Ерозія іонних двигунів знижена на два порядку

Іонний двигун (ІД) працює просто: газ з бака (ксенон, аргон тощо) іонізується і розганяється електростатичним полем. Оскільки маса іона мала, а заряд він може отримати значний, іони вилітають з двигуна зі швидкостями до 210 км/с. Хімічні двигуни можуть досягти… ні, не чогось подібного, а всього лише в двадцять разів меншій швидкості витікання продуктів згоряння лише у виняткових випадках. Відповідно, витрата газу в порівнянні з витратою хімічного палива гранично малий.

Саме тому на ІД повністю або частково працювали і працюють такі «далекобійні» зонди, як Hayabusa, Deep Space One і Dawn. І якщо ви збираєтеся не просто за інерцією летіти до далеких небесних тіл, але і активно маневрувати поблизу них, то без таких двигунів не обійтися.

У 2014 році іонні двигуни справляють піввіковий ювілей у космосі. Все це час проблему ерозії не вдавалося вирішити навіть у першому наближенні. (Тут і нижче мал. NASA, Wikimedia Commons.)

Як і все хороше, ІД любить, щоб його живили: на один ньютон тяги потрібно до 25 кВт енергії. Уявімо (ви вже вибачте нас за мрійливість!), що нам доручили запустити 100-тонний космічний корабель до Плутона. В ідеалі навіть для Юпітера нам потрібно 1 000 ньютонів тяги і 10 місяців, а до Нептуна на тій же тязі — півтора року. Загалом, давайте про Плутони все-таки не будемо, а то сумно якось…

Ну а щоб отримати ці поки умоглядні 1 000 ньютонів, нам потрібно 25 мегават. В принципі, нічого технічно неможливого: 100-тонний корабель міг би прийняти атомний реактор. До речі, в даний час НАСА та Міністерство енергетики США працює над проектом Fission Surface Power. Правда, мова йде про базах на Місяці та Марсі, а не про кораблях. Але маса реактора не так вже висока — всього п’ять тонн при розмірах в 3×3×7 м…

Ну ладно, помріяли — та годі, скажете ви. І тут же згадайте частівку, нібито придуману Львом Толстим під час Кримської війни. Зрештою, такий великий потік іонів, що проходить через двигун (а це ключове перешкода), викличе його ерозію, і значно швидше, ніж за десять місяців або півтора року. Причому це не проблема вибору конструкційного матеріалу (благо руйнуватися в таких умовах будуть і титан, і алмаз), а невід’ємна частина конструкції іонного двигуна per se.

Так от, дослідники з Лабораторії реактивного руху НАСА вважають, що як мінімум частково покінчили з цією проблемою.

При великій тязі іони в двигуні врізаються в анод, що веде до анодному розбризкуванню. Чим вище тяга двигуна і швидкість іонів, тим швидше, отже, буде эродировать анод.

Стінки з нітриду бору — найвразливіше місце іонного двигуна, однак магнітне поле змогло підвищити їх граничний ресурс в 500-1 000 разів.

Вони спробували ізолювати стінки анода (на базі нітриду бору) від позитивних іонів магнітним полем. А лінії такого магнітного поля були паралельні поверхні стінок, і за них заряджені частинки неслися геть, не торкаючись стінок. Рішення, при всій його очевидності, виявилося досить ефективним: швидкість ерозії впала в 500-1 000 разів. Випробування проводилися на ІД, заснованому на ефекті Холу і має потужність 6 кВт (умовно-достроково ~ чверть ньютона).

Зрозуміло, це не кінець всіх проблем. При подальшому масштабуванні ІД енергія іонів може виявитися такою, що або на захисне магнітне поле не вистачить розташовуваної електричної потужності, або навіть за її наявності забезпечити захист від іонів повністю не вийде. І все ж це рішучий крок вперед: таке уповільнення ерозії робить принципово можливим відправку навіть дуже важкого корабля до відносно віддалених об’єктів Сонячної системи.

Звіт про дослідження опублікований в журналі Applied Physics Letters .

Підготовлено за матеріалами Gizmag.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *