Изящный минимализм или интеллектуальная сложность: противостояние СПД и ДАС на эффекте Холла
Двигатель с анодным слоем (ДАС) и стационарный плазменный двигатель (СПД) — это два типа электроракетных двигателей, работающих на эффекте Холла. И хотя первый был придуман раньше, именно второй сегодня активно применяется в космосе. Почему так произошло, объяснили специалисты ОКБ «Факел».
Стационарный плазменный двигатель и двигатель с анодным слоем имеют как общие, так и отличительные черты. Их история началась в одном месте — Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова (ИАЭ им. И. В. Курчатова), сегодня известном как Национальный исследовательский центр (НИЦ) «Курчатовский институт». Сегодня на орбите работают тысячи СПД, а ДАС применяются значительно реже.
Двигатель с анодным слоем
Двигатель с анодным слоем (ДАС) был изобретен в конце 1950-х годов Аскольдом Жариновым из ИАЭ им. И.В. Курчатова. В 1961 году он получил на разработку авторское свидетельство СССР №24371.
Двигатель с анодным слоем — это разновидность электроракетных двигателей (ЭРД), работающая на эффекте Холла. Ионы в ДАС разгоняются в очень тонком слое у стенки анода — это позволяет сделать двигатель не только компактнее, но и потенциально долговечнее.
Как отметили в ОКБ «Факел», на тот момент представленная конструкция считалась верхом инженерной элегантности. Магнитное поле в ДАС играет вспомогательную роль: оно не позволяет электронам замкнуть цепь раньше времени, но при этом практически не формирует поток плазмы. За счет этого анодный блок ДАС достаточно прост в изготовлении. Кроме того, стенки канала таких двигателей делают из металла, что повышает их ресурс.
В 1962 году Аскольд Жаринов перешел на работу в Научно-исследовательский институт №1 (НИИ-1, ныне — АО ГНЦ Исследовательский центр имени М. В. Келдыша). Там он отвечал за физику процесса и конструкцию «узкого» анодного слоя, а заместитель директора института Сергей Гришин обеспечивал инженерную реализацию и испытательную базу. Здесь были созданы лабораторные модели ДАС с мощностью от 0,2 до 50 кВт и удельным импульсом до 7000 секунд.
Работы были закрытыми, теоретические научные публикации начались с 1967 года.
Первый практический образец ДАС прошел наземные испытания в 1971-м. В качестве рабочего тела для этого типа двигателя выбрали висмут — металл, который плавится при температуре 271°С. Мощность и возможности стендовых образцов росли. В космосе ДАС использовались в экспериментальных миссиях, например, в составе некоторых спутников, на станциях «Салют» и «Мир» для изучения взаимодействия плазменной струи с элементами конструкции.
Эти двигатели рассматривались как основные для систем удержания малых спутников связи серии «Купон» на геостационарной орбите. Кроме того, американский спутник Space Technology Experiments в 1998 году использовал российский двигатель Tal-D55 (экспортный вариант Д-55).
В 1983 году был создан ДАС-200, работающий на висмуте, — мощный радиационно-охлаждаемый ДАС, установивший мировой рекорд. При подводимой электрической мощности 34 кВт он обеспечивал удельный импульс тяги 5200 секунд. А его КПД был на уровне 70%.
Стационарный плазменный двигатель
Преимущество ДАС заключалось в отсутствии «эрозии стенок» разрядной камеры, что потенциально обеспечивало больший ресурс работы. Однако эти двигатели применялись весьма ограниченно. Причины этого могут быть связаны с различными факторами, такими как более отработанная технология, экономическая целесообразность или требования конкретных космических программ.
При всех своих достоинствах ДАС проиграли конкуренцию стационарным плазменным двигателям (СПД), концепция которых зародилась несколько позже — в 1962 году. Разработкой новых двигателей занялся сотрудник ИАЭ им. И. В. Курчатова Алексей Морозов, предложивший ускорять плазму в скрещенных электрическом и магнитном полях.
Стационарный плазменный двигатель — это тип ЭРД на эффекте Холла. Тягу в нем создает ионизированная плазма, разгоняемая электромагнитным полем в длинном канале, выполненном из диэлектрика (керамики). Процесс ионизации и ускорения распределен по длине канала. Протяженная зона ускорения и отсутствие перегрева стенок обеспечивают предсказуемое поведение плазмы.
В отличие от ДАС, магнитное поле в СПД играет активную роль: оно формирует и фокусирует плазменный поток, обеспечивая высокую эффективность и ресурс двигателя.
Традиционно СПД работают на ксеноне — инертном газе с высокой атомной массой, который обеспечивает высокую степень ионизации и эффективность ускорения плазмы. Так, в частности, скорость выбрасываемой струи у ксенона составляет порядка 30 км/с (у одного из самых эффективных химических двигателей, кислород-водородного, этот показатель достигает всего 4,5 км/с). Учитывая все это, для достижения необходимой скорости (или набора расчетного импульса) СПД требуется не так много рабочего тела. Это позволяет уменьшить массу «расходной части» и увеличить массу полезной нагрузки.
Первые испытания, которые показали работоспособность СПД и его совместимость с космическими аппаратами, прошли в 1972 году. Двигатель использовали в системе ориентации спутника «Метеор». Через два года состоялись испытания плазменного двигателя «Эол», а в начале 1980-х стартовало серийное производство СПД.
Главную работу в этом направлении вело ОКБ «Факел», производившее СПД-50, СПД-60 и потомков «Эолов» — СПД-70. Первый спутник с этим двигателем был запущен в 1982-м. Сегодня количество применяемых в космосе СПД превышает 80% от всех используемых типов электроракетных двигателей.
Сравнение двигателя с анодным слоем и стационарного плазменного двигателя
По мнению специалистов ОКБ «Факел», именно разница во внутренней логике работы и привела к тому, что сегодня на орбитах работают тысячи СПД, а применение ДАС было ограничено. «ДАС — это изящный минимализм. СПД — это интеллектуальная сложность», — проводят сравнение в ОКБ «Факел».
При этом специалисты отмечают, что оба двигателя могут работать на разных рабочих телах и являются многорежимными. Так, например, одной из альтернатив ксенону для СПД является криптон — он дешевле, но имеет более высокий потенциал ионизации, что снижает эффективность его применения. Также можно применять и аргон, но его использование будет означать снижение и удельного импульса, и тяги.
На ксенон в свое время перевели и ДАС. Однако к тому моменту лидерство перехватил СПД.
На обложке двигатель на эффекте Холла. Источник: NASA/Jet Propulsion Laboratory
Самое популярное
