Просмотр новости
Найдите то, что Вас интересует
Спутники
РН
SpaceX
Роскосмос
NASA
СпутникиРНSpaceXРоскосмосNASAИнновационный плазменный двигатель использует в качестве топлива молекулы воздуха
Выбор орбиты для спутника всегда связан с компромиссами. Очень низкая околоземная орбита — то есть работа аппарата на высоте от 100 до 450 километров — имеет явные преимущества: камеры дистанционного зондирования получают более четкие снимки, системы связи и радары требуют меньше энергии, а атмосферное сопротивление автоматически очищает пространство от отработавших спутников. Однако у такой орбиты есть и своя цена: трение о воздух тормозит спутники и заставляет их чаще использовать двигатели, расходуя при этом дорогостоящее топливо.
Франческо Романо из Штутгартского университета в рамках своей докторской диссертации нашел элегантное решение этой проблемы — он предложил использовать сами молекулы воздуха, вызывающие трение, в качестве топлива для плазменного двигателя. Такое решение относится к классу систем ABEP (atmosphere-breathing electric propulsion) — электрореактивных двигателей с атмосферным питанием. Они захватывают разреженный воздух перед космическим аппаратом, направляют его в электрический двигатель, который превращает молекулы в плазму и выбрасывает назад, создавая тягу. В теории это звучит просто, но на практике возникают серьезные технические проблемы. Главная из них — атомарный кислород. В верхних слоях атмосферы ультрафиолетовое излучение расщепляет молекулы O2 на агрессивные одноатомные формы, активно окисляющие металлические электроды, ускорительные решетки и катоды, которые используются в стандартных ионных двигателях. Особенно страдают катоды «электронной пушки», нейтрализующей заряд космического аппарата — без этой функции вся система ионного движения выходит из строя. Еще одна сложность — изменчивость самой атмосферы в зависимости от суточного цикла, широты и солнечной активности. Для решения этих проблем Романо разработал бесконтактный радиочастотный геликоновый плазменный двигатель без нейтрализатора, оснащенный оптимизированной системой воздухозабора. Он протестировал три варианта воздухозаборников, и явным победителем стал зеркальный — параболическое зеркало с покрытием из графита или диоксида кремния, которое отражает частицы прямо в двигатель. Такое зеркало собирало около 94,3% частиц воздуха, а при наклоне в 15 градусов его эффективность падала всего на 8%. Для создания самого двигателя Романо вдохновился медицинским оборудованием, использовав антенну типа «птичья клетка», похожую на те, что применяются в МРТ-сканерах. Эта конструкция обеспечивала передачу 99% электрической мощности в двигатель. Магнитное поле от соленоида выталкивает плазму назад квази-нейтральной струей, исключая необходимость в нейтрализаторе.
Испытания показали, что двигатель генерирует устойчивые потоки плазмы всего на 50−60 ваттах мощности — в пределах возможностей обычных солнечных панелей спутников. Расчеты показывают, что новый двигатель может работать бесконечно на высоте 190−250 километров над Землей, потребляя менее 1,6 киловатта, а над Марсом — на высоте 120−160 километров. Пока что это лабораторная разработка, и нет гарантий, что такой двигатель когда-нибудь станет частью реальной миссии: системе еще только предстоит оценка надежности и стоимости и, возможно, реальные испытания в космосе. Но работа Романо убедительно показывает: «вечный» полет на очень низких орбитах за счет самой атмосферы все-таки возможен, даже если пока что такой полет окажется слишком сложным и дорогим.