Создан ионный двигатель нового типа, выигрывающий по эффективности у двигателя HiPEP НАСА

Доктор Патрик Нойман из университета Сиднея в рамках своей докторской диссертации произвел разработку и изготовил экспериментальный ионный двигатель, который, согласно имеющейся информации, выигрывает по эффективности у лучшей разработки специалистов НАСА, у ионного двигателя High Power Electric Propulsion (HiPEP). И высокая эффективность этого нового двигателя позволит в недалеком будущем реализовать концепцию, которая определяется фразой "на Марс и обратно на одной заправке топлива".

Ионные двигатели производят тягу, ускоряя ионы газообразного топлива при помощи электрического или магнитного поля. В отличие от химических реактивных двигателей, которые, сжигая топливо, могут вырабатывать сотни тонн силы тяги, ионные двигатели вырабатывают тягу, силой, эквивалентной массе небольшой монеты. Однако, химические двигатели способны проработать лишь несколько минут, в то время, как ионные двигатели способны работать непрерывно в течение многих тысяч часов. И это означает, что космические корабли с ионными двигателями могут развивать в космосе скорости, недостижимые для ракетных двигателей.

В настоящее время существует несколько типов ионных двигателей. И у каждого из этих типов имеется свой ряд преимуществ и недостатков. Некоторые из них чрезвычайно просты, но обладают низкой эффективностью, другие, наоборот, способны произвести большую тягу, но они весьма тяжелы и имеют сложную конструкцию. И различные группы ученых и инженеров постоянно находятся в поисках оптимальной конструкции ионных двигателей, которые основаны на новых принципах, способных обеспечить им максимальную эффективность.

Самыми эффективными в нынешнее время являются электростатические или электромагнитные ионные двигатели, которые используют инертные газы, к примеру, ксенон, в качестве топлива. Ионизация этого газа осуществляется за счет электронной бомбардировки или радиочастотного возбуждения, ионизированный газ, плазма, ускоряется при помощи электростатической сетки или магнитного поля. Из этого типа двигателей максимальную эффективность демонстрируют двигатели на эффекте Холла, в которых используется осевое электрическое поле и радиальное магнитное поле. Магнитное поле удерживает инжектируемые свободные электроны, которые сталкиваются с атомами газа и ионизируют их. Сила магнитного поля подобрана таким образом, что оно может удерживать электроны, а ионы газа свободно проходят через него и попадают в область ускорения.

В нынешнее время рекордсменом по эффективности среди всех ионных двигателей является двигатель HiPEP НАСА. В нем используется полый катод, работающий в камере типа электронного циклотрона, что обеспечивает его мощность в 40 кВт при скорости вылетающего из сопла потока газа в 90 тысяч метров в секунду. Новый двигатель Ноймана является двигателем с импульсным катодом. Процессы, работающие в этом двигателе достаточно сложны, но конструкция такого двигателя максимально проста. Первый подобный двигатель был установлен на неудавшемся советском Зонде-2, который был запущен в 1964 году. В недрах этого двигателя производился нагрев пластмассовой "таблетки", которая вскипала, выделяя ионизированный газ. Однако, к конструкции тех времен было множество недочетов, что привело к низкой эффективности такого двигателя, большая часть выделяющегося газа не ионизировалась и попросту мешала разгону плазменного потока.

Двигатель Ноймана также работает на схожем принципе. Только внутри него высоковольтный электрический разряд пропускается через "топливную таблетку", выступающую в качестве катода, испаряя с ее поверхности некоторое количество материала. Этот газообразный материал ионизируется, ускоряется и фокусируется при помощи магнитного поля, направляясь в выходное сопло двигателя.

Этот двигатель имеет преимущества перед двигателями на эффекте Холла. Во-первых, такой двигатель намного проще, и во-вторых, он сможет работать непрерывно гораздо дольше. В качестве топлива двигатель Ноймана может использовать "таблетки" из магния, титана, ванадия, молибдена и даже из углерода. Во время испытаний экспериментального двигателя было выяснено, что он уступает некоторым ионным двигателям по количеству вырабатываемой тяги. Двигатели на эффекте Холла способны вырабатывать 30-40 мкН/Вт, в то время, как двигатель Ноймана вырабатывает 20 мкН/Вт, однако, с точки зрения вырабатываемого импульса силы, этот двигатель более эффективен.

В качестве мерила количества импульса берется время, которое требуется двигателю на выброс топлива, эквивалентного по массе импульсу. В случае системы HiPEP это время равно 9 600 (+/-200) секунд, а двигатель Ноймана делает это за 14 690 (+/-2000) секунд в зависимости от вида используемого топлива.

Доктору Нойману потребуется еще некоторое время на преодоление различных проблем технического плана, что должно привести к увеличению тяги его двигателя и к еще большему упрощению конструкции. И после этого новый двигатель можно будет рассматривать в качестве средства достижения любой точки Солнечной системы с отправной точкой в районе низкой околоземной орбиты.