Ионный двигатель. Эта идея на самом деле очень проста для понимания.
Для работы такого двигателя нужны… да-да, ионы! Или, другими словами, электрически заряженные частицы. Их можно получить, например, сняв с обычных атомов оболочку из отрицательно заряженных электронов. И тогда останутся положительно заряженные атомные ядра. Теперь, из-за имеющегося у них электрического заряда, их можно разгонять электрическими полями. А когда объект выбрасывает массу (рабочее тело) в одном направлении, он начинается двигаться в противоположном. Это работает и в том случае, если рабочее тело двигателя состоит из атомных ядер. Просто в этом случае движение будет незначительным. Но это необязательно является проблемой.
Принцип работы
На практике в качестве источника ионов очень часто используется газообразный ксенон. Ведь его сравнительно легко получить. Плюс он практически не реагирует химически с какими-либо другими материалами. А это весьма практично. Потому что мало кому захочется иметь в космическом зонде ненужные химические реакции.
Ионизировать атомы ксенона, т. е. отобрать у них электроны, тоже легко. Все, что для этого нужно, – это иметь немного энергии. Электрическое поле, с помощью которого эти ионы затем ускоряются, тоже нуждается в наличии энергии. Ее можно собирать с помощью солнечных батарей. Ведь в космосе достаточно много солнечного света. Если, конечно, наш зонд работает не слишком далеко от ближайшей звезды.
Технические детали, конечно, имеют некоторые сложности. Например, нужно вернуть ядрам атомов их электроны после выброса. Потому что в противном случае вместо того, чтобы двигаться по прямой линии от космического аппарата, частицы из-за своего электрического заряда будут неизбежно возвращаться к нему.
Самый главный плюс, который имеет ионный двигатель, заключается в том, что для его работы не нужно иметь больше нескольких десятков килограммов топлива. И вполне достаточно солнечных батарей, чтобы генерировать необходимое количество энергии для создания электрического поля. С помощью ускоренных частиц, выбрасываемых из ионного двигателя, можно двигать, в принципе, любой космический корабль.
Частицы в ионном двигателе движутся со скоростью до 200 километров в секунду. Однако это вовсе не означает, что космический корабль удаляется с такой же скоростью в противоположном направлении. Потому что его масса, конечно, значительно больше массы выброшенных частиц. Следовательно, ионный двигатель недостаточно быстр для того, чтобы с его помощью взлетать с Земли в космос. Сила, развиваемая типичным ионным двигателем, примерно равна давлению, которое можно почувствовать, когда на голову падает несколько листов плотной бумаги. Однако (и в этом вся суть!) ионный двигатель может поддерживать эту мощность в течение длительных периодов времени. И в космическом вакууме нет никакой силы, способной замедлить космический корабль. Если разгоняться достаточно долго, то можно добиться большого эффекта, даже прикладывая небольшие усилия. И самое главное – не нужно брать в космос, как уже отмечалось выше, огромное количество топлива!
На практике
Первые испытания ионных двигателей были проведены НАСА в 1960-х годах. И в настоящее время существует множество космических зондов и спутников, использующих эту технологию.
Например, европейский спутник связи Artemis. Он полетел в космос в 2001 году и имел на борту два новых ионных двигателя, которые предстояло испытать. Тест прошел успешно. Но не совсем так, как ожидалось. Ракета, запустившая спутник, не смогла развить полную мощность. И спутник оказался на гораздо более низкой орбите, чем предполагалось. Но, используя ионные двигатели, он все же смог достичь намеченной позиции. Правда, намного позднее. Космическому аппарату потребовался для этого почти год! Он преодолевал по 20 километров в сутки, пока не оказался там, где должен был оказаться изначально.
Японский космический зонд «Хаябуса» тоже оказался весьма успешным проектом. Он полетел в космос в 2003 году и стал первым японским космическим аппаратом с ионным двигателем. Целью миссии был астероид Итокава, на котором нужно было собрать образцы и доставить их на Землю. Что было успешно проделано.
Перспективы?
И все же ионные двигатели редко используются для полетов по Солнечной системе. Это делается только в том случае, если никто никуда не торопится. Сегодня ионные двигатели в основном используются для коррекции орбит спутников связи. Для того чтобы эти космические аппараты могли правильно выполнять свои функции, они должны занимать строго определенное положение на околоземной орбите. Однако гравитационное влияние Солнца и Луны медленно, но верно выталкивает их с нужных точек. И поэтому необходимо регулярно корректировать траекторию спутников. Совсем немного. Однако для этого нужно топливо. Ионный двигатель идеально подходит для этих целей. Поскольку может работать в течение длительного времени, используя небольшую массу. Что значительно удешевляет весь процесс. Большинство спутников связи – коммерческие. И чем дольше такая штука живет на орбите, тем лучше и выгоднее это для использующих ее операторов.
В принципе нет никаких преград применению ионных двигателей для достижения гораздо более амбициозных целей. С помощью этой технологии планируется даже удерживать целые космические станции на их вероятных орбитах. И есть даже концепции, предполагающие отправку космических зондов к другим звездам с помощью ионного двигателя.
Однако головокружительные погони на TIE-истребителях в космосе, как это происходит в «Звездных войнах», и в будущем останутся только научной фантастикой…
Источник: «Живой космос» (alivespace.ru)
