Электроракетные двигатели и их применение¶

Электроракетные двигатели — класс ракетных двигателей, в которых рабочее тело (обычно ксенон, криптон или аргон) разгоняется до высоких скоростей за счёт электрической энергии, а не за счёт химической реакции топлива и окислителя. В отличие от жидкостных и твердотопливных двигателей, электроракетные обеспечивают значительно более высокий удельный импульс (от 1500 до 10 000 секунд), что позволяет экономить массу топлива, но ценой малой тяги (от миллиньютонов до нескольких ньютонов). Это ограничивает их применение космическим пространством, где они используются для коррекции орбиты, довыведения спутников и межпланетных перелётов.

¶История развития

Первые теоретические работы по электрическому ускорению ионов принадлежат американскому физику Роберту Годдарду (1906) и российскому учёному Константину Циолковскому (1911). Практические разработки начались в 1950-х годах в СССР и США. В 1964 году советский зонд «Зонд-2» стал первым аппаратом, испытавшим плазменный двигатель (импульсный), хотя связь с ним была потеряна до завершения миссии. Первым успешным длительным применением стал американский спутник SERT-2 (1970), использовавший ионный двигатель для коррекции орбиты в течение нескольких месяцев.

Современный этап связан с программами НАСА и Европейского космического агентства. В 1998 году аппарат «Deep Space 1» впервые применил ионный двигатель в качестве основной двигательной установки для межпланетного перелёта. Японский зонд «Хаябуса» (2003) использовал ионные двигатели для возврата образцов с астероида. В России электроракетные двигатели (в основном стационарные плазменные двигатели, СПД) применяются для коррекции орбиты геостационарных спутников связи с 1970-х годов.

¶Классификация и принцип действия

Электроракетные двигатели делятся на три основных типа по механизму ускорения:

¶Электростатические (ионные)

Рабочий газ ионизируется электронным пучком, затем положительные ионы ускоряются в электростатическом поле между сетками, а для нейтрализации заряда используется отдельный катод. Типичные характеристики: удельный импульс 3000–10 000 с, КПД до 80 %. Примеры: ионный двигатель NSTAR (НАСА), ионный двигатель RIT (Германия).

¶Электромагнитные (плазменные)

В этих двигателях плазма ускоряется за счёт взаимодействия тока с магнитным полем (сила Лоренца). Наиболее распространённый подтип — стационарный плазменный двигатель (СПД, также известный как холловский двигатель). В нём электроны, захваченные магнитным полем, ионизируют газ, а ионы ускоряются электрическим полем, создаваемым разностью потенциалов между анодом и катодом. Удельный импульс СПД — 1500–3000 с, тяга — до 1 Н. Эти двигатели широко используются на российских и зарубежных спутниках.

¶Электротермические

Рабочее тело нагревается электрической дугой или резистивным нагревателем и истекает через сопло. К ним относятся дуговые (аркджеты) и резистивные (резисджеты) двигатели. Удельный импульс ниже, чем у электростатических (500–1500 с), но тяга выше. Применяются для коррекции орбиты и ориентации спутников.

¶Применение в космической технике

Электроракетные двигатели используются в трёх основных сферах:

1. Коррекция орбиты и поддержание позиции геостационарных спутников связи и навигации. Двигатели включаются периодически для компенсации гравитационных возмущений и удержания аппарата в заданной точке стояния. Это позволяет сократить массу топлива на 80–90 % по сравнению с химическими двигателями.

1. Довыведение спутников с опорной на целевую орбиту. Спутники, запущенные на низкую опорную орбиту (например, ракетой «Союз» с разгонным блоком «Фрегат»), могут месяцами подниматься на геостационарную орбиту с помощью электроракетных двигателей. Такой подход применяется на спутниках серии «Экспресс» и «Ямал» (Россия), а также на аппаратах Boeing 702SP (США).

1. Межпланетные перелёты и исследование дальнего космоса. Благодаря высокой экономичности, электроракетные двигатели позволяют доставлять больше научной полезной нагрузки при меньшей стартовой массе. Примеры: «Deep Space 1» (США, 1998), «Хаябуса» (Япония, 2003), «БепиКоломбо» (ЕКА/Япония, 2018), миссия NASA «Dawn» к поясу астероидов (2007–2018). В России разрабатывается проект межпланетной станции с ядерной энергодвигательной установкой, где электроракетные двигатели будут работать от ядерного реактора.

¶Преимущества и ограничения

Основное преимущество — высокий удельный импульс, позволяющий радикально сократить расход рабочего тела. Для типичного спутника связи переход с химического на электроракетный двигатель уменьшает массу топлива с 2–3 тонн до 300–400 кг при том же сроке службы (15 лет).

Главное ограничение — малая тяга. Электроракетный двигатель не может вывести аппарат с Земли: для преодоления гравитации и сопротивления атмосферы необходимы химические ракеты-носители. Кроме того, двигатели требуют значительной электрической мощности (от сотен ватт до десятков киловатт), которую обеспечивают солнечные батареи или ядерные реакторы. Срок службы ограничен эрозией ускорительных каналов и сеток, а также ресурсом катодов-нейтрализаторов.

¶Перспективы развития

Основные направления — увеличение мощности и ресурса. Разрабатываются двигатели на криптоне и аргоне (более дешёвые, чем ксенон), многоканальные конструкции, а также системы с ядерной энергоустановкой мощностью до 1 МВт, которые позволят осуществлять пилотируемые полёты к Марсу. В 2021 году NASA испытала двигатель с удельным импульсом свыше 6000 секунд в рамках программы NEXT-C. В России ведутся работы по созданию СПД-700В мощностью 5–10 кВт для перспективных спутников и межпланетных станций.

¶Источники

• Гришин С. Д., Лесков Л. В., Козлов Н. П. «Электрические ракетные двигатели». — М.: Машиностроение, 1975.
• Гопанчук В. В. «Плазменные двигатели в космической технике». — М.: Наука, 2010.
• Jahn R. G. «Physics of Electric Propulsion». — McGraw-Hill, 1968.
• Материалы НАСА и Европейского космического агентства по миссиям Deep Space 1, Dawn, BepiColombo.