Ионный двигатель: от фантастики к реальности

04.07.2017 21:45  2425   Петр Савинцев  Статья

Писатели-фантасты обладают потрясающей способностью предсказывать будущее. Сколько великих изобретений, кардинально изменивших мир, воплощено в жизнь, благодаря смелым и авантюрным идеям этих мечтателей и романтиков, от легендарной подводной лодки Наутилус до полетов к звездам сквозь тысячи световых лет.

Ионный двигатель - из фантастики в реальную жизнь

Так, в 1910 году в своем фантастическом романе Дональд Хорнер описал первый двигатель, работающий на ионной тяге. Менее чем через 50 лет был создан его работающий прототип, а в ноябре 1998 года первый космический корабль отправился в путешествие на ионном двигателе.

Как работает ионный двигатель?

Принцип действия такого двигателя заключается в реактивном движении за счет ионов газа, ускоренных электромагнитным полем до огромной скорости и выбрасываемых через сопло в пространство. В камеру ионизатора распыляется газ. В ней под действием бомбардировки электронами атомы делятся на положительно заряженные ионы и электроны, имеющие отрицательный заряд. Далее эта смесь фильтруется катодными сетками, притягивающими электроны. Положительные же ионы проходят сквозь систему извлечения. Она состоит из двух или трех параллельно расположенных сеток. Между ними создается высокое напряжение. При прохождении сквозь них частицы разгоняются полем и выбрасываются наружу через сопло, разгоняя тем самым корабль. "Отфильтрованные" ранее электроны также выбрасываются за борт. Их поток направлен немного под углом к основному потоку ионов. Это нужно, чтобы сам корпус космического аппарата не принимал на себя положительный заряд ионов, а также чтобы нейтрализовать электрический заряд освобожденных ионов.

Для работы ионного двигателя необходимы только газ и электричество. Используемым газом обычно является ксенон, также возможно использование аргона или ртути. В качестве источника электроэнергии применяются солнечные батареи, однако использование солнечных батарей на дальних расстояниях невозможно. На сегодняшний день специалистами разрабатываются альтернативные источники питания для исследования дальнего космоса.

Ионный двигатель

Достоинства и недостатки ионного двигателя

Огромным преимуществом ионного двигателя перед горюче-топливным, который использовался до сих пор, является малое потребление топлива. Космический корабль NASA Dawn, исследующий малые космические объекты Солнечной системы, за 7 лет своего полета израсходовал всего около полутонны топлива, тогда как только для старта с планеты и выхода в открытый космос аппарату с химическим двигателем требуется несколько тонн горючего. А ведь стоимость вывода одного килограмма груза на орбиту составляет порядка 20000 долларов!

Главным минусом ионного двигателя сегодня остается слабая тяга, не больше ста миллиньютонов. Для сравнения, чтобы разогнать объект весом в пару тонн до 100 км/ч в условиях земной атмосферы, понадобится около двух суток. Из-за этого поднятие корабля с планеты, да и движение в пределах атмосферы становятся невозможными. Чтобы космический аппарат вышел из атмосферы Земли, преодолев земное притяжение, нужно, чтобы его скорость превысила вторую космическую, которая равна 11,2 км/с. Пока современный ионный двигатель преодолеть эту скорость не способен. Зато в открытом космосе при длительной работе и отсутствии препятствий, таких как земное притяжение и сопротивление воздуха, такой двигатель способен разогнать корабль до 35 км/с.

Не так давно австралийскими учеными разработан прототип ионного двигателя, разгоняющего космический аппарат до скорости 210 км/с. Однако для электропитания такого двигателя солнечных батарей недостаточно. Сейчас разрабатываются проекты по установке на корабле автономной атомной станции.