Электрический ракетный мотор на азоте
В Массачусетском технологическом институте сконструирован и построен опытный образец нового плазменного ракетного двигателя
История космических исследований насчитывает уже более полувека. До сих пор почти все космические аппараты оснащались ракетными маршевыми двигателями на химическом топливе. С их помощью человечество освоило околоземное пространство, добралось до Луны и отправило автоматические станции к Солнцу и к ближним и дальним планетам. Двигатели на химическом горючем будут использоваться еще долгие годы. Однако их возможности ограничены энергетикой химических окислительно-восстановительных реакций. Все современные ракеты в перерасчете на единицу израсходованного горючего создают не слишком большую тягу. Поэтому в дальний полет, к примеру, к внешним планетам Солнечной системы, на сегодняшний день можно отправить лишь относительно легкий аппарат. А траекторию такого корабля прокладывают так, чтобы на пути к месту назначения он разгонялся в гравитационных полях встречных планет или их спутников. Именно по этой причине для дальних полетов столь узки стартовые «окна», интервалы времени с благоприятным расположением планет – благоприятным не в астрологическом смысле, а в соответствии с требованиями, налагаемыми небесной механикой. Ракетный двигатель любого типа выбрасывает в окружающее пространство вещество, которое называют рабочим телом. Из дюз обычных ракет истекают газообразные продукты сгорания топлива. В электроракетном двигателе рабочим телом служит поток плазмы, разогнанной электромагнитными силами. Если когда-нибудь будет построена фотонная ракета, ее рабочим телом станут световые кванты. А вот ракета без рабочего тела – нонсенс, запрещенный законом сохранения количества движения. Космические аппараты уже давно оснащают ионными моторами. Эта разновидность электрореактивного двигателя вообще не потребляет химического горючего, поскольку обеспечивается энергией от аккумуляторов, радиоизотопных генераторов или же солнечных батарей. Однако в своем нынешнем виде такие двигатели развивают очень слабую тягу, не более нескольких граммов. Поэтому их применяют либо для корректировки спутниковых орбит, либо для медленного, но длительного ускорения аппаратов непосредственно в космическом пространстве. Именно такой мотор был установлен на американском космическом зонде DeepSpace1, который 22 сентября 2001 года совершил пролет мимо кометы Борелли. 27 сентября 2007 года с мыса Канаверал был запущен 1250-килограммовый корабль Dawn, который в следующем десятилетии будет исследовать крупный астероид Весту и карликовую планету Цереру, чьи космические пути лежат между орбитами Марса и Юпитера. Он оснащен тремя ионными моторами, каждый из которых создает тяговое усилие величиной в 90 миллиньютонов – примерно 9 граммов. В Лаборатории реактивного движения Массачусетского технологического института построено несколько действующих моделей космического электрореактивного двигателя нового типа. Для него придумано и название – мини-геликонный плазменный толкатель. Этой программой руководит выпускник Московского физико-технического института Олег Батищев. Он рассказал о ней Русской службе «Голоса Америки» в специальном интервью. А.Л.: Олег, чем Ваш мотор отличается от предшественников? О.Б.: Начнем с того, что он будет гораздо дешевле в эксплуатации. Нынешние электрореактивные двигатели в качестве рабочего тела используют ксенон, а это очень дорогой газ. Наш мотор прекрасно действует на азоте или аргоне, которые практически ничего не стоят. Баллон со сжатым азотом обходится где-то в 7-9 долларов, а маленькая бутылочка ксенона тянет на тысячу. Кроме того, этот двигатель конструктивно прост и рассчитан на куда более продолжительную работу в космическом пространстве. Наконец, его тяговый ресурс можно многократно наращивать без особого увеличения размеров. Расчеты показывают, что при мощности порядка тысячи киловатт диаметр двигателя составит около 30 сантиметров. Обычный плазменный мотор в таком случае был бы раз в десять больше. А.Л.: А как он устроен и действует? О.Б.: Газ поступает в кварцевую цилиндрическую камеру. На нее навита металлическая обмотка, создающая внутри камеры сильное магнитное поле. Рядом расположена антенна специальной конструкции, которая служит источником коротковолнового радиоизлучения.Оно создает в газе электрический пробой, который приводит к рождению ионно-электронной плазмы. Внешнее магнитное поле рассчитано таким образом, что оно сильно разгоняет плазменные потоки и направляет их к выходу из камеры. Благодаря этому и возникает реактивная тяга. Этой тягой можно управлять, меняя темпы подачи газа и поступления электромагнитной энергии. Скорость вылетающих ионов очень высока, она раз в десять больше скорости выхода рабочего тела из ракетных двигателей на химическом топливе. Поэтому наш двигатель, как и другие плазменные моторы, очень экономно расходует запасы газа. А.Л.: В каких космических полетах можно использовать такие моторы? О.Б.: В принципе, в любых. Но мы ориентируемся на его применение для корректировки спутниковых орбит и разгона в космосе лунных кораблей следующих поколений. Однако пока это дело будущего. Сейчас нам предстоит исследовать работу двигателя на разных режимах и получше понять физические процессы, которые имеют место внутри камеры с плазмой. Возможно, попробуем менять геометрию самой камеры, ее ведь не обязательно делать цилиндрической. Нужно также обеспечить быстрый отвод тепла от мотора, а то он, чего доброго, и расплавится. Есть и другие инженерные и физические проблемы, которые требуют решения. В общем, дел еще много. А.Л.: В таком случае, желаю всяческих успехов. И большое спасибо за беседу.