Содержание
Ионные двигатели для космических миссий – Учительская газета
Команда российских ученых и инженеров на базе НИИ прикладной механики и электродинамики Московского авиационного института (МАИ) занялась разработкой ионных двигателей нового поколения. Они предназначены как для орбитальных космических аппаратов, так и для полетов на другие планеты, в том числе и в дальний космос. Одной из причин, ограничивающих перемещение космических аппаратов по Вселенной, является недостаточная мощь их двигателей. Даже самые совершенные из них не позволяют добраться к месту назначения за короткий срок, а порой и выполнять намеченную исследовательскую программу. Тем более это касается потенциальных пилотируемых полетов. Никого не прельщает перспектива проводить в космосе годы, и поэтому разработчики космической техники постоянно ищут способы увеличить мощность двигателей за счет введения различных передовых новшеств.
Так выглядит ионный двигатель
Так, еще в 50‑х годах прошлого столетия NASA разрабатывало проект «Орион», предусматривавший строительство гигантского космического корабля, запускавшегося посредством взрыва находящейся внизу ядерной бомбы.
По расчетам разработчиков, корабль, летящий на ядерном импульсе, должен был добраться до Марса всего за три месяца. Проект был заморожен по понятным причинам: во-первых, радиация, которая подействовала бы и на астронавтов, во-вторых, электромагнитный импульс, возникший при запуске, уничтожил бы всю технику на борту корабля… Правда, позднее ядерная энергия, возникающая при распаде плутония, была все же использована для полетов «Вояджера-1», «Вояджера-2» и «Кассини». Однако запасы плутония на земном шаре ограниченны.
В 1988 году аэрокосмический инженер Леик Мирабо предложил идею использования лазерного излучения для космических аппаратов. Аппарат должен был иметь коническую форму, причем лазерный луч должен был выстреливать с узкого конца конуса, где находился параболический отражатель. Это нагревало бы воздух внутри двигателя до 30000 градусов, в результате происходил бы взрыв, создающий тягу.
Что же касается ионной технологии, то именно ее использовал зонд Dawn, запущенный в сентябре 1997 года для изучения карликовых планет Весты и Цереры.
Работа таких двигателей основана на бомбардировке атомов ксенона электронами, что приводит к образованию ионов. Их испускают металлические сетки, расположенные в задней части двигателя и заряженные на 1000 вольт. Максимальная скорость, которую удавалось набрать зонду, составила 38600 километров в час. При этом ионные двигатели требуют минимального количества топлива, так как питаются от солнечных батарей. Правда, для перевозки людей скорость остается слишком медленной. Способ больше подходит для транспортировки оборудования и припасов. Это весьма пригодится, если все-таки появятся колонии на Луне и Марсе.
В прошлом году было объявлено о том, что в рамках космической миссии «Психея» впервые будет задействован инновационный двигатель Холла. Космический аппарат, разработанный для NASA спутниковой компанией Maxar, должен был послужить основой для роботизированного корабля, которому предстоит исследовать металлический астероид, возможно, представляющий собой остатки протопланеты, существовавшей на заре образования Солнечной системы.
Такой тип ускорителя, как двигатель Холла, впервые использовался для полетов в открытый космос. Эффектом Холла называют возникновение в электрическом проводнике разности напряжений на краях образца, помещенного в поперечное магнитное поле, при протекании тока перпендикулярно этому полю.
Впервые двигатели, работающие на основе данного эффекта, начали применять в 70‑х годах прошлого столетия в СССР. Они относятся к электростатическим ракетным двигателям, но обладают большей тягой, чем стандартные ионные, будучи одного размера с последними. В частности, каждый такой ускоритель способен генерировать в три раза больше тяги, чем ионный двигатель межпланетной станции Dawn. Сегодня их используют для выведения спутников на целевые орбиты, причем не только в России, но и за рубежом. По словам экспертов, без подобной технологии путешествие на Психею вообще стало бы невозможным, так как использование традиционных химических двигателей требует колоссальных объемов финансирования. Новая же разработка позволяет провести исследование астероида сравнительно дешево и уложиться в «бюджетный» миллиард долларов.
Как сообщают авторы нового проекта, разрабатываемого сотрудниками МАИ, принцип работы ионных двигателей основан на разгоне ионов полями, когда ускоренные заряженные частицы вылетают из двигателя, тем самым создавая тягу, заставляющую аппарат лететь.
По словам ведущего научного сотрудника НИИ прикладной механики и электродинамики Вартана Абгаряна, ранее никем не изучалась возможность увеличения тяги высокочастотных ионных двигателей «путем изменения геометрии основных элементов конструкции».
В настоящее время члены команды исследуют, как изменение разрядной камеры и электронов ионно-оптической схемы может воздействовать на характеристики двигателя. В частности, речь идет об «эффективности использования магнитной защиты стенок разрядной камеры от осаждения заряженных частиц из плазмы». Тяга в таком случае может возрасти на 10-15%, а далее и на 40%. Все расчеты проводятся на инженерной модели плазменного разряда в высокочастотном ионном двигателе. Внутри разрядной камеры формируется плазма, состоящая из атомов, ионов и электронов.
Все эти заряженные частицы проходят через электроды ионно-оптической системы, представляющие собой 2-3 тонкие пластины с множеством отверстий, расположенных на расстоянии миллиметра друг от друга. Газы, вылетающие из двигателя, и создают необходимую тягу.
По словам специалистов, у таких проектов огромный потенциал. Например, подобная аппаратура сможет корректировать работу спутников на орбите. Но куда более интересная перспектива – использование двигателя такого типа в ядерном буксире «Зевс», который планируется запустить к другим планетам Солнечной системы.
Основной же вопрос, который сейчас всех волнует: а что будет с международными космическими программами и сотрудничеством России и других стран в области космоса при нынешней обостренной геополитической ситуации? Будет ли сотрудничество продолжено или эти программы станут сворачиваться? И смогут ли отдельные государства вести автономные разработки и исследования? Пока ответить нечего. Но очень хочется надеяться, что высокомощные двигатели, тем более отечественного производства, станут реальностью, а не останутся в проекте.
Ида ШАХОВСКАЯ
Ионные двигатели «Центра Келдыша» будут испытаны через 5 лет
Ионные двигатели, разработанные в исследовательском центре имени Келдыша, пройдут космические испытания в 2025-2030 годах. Эксперты называют эти работы самыми перспективными для освоения дальнего космоса и осуществления межпланетных перелетов.
Следите за новостями «Новый оборонный заказ. Стратегии» в Google News, будьте в курсе событий!
Сотрудники унитарного предприятия назвали параметры разработки: мощность от 200 Вт до 35 кВт, срок службы до 15 лет. При этом в исследовательском центре уже планируется система мощностью до 100 кВт. Предполагается, что двигатели малой мощности будут использоваться в низкоорбитальных малых космических аппаратах, высокой мощности — в тяжелых транспортных системах.
Об устройстве и значении ионных двигателей журналу «Новый оборонный заказ. Стратегии» рассказал Председатель Секции истории авиации и космонавтики СПбФ ИИЕТ РАН, заместитель председателя СПбО Русского Космического Общества Виталий Лебедев:
Ионный двигатель — один из типов электрического ракетного двигателя.
Его принцип работы основан на создании реактивной тяги истекающим ионизированным газом, который разгоняется до высоких скоростей электрическим полем. То есть ионная двигательная установка (ДУ) характеризуется малой тягой и высоким удельным импульсом.
Достоинства таких двигателей — малый расход рабочего тела (топлива, в основном это инертные газы — аргон, ксенон и т.п.) и продолжительное время функционирования. Недостаток — ничтожная тяга по сравнению с обычными химическими ДУ. Поэтому ионные ДУ не могут применяться для старта с планеты, там, где необходимо преодоление сил гравитации, а используются в безвоздушном пространстве (космосе) для управления космическими аппаратами, рассчитанными на длительное функционирование при ограниченных размерах. В основном, это системы ориентации и положения искусственных спутников на орбите, или на небольших автоматических космических станциях, в качестве основного тягового двигателя.
При достаточно долгой работе, например в ходе межпланетного перелета, ионный двигатель способен разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким другим существующим видам двигательных установок.
Переводя на автомобильный язык, это эффективный и экономичный двигатель для крейсерского режима движения. Ресурс работы ионных ДУ составляет от 10 тысяч до 100 тысяч часов, сейчас и у нас, и за рубежом ведутся работы по увеличению мощности таких двигателей.
Впервые идея подобного двигателя была выдвинута фантастами в 1910 году (роман Дональда В.Хорнера «Аэроплан к солнцу: приключения авиатора и его друзей»). Теоретическую базу создания таких ДУ впервые сформулировал Роберт Годдард в 1917 году. Но лишь в 1954 году Эрнст Штулингер сделал необходимые расчёты.
В 1930-х годах в Ленинграде уже велись работы над электроракетными двигателями, разновидностью которых стали ионные ДУ, основной прорыв произошел в конце 1950-х. И уже в 1964-м году на советский КА «Зонд-2» был установлен в том числе плазменно-эрозионный двигатель конструкции А.М. Андрианова. Он работал как двигатель ориентации и питался от солнечных батарей.
Сегодня при планировании дальнейшего освоения космического пространства, а также перспектив межпланетных исследований разработка подобных ДУ вместе с развитием ядерно-энергетических установок становится самым перспективным направлением исследований.
Потенциал ионных двигателей
Главной особенностью электрических двигательных (ионных) двигателей Hayabusa является генерация плазмы с использованием микроволн. Движение достигается за счет ускорения ионизированного топлива — газообразного ксенона — с помощью сильного электрического поля и выбрасывания его на высокой скорости. Хотя этот тип силовой установки обеспечивает меньшую мощность, чем химические двигательные установки, в которых используется сгорание топлива и окислителя, электрические двигательные установки имеют очень высокую эффективность использования топлива и могут поддерживать ускорение в течение длительного времени. Срок службы этих двигателей был увеличен в три раза по сравнению с обычными за счет изготовления пластин ускоряющих электродов ионных двигателей из углерод-углеродного композитного материала, который обладает превосходной долговечностью. Проект Hayabusa был первым испытанием ионного двигателя на практике.
В. Что было главной задачей при разработке ионных двигателей Hayabusa?
Четыре ионных двигателя установлены на Hayabusa
Запуск ионных двигателей во время наземных испытаний
Это новая система, поэтому было очень сложно создать каждую часть с использованием существующих технологий.
Успешная разработка ионных двигателей зависела от создания материалов, которые выдержали бы 14 000 часов работы в космосе, поскольку обратный полет между Землей и астероидом занимает несколько лет. Поэтому нам нужно было продемонстрировать, что двигатели могут работать в течение длительного периода времени, и мы провели два 18 000-часовых испытания на выносливость. Есть около 9000 часов в год, что означает, что один тест занимает два года. Двигатели были помещены в вакуум для ресурсных испытаний, проводимых полностью автоматизированной операционной системой, которую также было сложно построить. Поначалу это было стрессом, потому что простая ошибка программирования могла привести к останову системы в процессе работы и прервать тест. В первые дни я даже спал в лаборатории месяцами, потому что боялся, что компьютер может остановиться. Будь то воскресенье или полночь, я время от времени спешил в лабораторию, когда мне звонили и говорили, что с оборудованием что-то не так. Такой долгий тест означал, что мы обошлись без новогодних и летних каникул.
Когда первое испытание на выносливость было наконец завершено в 1999, это был такой радостный момент.
Успешное завершение двух 18 000-часовых испытаний на выносливость вселило в нас большую уверенность. Однако космическая среда сильно отличается от созданной человеком вакуумной системы. Мы уверены в системе ионного двигателя Хаябусы, но до сих пор не уверены в ее надежности в космосе. Мы оснастили космический корабль системой, чтобы протестировать ее, поэтому то, что происходит каждый день, я вижу как новое открытие для нас.
Q. «Хаябуса» успешно выполнила маневр по облету Земли в мае 2004 года, через год после запуска. Чем этот обход отличался от обычного?
Полет на Хаябусе был первой попыткой перехода на орбиту с использованием для ускорения комбинации движителя с вращением вокруг Земли и ионного двигателя. Ионный двигатель имеет очень высокий КПД, но мощность его двигателя ограничена, поэтому переход на орбиту займет много времени. Однако длительный период разгона приводит к постепенному растяжению орбиты космического корабля.
Это означает, что он перемещается дальше от Солнца и получает меньше солнечной энергии, поэтому его солнечные лопасти не могут генерировать достаточное количество электроэнергии для продолжения ускорения. Вот почему мы выбрали комбинацию ионного двигателя и пролета Земли. В первый год после запуска мы использовали ионные двигатели для ускорения космического корабля в направлении, которое позволяло бы ему находиться достаточно близко к Солнцу, чтобы он мог получать достаточное количество электроэнергии от солнечного света.
Изображение Земли, сделанное Hayabusa
Переход на орбиту заданного астероида осуществлялся путем накопления первой скорости с помощью ионных двигателей, питающихся от электроэнергии, вырабатываемой солнечными панелями. Затем мы удвоили скорость Хаябусы, используя технику разворота. Чтобы выполнить точный поворот, орбита должна быть установлена очень точно. Мы сделали это 19 мая, но начали наводить корабль на точку разворота примерно за два месяца до этого.
Я испытал облегчение, когда обход удался, но в то же время я был занят операциями, которые нужно было выполнить после этого события. Поскольку космический корабль удаляется от Солнца, доступной электроэнергии становится меньше, поэтому вам нужен новый метод работы. Честно говоря, я нервничал перед этими сложными операциями.
В. Что из операций Хаябусы запомнилось вам больше всего?
Самый впечатляющий момент для меня был, когда поверхность Итокавы стала хорошо видна, когда Хаябуса приблизился к астероиду. Я так усердно работал над созданием ионного двигателя, потому что хотел увидеть мир, которого никогда раньше не видел. Я действительно понял, что это значит, когда впервые увидел Итокаву. Приземление на Итокаве тоже запомнилось, но после прибытия к астероиду ионные двигатели не использовались, так что нашей группе было нечего делать. Я просто наблюдал за этой сценой, надеясь, что Хаябуса благополучно приземлится, взлетит и скоро вернется на Землю.
В.
Чему вы научились во время миссии Хаябуса?
Техническое развитие не всегда идет так, как хотелось бы. Были времена, когда я почти чувствовал себя побежденным и задавался вопросом о размахивании белым флагом. Но я смог завершить технологию в последнюю минуту, зная, что, если я сдамся, оригинальная система двигателя, созданная в Японии, не появится на свет.
Миссии не всегда проходят так гладко, как планировалось. Хаябуса преодолел множество препятствий. В этом смысле я чувствую, что мало-помалу, почти как новорождённого ребёнка, взращивал ионные двигатели Хаябусы, успокаивая и подбадривая их. Я настроен не сдаваться до конца.
В. Что для вас значит Хаябуса?
Астероид Итокава
Миссия Hayabusa была моей целью. Я занимаюсь исследованиями в области ионных двигателей с 1980-х годов. Проекта «Хаябуса» тогда еще не существовало, но, зная характеристики ионных двигателей, я был уверен, что однажды их можно будет использовать для исследования малых тел, таких как астероиды и кометы.
А в 1990-х, когда проект «Хаябуса» утвердили, очень хотелось установить на космический корабль ионные двигатели. Что касается разработки технологии, у нас было сильное желание внести свой вклад в японские научные исследования с помощью нашей собственной оригинальной технологии, а не копировать другие страны. Поэтому мы работали над созданием ионного двигателя СВЧ-разряда, который был абсолютно новой системой в то время. По мере приближения крайнего срока были моменты, когда мы думали, что можем не успеть. Но я очень горжусь тем, что мы смогли создать технологию вовремя для Hayabusa, и его четыре ионных двигателя установили рекорд в 26 000 часов работы и продолжают считать.
В. О чем ты мечтаешь?
То, что мы сделали с Hayabusa, касается динамики полета в глубоком космосе. Начальную скорость обычному исследователю придает крупногабаритная ракета, а в дальнейшем используется инерциальная навигация. Тем не менее, Hayabusa, оснащенный высокопроизводительными двигателями, способен самостоятельно генерировать устойчивую тягу и выполнять переход на орбиту.
С помощью этой технологии я хотел бы разработать новую космическую транспортную систему между Землей и дальним космосом.
В. Есть ли у вас сообщение для детей, которые хотят в будущем участвовать в развитии космоса?
Я считаю, что развитие технологий меняет наше мировоззрение. Например, говорят, что советский космонавт Юрий Гагарин, который в 1961 году стал первым человеком в космосе, заметил, что Земля голубая. Возможно, это был момент, когда Земля впервые была признана уникальным оазисом в кромешной тьме Вселенной. Я думаю, что Хаябуса принесет в науку новый взгляд на космос. Эволюция технологий направлена не только на космос, но и на многие другие области, такие как дно океана, микроскопический мир и внутренняя биология. Я бы хотел, чтобы молодые люди расширили границы человеческого разума и деятельности.
В. Что вы думаете о возвращении Хаябусы?
Все с момента запуска было для меня новым опытом, но космический корабль, возвращающийся на Землю, сейчас находится в состоянии, которое мы не могли себе представить при запуске.
После того, как у Hayabusa возникли проблемы с большей частью своего оборудования по прибытии в Итокаву, единственными устройствами, которые можно использовать для обратного пути, являются инерционное колесо для управления ориентацией и ионные двигатели.
Исследователь астероидов Хаябуса (Итокава в реальном изображении и Хаябуса в компьютерной графике)
Помимо этих нескольких устройств, мы придумали новый маневр управления ориентацией, используя давление солнечного света, и с марта этого года тестируем ионные двигатели. «Хаябуса» окончательно покинул орбиту «Итокавы» в середине апреля, и теперь мы сделаем все возможное, чтобы безопасно вернуть его на Землю. Этот новый метод управления также может быть применен для управления ориентацией и орбитой паруса на солнечной энергии, что является нашей следующей целью для реализации. Так что в этом смысле нам очень повезло, что у нас есть возможность работать над этой новой инженерной программой.
Если «Хаябуса» на ионном двигателе благополучно вернется обратно, а капсула с образцами астероида будет успешно доставлена на Землю, это достижение будет значительным не только в инженерном, но и в научном смысле. Поэтому я хотел бы вернуть Хаябусу домой, пытаясь заставить ионные двигатели работать в космосе как можно дольше. Я верю в потенциал ионных двигателей.
Хитоши Кунинака
Доктор технических наук. Профессор кафедры космического транспорта Института космических и астронавтических наук (ISAS)/JAXA.
В 1988 году доктор Кунинака окончил факультет аэронавтики и астронавтики Токийского университета и получил должность в ISAS. Он занимает свою нынешнюю должность с 2005 года, а также является профессором кафедры аэронавтики и астронавтики Высшей инженерной школы Токийского университета. Доктор Кунинака специализируется на электрических двигателях и плазменной технике.
Новый ионный двигатель НАСА бьет рекорды и может доставить людей на Марс
Футуризм
10.
13. 17 Брэда Джонса наш лучший выбор еще для поездки на красную планету.
/ Off World/ Hall Thruster/ Mars/ NASA
10. 13. 17 Brad Jones
Ionic Propulsion от NASA
Новый двигатель NASA X3, который разрабатывается исследователями Мичиганского университета в сотрудничестве с агентства и ВВС США, побил рекорды в недавних испытаниях. Есть надежда, что эту технологию можно будет использовать для доставки людей на Марс.
X3 — тип двигателя Холла, конструкция которого использует поток ионов для приведения в движение космического корабля. По данным НАСА, плазма выбрасывается для создания тяги, обеспечивая гораздо большие скорости, чем это возможно с ракетами на химическом топливе. Нажмите, чтобы просмотреть полную инфографику
Максимальная скорость химической ракеты составляет около пяти километров в секунду (1,86 мили/сек), а двигатель Холла может развивать скорость до 40 километров в секунду (25 миль/сек). Этот вид увеличения особенно актуален для дальних космических путешествий, таких как предполагаемое путешествие на Марс.
На самом деле, руководители проектной группы прогнозируют, что технология ионного двигателя, подобная этой, может доставить людей на Красную планету в течение следующих 20 лет.
Ионные двигатели также более эффективны, чем их химические аналоги, и требуют гораздо меньше топлива для перевозки аналогичного количества экипажа и оборудования на большие расстояния. Алек Галлимор, руководитель проекта, в интервью Space.com заявил, что ионный двигатель может двигаться в десять раз дальше, используя такое же количество топлива.
Конечно же, существует множество других способов путешествия в дальний космос. Недостатком химических конструкций является необходимость брать с собой в космос химическое топливо, что увеличивает массу и требует больше топлива для подъема в космос, и так далее. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель Bussard, который представляет собой тип термоядерной ракеты, собирает рассеянный водород в космосе с помощью огромного черпака, а это означает, что, поскольку его топливо подбирается в пути, он может достигать скорости света.
Нажмите, чтобы просмотреть полную инфографику
Любители научной фантастики признают сверхсветовые теоретические формы, такие как варп-двигатель. Общая теория относительности утверждает, что ничто не может двигаться быстрее скорости света во Вселенной. Однако, если бы мы могли сжимать и расширять ткань пространства-времени впереди и позади нас соответственно, технически мы могли бы двигаться быстрее скорости света. Тем не менее, научный консенсус до сих пор заключается в том, что мы далеки от такого рода технологий.
Красная планета, зеленый свет
Недавние испытания показали, что двигатель X3 может работать с мощностью более 100 кВт, генерируя 5,4 ньютона тяги — самый высокий из всех ионно-плазменных двигателей на сегодняшний день. Он также побил рекорды по максимальной выходной мощности и рабочему току.
Очевидно, что технология находится на пути к отправке людей на Марс где-то в ближайшие двадцать лет. Тем не менее, это не без его ограничений.