Ион в деле: в МАИ создают двигатель для дальних космических миссий

Учёные Московского авиационного института работают над улучшением характеристик высокочастотного ионного двигателя. Ионные двигатели применяются, например, для коррекции орбиты спутников. Они имеют огромный потенциал для использования на космических аппаратах, выполняющих миссии в дальнем космосе, таких как российский ядерный буксир «Зевс», который полетит к другим планетам Солнечной системы.

Гори огнем

Ионные двигатели — одни из самых перспективных и широко используемых устройств в космосе. Сейчас их в основном применяют для коррекции положения и поддержания рабочей орбиты геостационарных спутников.

Учёные из МАИ исследуют возможность повышения эффективности работы высокочастотного ионного двигателя за счёт изменения геометрии его элементов. Такие устройства работают за счёт разгона ионов рабочего газа электрическим полем: поток ускоренных заряженных частиц вылетает из двигателя, создавая тягу — силу, которая «толкает» аппарат. Однако для того, чтобы появились ионы, газ сначала нужно ионизировать — убрать у атомов рабочего газа электрон, превратив их в положительно заряженные частицы. Газ, который состоит из электронов, ионов и атомов, называется плазмой.

Плазма генерируется внутри разрядной камеры — с одной её стороны располагается подвод газа, а со второй — электроды ионно-оптической системы. Это две или три тонкие пластины, расположенные на расстоянии порядка миллиметра друг от друга, со множеством отверстий. Между ними приложено электрическое поле, ускоряющее положительное ионы из плазменного разряда. Из отверстий в электродах выходит направленный поток ионов, обеспечивающий движение космического аппарата.

— Мы исследуем метод повышения тяги за счёт изменения геометрии основных элементов конструкции высокочастотного ионного двигателя, — рассказал руководитель проекта, ведущий научный сотрудник НИИ прикладной механики и электродинамики МАИ Вартан Абгарян. — В частности, мы рассматриваем влияние формы разрядной камеры и электродов ионно-оптической системы на характеристики двигателя. Кроме этого мы будем изучать эффективность применения магнитной защиты стенок разрядной камеры от выпадения заряженных частиц из плазмы.

Такая постановка задачи определения облика высокочастотного ионного двигателя ранее нигде в мире не применялась.

— Мы ожидаем улучшения эксплуатационных характеристик двигателя, в частности увеличения тяги на 10–15%, и эффективности использования рабочего газа, — сообщил Вартан Абгарян. — После создания устройства «в железе» появятся рекомендации для прототипа двигателя, который можно будет представить ведущим ракетно-космическими предприятиям РФ.

Для проведения вычислений используется инженерная модель плазменного разряда в высокочастотном ионном двигателе. Она позволяет оценить распределение различных параметров плазмы по объёму разрядной камеры.

— Эти параметры в высокочастотном индуктивном разряде зависят от большого количества различных факторов, в том числе и от формы разрядной камеры и электродов ионно-оптической системы, — рассказал заместитель начальника лаборатории НИИ прикладной механики и электродинамики МАИ Андрей Мельников. — Рассчитав распределение этих параметров, мы можем оценить характеристики двигателя. Таким образом, при рассмотрении различных конфигураций камеры и электродов ионно-оптической системы появляется возможность определить их оптимальные формы, которые могут обеспечить повышение тяги и коэффициента полезного действия двигателя.

Далеко смотрю

Практически все ведущие космические страны рассматривают применение ионных двигателей на борту космических аппаратов, предназначенных для миссий в дальнем космосе. В частности, российский ядерный буксир «Зевс», который сможет доставить к Юпитеру десятки тонн полезной нагрузки, будет использовать подобные технологии.

— Ионные двигатели были разработаны в СССР, и Россия до сих пор остаётся лидером в этом направлении, — сообщил член-корреспондент Российской академии космонавтики Андрей Ионин. — Главное преимущество таких двигателей — долгое время работы в противоположность химическим, которые «выгорают» крайне быстро. Главные недостатки — небольшая тяга и необходимость огромной энергии для работы. На спутниках последняя проблема решается за счёт использования солнечных батарей. Но если аппарату нужно повысить тягу, придётся собирать двигатели в целые блоки, и энергии им потребуется намного больше. Отсюда необходимость ядерного источника энергии, как на «Зевсе».

Эксперты отмечают, что химические жидкостные ракетные двигатели в любом случае намного больше подходят для выведения космических аппаратов на низкие околоземные орбиты. Однако для дальнейших операций в космосе во многих случаях более эффективны ионные.

— При этом даже небольшой прирост величины тяги ионного двигателя — то, за что стоит бороться. 15% — это хороший результат, — считает ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН Натан Эйсмонт. — Это означает, что скорость аппарата будет на 15% больше при той же массе топлива. Если получится воплотить конструкцию «в железе», можно будет поздравить коллег с заметным достижением, хотя, конечно, предстоит большая работа по установке двигателей на космический аппарат.

Проект поддержан грантом Российского научного фонда. В будущем учёные планируют ещё больше повысить тягу двигателя за счёт дальнейшей работы с его конструкцией.