Космічні апарати прискорюються переважно за допомогою хімічної реакції, яка нагріває робоче тіло та створює реактивний імпульс. Однак уже зараз з’являються двигуни нового покоління — електричні, іонні, плазмові. Ось основні відомості щодо того, чому вони кращі за попередні та чому їх досі не витіснили.
1. Чому людей не влаштовують хімічні реактивні двигуни?
Головною проблемою хімічних двигунів, які зараз використовуються у космічній техніці, є їхній низький питомий імпульс. Кілограм газів, що виходить із їхнього сопла, має занадто малу швидкість і, відповідно, надає кораблю відносно невелике прискорення.
Саме через це паливо й окислювач складають більшу частину маси сучасних ракет, що обмежує корисне навантаження, яке люди можуть узяти з собою в космос. Швидкість, яку можуть розвинути космічні апарати під час запуску, рідко перевищує 15 км/с. Через це навіть політ до Марса триває кілька місяців, не кажучи про подорожі до планет-гігантів.
2. Чи плазмові, іоні та електричні двигуни — одне і те саме?
Підвищити питомий імпульс ракетних двигунів можна, якщо замість енергії хімічної реакції використовувати прискорення магнітним полем. А його, своєю чергою, створювати за допомогою електричного струму у провідниках різної форми. Щоправда, перед цим треба перетворити молекули газу на заряджені частинки — іони.
Саме на цьому принципі засновані численні концепти електричних, плазмових та іонних двигунів. Всередині кожного із цих класів є велика кількість різних конструкцій, але, по суті, всі вони працюють більш-менш однаково. В усіх випадках від молекул газу відриваються електрони й перетворюються на іони. Різниця полягає переважно в тому, чи доходить цей процес до кінця, тобто до утворення плазми.
3. Коли з’явилися електричні двигуни?
Ідея електричного реактивного двигуна з’явилася ще на початку XX століття, а вже у 30-х роках були збудовані перші експериментальні зразки. Вони підтвердили, що питомий імпульс такого двигуна може сягати 30 тис. м/с у порівнянні з 4600–5000 м/с, які може дати хімічний двигун.
Перше випробування електричного реактивного двигуна у космосі відбулося 1964 року, коли був запущений апарат SERT-1 (NASA). Однак їхнє масове застосування для стабілізації орбіт супутників розпочалося лише у 1980-ті. А як маршові двигуни для міжпланетних місій вони вперше були використані на апараті Deep Space 1.
4. Де електричні двигуни використовуються зараз?
Зараз електричні реактивні двигуни використовуються для корекції орбіт супутників майже так само часто, як і хімічні. Найвідомішим і найуспішнішим прикладом тут є апарати Starlink, які використовують двигуни на ефекті Голла, що працюють на криптоні.
У міжпланетних місіях найуспішнішими прикладами використання електричних двигунів є апарат Dawn, який дослідив Цереру та Весту, й місії «Хаябуса-1» та «Хаябуса-2», що змогли привезти на Землю зразки ґрунту з астероїдів. У майбутньому планується застосувати подібну силову установку для корегування орбіти місячної орбітальної станції.
5. У чому проблеми з електричними двигунами?
Основна причина, через яку електричні двигуни досі не витіснили хімічні, полягає в тому, що високий питомий імпульс не дорівнює великій тязі. Хоча такі рушії використовують робоче тіло значно економніше за хімічні, викидати іони у достатній кількості, аби створити справді велику силу тяги, вони не можуть.
У деяких із них це зумовлено самою конструкцією. Інші — наприклад, магнітоплазменні — могли б зрівнятися за цим показником із хімічними, але потребують для роботи значно потужніших джерел енергії, ніж сонячні панелі чи РІТЕГ. Саме тому для старту із Землі та розгону в космосі великих апаратів вони ніколи не використовувалися.
Тільки найцікавіші новини та факти в нашому Telegram-каналі!
Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine
