Будущее межпланетных полетов за электроракетными двигателями
По мнению многих специалистов, будущее космических полетов на дальние расстояния за электроракетными двигателя (ЭРД). В некоторых случаях они могут вытеснить традиционные химические двигатели, поскольку являются более эффективными. Проблемой ЭРД является разрушительное воздействие плазменной струи на технику. Однако решение, похоже, найдено - создана математическая модель, позволяющая снизить воздействие плазмы на конструкцию космических аппаратов.
С электроракетным двигателем на Марс и далее
Именно электроракетные двигатели делают возможными межпланетные перелеты. Пока они стоят только на небольших автоматических зондах. Но и пилотируемые полеты, например, на Марс, вряд ли обойдутся без оснащения ЭРД крупных кораблей.
Эти двигатели используются не только для ориентации космических аппаратов, но и для выполнения высокоэнергетических манёвров, таких как разгон и торможение на участках длительного перелёта между планетами.
Впервые ЭРД в таком качестве были применены на аппарате НАСА Deep Space 1, а затем — в научных экспедициях Dawn и Psyche, в ходе которых космические аппараты отправились к поясу астероидов. Существуют планы по оснащению ЭРД окололунной станции Gateway проекта Artemis.
У электроракетных двигателей малая тяга, из-за чего для придания космическому аппарату заметного ускорения требуется много времени. ЭРД не дают быстрого приращения скорости, как химические, но требуют меньшего расхода (и, следовательно, меньшего бортового запаса) рабочего тела, что снижает стартовую массу аппарата и стоимость запуска.
В настоящее время для работы ЭРД используются солнечные батареи, поэтому такие двигательные установки часто называют солнечными (СЭРДУ). Однако для полётов за пределы орбиты Марса, где свет центральной звезды сильно ослабевает, можно использовать преобразование ядерной энергии в электрическую, с помощью ядерных энергоустановок (ЯЭУ) или радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ).
Плазменные ЭРД работают за счёт ионизации нейтрального газа, обычно ксенона, а затем использования электрических полей для ускорения образовавшихся ионов в высокоскоростную струю плазмы, толкают космический аппарат вперёд.
Несмотря на то, что ЭРД уже считаются штатным элементом многих космических аппаратов, пока это не идеальная технология. Одна из основных проблем — необходимость нейтрализации плазменной струи, выходящей из двигателя. Если не добавлять в «выхлоп» нейтрализующие электроны, часть ионов может вернуться на космический аппарат и повредить конструкцию (солнечные батареи, антенны связи и другие открытые компоненты), нанеся серьёзный урон.
Как защитить космические аппараты от "атакующих" электронов
«Для межпланетных перелётов, которые могут длиться годами, важно, чтобы ЭРД работали стабильно в течение длительных периодов времени», — говорит Чэнь Цуй доцент кафедры машиностроения Школы технических и прикладных наук Вирджинского университета. Он изучает микроскопические взаимодействия, стремясь лучше понять, как струя плазмы, истекающая из ЭРД, действует на космический аппарат.
Цуй и его коллеги провели компьютерное моделирование работы ЭРД, чтобы понять, как ведут себя электроны в истекающей струе. Оказалось, что их поведение не всегда соответствует простым моделям, и зависит от температуры и скорости струи.
«Движение и энергия электронов играют ключевую роль в определении характеристик «выхлопа» ЭРД, — подчеркнул Цуй. — Электроны похожи на шарики, собранные в трубку. Внутри пучка они горячие и движутся быстро. Их температура не сильно меняется, если двигаться вдоль направления пучка. Однако если "шарики" выкатываются из середины трубки, они начинают остывать. Это охлаждение происходит быстрее у электронов, движущихся перпендикулярно направлению луча».
Другими словами, электроны в ядре пучка, которые движутся быстрее всего, имеют более или менее постоянную температуру, но те, что находятся снаружи, остывают быстрее, замедляются и выходят из пучка, рассеиваясь назад и повреждая космический аппарат.
Цуй с коллегами обнаружили, что распределение скоростей электронов имеет почти максвелловскую (похожую на колоколообразную кривую) форму в направлении пучка и «пирожкообразный» вид в поперечном направлении. Кроме того, выяснилось, что поток тепла электронов — основной способ передачи тепловой энергии в плазменном пучке ЭРД — в основном происходит в направлении пучка и имеет уникальную динамику, которая не была полностью учтена в предыдущих математических моделях работы ЭРД.
Эксперты полагают, что исследования учёных из Вирджинского университета позволят подобрать такие способы нейтрализации струи, которые позволят уменьшить влияние на конструкцию космических аппаратов «возвращающихся» заряженных частиц, истекающих из ЭРД.
