В мире космических технологий произошёл значительный прорыв в области электрических двигателей для космических аппаратов. Учёные из Университета Вирджинии и Университета Южной Калифорнии провели исследование, которое может существенно улучшить защиту космических кораблей от собственных выхлопов.

Электрические двигатели, также известные как ионные двигатели, становятся всё более популярными в космической индустрии. Они используются в различных миссиях, начиная от прототипов на космических аппаратах NASA Deep Space 1 и европейском SMART-1 в 1998 и 2003 годах соответственно, и заканчивая флагманскими научными миссиями NASA Dawn и Psyche к поясу астероидов. Более того, существуют планы по использованию электрической тяги на космической станции NASA Lunar Gateway.

Принцип работы электрического двигателя основан на ионизации нейтрального газа, такого как ксенон или криптон, хранящегося на борту космического корабля. Электрический ток удаляет электрон из атомов газа, создавая облако ионов и электронов. Затем, благодаря эффекту Холла, генерируется электрическое поле, которое ускоряет ионы и электроны, формируя характерный голубой шлейф, вырывающийся из космического корабля со скоростью более 60 000 километров в час.

Иллюстрация: NASA

Струя ионов, вылетающая из космического корабля, обеспечивает тягу согласно третьему закону движения Исаака Ньютона. Хотя для набора импульса требуется некоторое время из-за разреженности ионного шлейфа, ионные двигатели имеют ряд преимуществ. Они требуют меньше топлива, что снижает массу корабля и, соответственно, стоимость запуска. Кроме того, ионные двигатели расходуют топливо не так быстро, как химические ракеты.

Энергия для электромагнитных полей часто обеспечивается солнечными батареями, поэтому технологию иногда называют солнечной электрической тягой. Для миссий, удалённых от Солнца, где солнечный свет слабее, может использоваться ядерная энергия в форме радиоизотопных термоэлектрических генераторов.

Однако у электрической тяги есть и недостатки. Одна из основных проблем заключается в том, что ионный шлейф может повредить космический аппарат. Несмотря на то, что шлейф направлен в сторону от космического аппарата, электроны в нём могут изменить направление движения, двигаясь против направления шлейфа и ударяясь о космический корабль. Это может привести к повреждению солнечных батарей, антенн связи и других открытых компонентов.

Чен Цуй из Инженерной школы и Школы прикладных наук Университета Вирджинии подчеркнул важность стабильной работы электрических двигателей в течение длительного времени, особенно для миссий, которые могут длиться годами.

Для решения проблемы защиты космического корабля от обратно рассеянных электронов необходимо было сначала понять их поведение в шлейфе ионного двигателя. Именно этим занялись Чен Цуй и Джозеф Ван из Университета Южной Калифорнии. Они провели суперкомпьютерное моделирование выхлопа ионного двигателя, изучая термодинамическое поведение электронов и их влияние на общие характеристики шлейфа.

Испытания усовершенствованной электрической двигательной установки в Исследовательском центре имени Гленна NASA. Источник: NASA / Jef Janis

Результаты исследования показали, что поведение электронов в шлейфе зависит от их температуры и скорости. Цуй сравнил электроны с шариками, упакованными в трубку. Внутри пучка электроны горячие и движутся быстро, их температура мало меняется вдоль направления пучка. Однако, когда «шарики» выкатываются из середины трубки, они начинают остывать. Это охлаждение происходит интенсивнее в направлении, перпендикулярном направлению пучка.

Другими словами, электроны в ядре пучка, движущиеся с наибольшей скоростью, имеют более или менее постоянную температуру. А те, что находятся снаружи, остывают быстрее, замедляются и выходят из пучка, потенциально рассеиваясь обратно и ударяясь о космический корабль.

Теперь, когда учёные лучше понимают поведение электронов в ионном шлейфе, они могут учесть эти данные при разработке будущих двигателей с электрической тягой. Это позволит искать способы ограничения обратного рассеяния или удержания электронов в ядре пучка. В конечном итоге, это может помочь миссиям с электрической тягой летать дальше и дольше, движимым нежным голубым ветром ионного шлейфа.

Это открытие имеет значение для будущего космических исследований. Улучшенная защита космических аппаратов от собственных выхлопов позволит значительно продлить срок службы спутников и межпланетных зондов, что в свою очередь сделает космические миссии более эффективными и экономически выгодными. Благодаря мощным суперкомпьютерам, учёные смогли детально изучить поведение частиц в ионном двигателе, что было бы крайне сложно сделать в реальных условиях космоса.

Открытие учёных может стать катализатором для новых исследований в области электрической тяги. Возможно, в ближайшем будущем мы увидим разработку новых типов ионных двигателей, которые будут ещё эффективнее и безопаснее для космических аппаратов.

Подробнее на iXBT