создания заряженных частиц топлива, обычно газа ксенона, и ускорения их до чрезвычайно высоких скоростей. Скорость обычных ракет ограничена химической энергией, запасенной в молекулярных связях топлива, которая ограничивает тягу до 5 км/с. Ионные двигатели в принципе ограничены только электрической энергией, доступной на корабле, но заряженные частицы позволяют развить тягу от 15 км/с до 35 км/c.

На практике это означает, что работающие на электричестве двигатели намного экономичнее химических, поэтому можно сохранить большое количество массы вследствие забора меньшего количества топлива. При стоимости запуска одного килограмма массы на околоземную орбиту в 20 000 долларов, космический аппарат может стать значительно дешевле.

Это может быть весьма полезно для коммерческих производителей геостационарных спутников; электрическая силовая установка позволит им маневрировать, добавляя новые возможности спутникам. Кроме того, для научных миссий вроде межпланетных путешествий ко внешним регионам Солнечной системы, электрическая тяга может быть единственной возможной для перемещения полезной научной аппаратуры на огромные расстояния.

Электросила космоса

Есть три основных типа электрических двигателей, в зависимости от метода, который используется для ускорения топлива.

Термоэлектрические двигатели используют электроэнергию, чтобы нагреть топливо, либо пропуская ток через нагревательный элемент, либо пропуская ток через горячий ионизированный газ или саму плазму, к реактивному двигателю.

Ионные двигатели

Электромагнитные двигатели ионизируют ракетное топливо, превращая его в электропроводящую плазму, которая разгоняется при взаимодействии с мощным электрическим током и магнитным полем. Импульсные плазменные двигатели на самом деле очень похожи на электродвигатели.

Электростатические двигатели используют электрическое поле, генерируемое путем применения высокого напряжения на две сети, перфорированные множеством крошечных дырочек, чтобы ускорить топливо. Такой ксеноновый двигатель (а точнее три таких) и стоит на зонде Dawn. Другая электростатическая конструкция является двигателем на эффекте Холла, который работает похоже, но вместо высокого напряжения генерирует электрополе в выходной плоскости двигателя, захватывая электроны магнитным полем.

Полвека создания

Концепция электрической двигательной установки существует уже более 50 лет, но всегда считалась слишком рискованной, чтобы лечь в основу крупных проектов. Только сейчас она начинает обретать реальные применения. К примеру, для сохранения геостационарных спутников на корректной орбите, чтобы противостоять аэродинамическому сопротивлению в разреженной атмосфере в 200 км над поверхностью Земли. Межпланетные миссии вроде Deep Space 1 — первой экспериментальной миссии с использованием ионных двигателей — изначально задумывались для демонстрации возможностей технологии, но по большей части успешно выполнили возложенные на них обязательства по исследованию астероида 9969 Брайля и кометы Боррелли 15 лет назад.

Еще одна весьма успешная миссия с ионными двигателями была GOCE (Gravity field and steady state Ocean Circulation Explorer); этот спутник за четыре года до 2013 года не был в состоянии отобразить в беспрецедентных деталях гравитационное поле Земли.

Будущие проекты

Теперь, когда космические аппараты с электродвигателями начинают получать широкое распространение, они вполне могут снизить стоимость развертывания спутников. С компактными ионными двигателями на борту, спутники могут поднимать себя от низкой околеземной орбиты к окончательной геостационарной орбите своими силами. Это позволит сэкономить огромное количество топлива, необходимого для подъема спутников силами обычных химических ракет, а также использовать гораздо меньшие ракеты-носители, которые тоже сэкономят денег. Boeing первой начала в 2012 году оснащать полностью электрические версии своей платформы спутников 702 ксеноновыми ионными двигателями, и другие производители спутников тоже последуют их примеру.

В настоящее время все проекты работают с использованием ксенонового газа и топлива, но ищутся альтернативы, поскольку ксенон очень дорогой. Но электрическая энергия никуда не денется, и в более долгосрочной перспективе космические буксиры и даже пилотируемые полеты на Марс, в основе которых будет лежать ядерная электрическая установка, получат широкое распространение.