Новый этап в работе над ионным двигателем. До Марса за две недели.

Разрабатываемый Мичиганским университетом и ВВС США для NASA ионный двигатель X3 установил новый рекорд эффективности.

Это тип электрического ракетного двигателя (ЭРД), принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.

Рабочим телом, как правило, является ионизированный инертный газ (чаще всего это ксенон), но иногда даже ртуть. Основным достоинством этого типа двигателей является малый расход топлива и продолжительное время функционирования (максимальный срок непрерывной работы самых современных образцов ионных двигателей составляет более трёх лет). Недостатком ионного двигателя является ничтожная по сравнению с химическими двигателями тяга. По сравнению с двигателями с ускорением в магнитном слое ионный двигатель обладает большим энергопотреблением при равном уровне тяги. Ионные двигатели используют повышенные напряжения, обладают более сложной схемой и конструкцией, что усложняет решение задачи обеспечения высокой надёжности и электрической прочности двигателя.

Проще говоря — ионные двигатели используют электричество (обычно генерируемое солнечными батареями или газовым топливом) для вытеснения плазмы из сопла, создавая таким образом тягу.

Основной сферой применения на сегодняшний день является управление ориентацией искусственных спутников, которые приходится оснащать десятками маломощных ионных двигателей.

Каков новый рекорд?

Исследователи Мичиганского университета смогли увеличить максимальную мощность ионного двигателя X3 до 100 кВт, который генерирует при этом 5,4 ньютона силы (предыдущий рекорд составляет 3,3 ньютона).

«Мы показали, что X3 может работать с мощностью более 100 кВт, — говорит руководитель проекта Алек Галлимор. — Он работал с огромным диапазоном мощности от 5 кВт до 102 кВт с электрическим током до 260 ампер. Он генерировал 5,4 ньютона тяги, что является самым высоким уровнем тяги, достигнутым любым плазменным двигателем на сегодняшний день».

По сравнению с химическими реактивными двигателями (ХРД), разгоняющими КА до скорости в 5 км/с, ионный способен разогнать их до 40 км/с. По предварительным подсчётам, при условии минимального расстояния между Землёй и Марсом (56 млн. км), до последнего мы сможем долететь всего за 2 недели, а это очень ощутимая разница по сравнению с годовым полётом, к которому сегодня готовят предполагаемых колонистов.

В качестве справки:

Компания Ad Astra, которую возглавляет астронавт и физики по специальности Франклин Чанг-Диас, получила в 2015 году от NASA грант в размере $9 млн на разработку ракетного двигателя, который, как заявляется, должен доставить человека на Марс всего за 39 дней.

Ионные двигатели применялись уже в нескольких окончившихся миссиях, а также в текущих, как, например, в аппарате Dawn, вышедшем на орбиту карликовой планеты Церера. АМС оборудована тремя ксеноновыми ионными двигателями, разработанными на основе образца, испытанного на зонде Deep Space 1. Каждый двигатель имеет тягу 30 мН и удельный импульс 3100 с; одновременно возможна работа одного двигателя. При нормальной работе ионные двигатели Dawn обеспечивают прирост в скорости на 97 км/ч (60 миль/ч) за каждые 4 дня.

Снимки Цереры, сделанные межпланетным зондом Dawn с расстояния в 42 тыс. км от её поверхности.

Один из основных недостатков ионного двигателя состоит в слабой тяге: чтобы разогнать корабль, ему нужно работать довольно длительное время. Поэтому, например, его бессмысленно использовать на Земле.

Так когда ионный двигатель выйдет на новый уровень?

Нынешние ионные двигатели, доступные на рынке, создают тягу всего в 3-4 кВт, тогда, как для отправки человека на Марс нужны намного более мощные установки, способные достичь мощности, как минимум в 500 кВт, а лучше 1 МВт.

По адекватным оценкам в течение ближайших 20 лет ионные двигатели вполне смогут справиться с этой задачей, при условии сохранения текущего темпа развития техники и технологий.

На следующий год командой тех же исследователей запланирован продолжительный тест, задачей которого будет выяснить, сможет ли ионный двигатель малой тяги проработать 100 часов подряд. Сейчас для этого теста инженеры разрабатывают специальную магнитную экранирующую систему, которая должна защитить стенки двигателя от повреждения плазмой. Предполагается, что этот экран позволит двигателю работать на полную мощность в течение несколько лет.

---

https://zen.yandex.ru/media/scikit/novyi-etap-v-rabote-nad-ionnym-dvigatelem-do-marsa-za-dve-nedeli-59e60467168a915bf034c057