Европейцы провели испытания новейшего ионного двигателя, который может совершить «революцию на низких орбитах»

Европейцы провели испытания новейшего ионного двигателя, который может совершить «революцию на низких орбитах». Этот двигатель является прямоточным и работает на разреженном воздухе, что поможет в разы увеличить срок работы низкоорбитальных аппаратов.

Новый ионный двигатель во время испытания. Credit: ESA.

Ионный двигатель — тип электрического ракетного двигателя, принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле. Рабочим телом большинства ионных двигателей обычно являются инертные газы, такие как ксенон (Xe) или аргон (Ar). Есть конструкции двигателей, рабочим телом которых является ртуть (Hg). Рабочее тело («топливо») хранится в специальных баках, а производят его на Земле. Следовательно, время работы этого двигателя ограничено запасами рабочего тела. Например, космический аппарат Европейского космического агентства GOCE с ионным двигателем 56 месяцев работал на высоте 260 км. После того, как кончился ксенон (его было 40 килограмм), GOCE быстро сошел с орбиты и сгорел в верхних слоях атмосферы. Такая проблема существует у всех низкоорбитальных аппаратов, ведь им постоянно необходимо поддерживать свою орбитальную скорость из-за аэродинамического сопротивления.

Для решения этой проблемы европейцы решили создать прямоточный ионный двигатель, который смог бы работать на разреженном воздухе верхних слоёв атмосферы Земли. Попросту исчезает «лимит» времени работы аппарата, вызванный ограниченностью запаса рабочего тела! Этот принцип известен как Air-Breathing Electric Propulsion или Atmosphere-Breathing Electric Propulsion (ABEP).

Принцип работы АВЕР двигателя. Credits: ESA/Sitael/QuinteScience.

Принцип работы достаточно прост: разреженный воздух поступает через специальный воздухозаборник в двигатель, который ионизирует и разгоняет поступивший газ и выбрасывает его из сопла, создавая тягу. Для этого двигателя, по сути, нужна только энергия, который он получит от солнечных батарей, и внешняя газовая среда. Ею является разреженная на высоте несколько сот километров атмосфера Земли. При достаточном количестве энергии от солнечных батарей и тяге, равной или превышающей максимальное значение величины аэродинамического сопротивления (на некой определенной высоте при различных значениях солнечной активности, от которой зависит плотность атмосферы на этой высоте) аппарат может находиться на орбите до тех пор, пока не сломается.

Испытание проходили в несколько стадий, для них была построена специальная камера. Вначале в двигатель подали ксенон, а после воздух под заранее рассчитанным давлением. Когда цвет плазменной струи сменился с характерного для ксенона голубовато-белого цвета на красноватый (напоминающий «цвет заката»), стало понятно, что двигатель прекрасно справляется с разреженным воздухом и продолжает работать. После двигатель отключили и вновь успешно перезапустили, но на этот раз сразу с воздухом.

Двигатель был изготовлен итальянской компанией Sitael по заказу Европейского космического агентства (ЕКА). Один из важнейших элементов — генератор потока частиц — был изготовлен польской компанией QuinteScience.