Ионный двигатель для спутников больше не фантастика

Европейское космическое агентство (ESA) сообщило о том, что спутник GOCE с принципиально новым двигателем успешно отработал свыше двух месяцев. По мнению специалистов ESA, ионный двигатель показал себя в роли практичной и надежной установки.

Ионный двигатель, установленный на борту GOCE, считается основным двигателем космических аппаратов будущего. В отличие от обычного ракетного двигателя он создает меньшую тягу, но зато работает намного дольше и эффективнее использует запас топлива. Вместо языка пламени за аппаратом с ионными двигателями остается знакомый по фантастическим фильмам голубой светящийся след.

Ксеноновый тюнинг для спутника

Новый привод, разработанный инженерами ESA, использует вместо ракетного топлива и окислителя (без которого топливо просто не загорится) инертный газ ксенон. На Земле его применяют в ярких галогенных лампах для автомобильных фар, а на борту космического аппарата его используют в качестве реактивной массы.

Как сообщают ученые, у ионного двигателя даже нет топлива в строгом смысле этого слова. Ксенон, бак с которым установлен на спутнике, не сгорает и даже не вступает в какие-то химические реакции. Вместо этого газ ионизируется (с атомов срываются внешние электроны), превращается в плазму и электрическое поле выталкивает ионы ксенона из сопла двигателя со скоростью около 40 км/с.

Ионный двигатель получает электричество от солнечных батарей, а выбрасываемые им ионы создают реактивную тягу. Величина этой тяги в несколько миллиньютон (примерно такую тягу развивает бегущий таракан) может показаться незначительной, но зато мизерный расход ксенона позволяет двигателю работать несколько месяцев подряд.

Измерить гравитацию Земли

Аппарат GOCE астрономы сконструировали не просто для испытания нового двигателя. На его борту установлены чувствительные приборы, которые призваны измерить неоднородности силы тяжести. Ученые надеются с помощью GOCE составить подробную карту гравитационного поля Земли и определить за счет этого точную форму земного шара.

Информация о силе тяжести и форме планеты нужна, в свою очередь, многим специалистам. С ее помощью климатологи смогут проследить за изменением уровня океана при глобальном потеплении, а океанологи уточнить картину подводных течений. В сообщении ESA сказано и о практических применениях полученной информации геодезистами и картографами.

Не только красота, но и аэродинамика

Эффектное сине-голубое пламя ионного двигателя позволило развить тягу, в точности компенсирующую торможение спутника из-за трения об атмосферу.

Конструкторы аппарата таким образом решили проблему полета на очень малой (по меркам спутников) высоте всего в 280 километров. Международная космическая станция и тем более телескоп «Хаббл» работают на большей высоте. Но точные измерения гравитационного поля желательно проводить как можно ближе к поверхности планеты.

Разгон до сотни за четыре дня

По данным инженеров ESA, система поддержания постоянной скорости работает даже лучше, чем ожидалось. Это не первое испытание ионной тяги в космосе, но важный шаг на пути к двигателям будущего. От первого прототипа до практического использования подобные двигатели преодолели долгий путь.

Первые ионные ускорители (использующие не ксенон, а ртуть) испытали в 1970 году на американском аппарате SERT 2, построенном специально для проверки нового привода. Идея оказалась работоспособной, но вплоть до 1998 года такие двигатели ставились только как вспомогательные на ряде советских спутников.

В качестве основной двигательной установки ионный ускоритель выступил только на зонде Deep Space 1, построенном для испытания сразу двух десятков перспективных технологий. На нем проверяли ряд систем от двигателей до системы автоматической компенсации повреждений. Deep Space 1 благополучно пролетел мимо астероида Брайль и кометы Борели, передав на Землю ценную научную информацию. Конструкцию двигателей ученые признали удачной.

После этого были построены два аппарата, которые уже не отрабатывали перспективную технологию, а предназначались для других задач. Американский зонд Dawn сейчас движется к астероиду Весте (именно его двигатель обеспечивает разгон до 100 км/час за четверо суток), а GOCE успешно приступил к работе вблизи верхней границы атмосферы Земли.

Перспективы

Помимо GOCE и Dawn ионный двигатель может появиться в будущем и на борту международной космической станции для корректировки ее орбиты, если, конечно, этим планам не помешает недостаток финансирования. Двигатель VASIMR станет самым мощным из когда-либо построенных - его тяга составит уже пять ньютонов.

С бытовой точки зрения это немного (вес полукилограммовой гири), но этого будет достаточно для компенсации торможения о верхние слои атмосферы. Низкий расход используемого двигателями инертного газа (аргона вместо ксенона) может сделать такой двигатель выгодным экономически: подвозить топливо на грузовых кораблях придется реже.