Когда речь идет о будущем освоения космоса, одной из самых больших проблем является разработка двигателей, которые могут максимизировать производительность и одновременно обеспечить экономию топлива. Это не только сократит стоимость отдельных миссий, но и обеспечит возможность работы космического корабля-робота (и даже космического корабля с экипажем) в течение продолжительного периода времени в космосе без необходимости дозаправки.
В последние годы эта проблема привела к появлению действительно инновационных концепций, одна из которых была недавно разработана и протестирована группой ESA впервые. Эта концепция двигателя состоит из электрического двигателя, который способен «черпать» скудные молекулы воздуха из верхушек атмосфер и использовать их в качестве топлива. Это развитие откроет путь для всех видов спутников, которые могут работать на очень низких орбитах вокруг планет в течение многих лет за один раз.
Концепция воздушно-реактивного двигателя (т.н. Ram-Electric Propulsion) относительно проста. Короче говоря, двигатель работает по тем же принципам, что и рампс (где межзвездный водород собирается для получения топлива) и ионный двигатель - где собранные частицы заряжаются и выбрасываются. Такой двигатель покончит с бортовым ракетным топливом, поглощая атмосферные молекулы, проходящие через верхушку атмосферы планеты.
Концепция была предметом исследования под названием «Электрическое движение ОЗУ для работы на низкой околоземной орбите: исследование ЕКА», которое было представлено на 30-й Международной конференции по электрическому движению в 2007 году. В исследовании подчеркивалось, как «спутники на околоземной орбите подвержены атмосферным воздействиям». сопротивление и, следовательно, их срок службы ограничен современными технологиями тяги количеством топлива, которое они могут нести, чтобы компенсировать его ».
Авторы исследования также указали, как спутники, использующие высокоимпульсные электрические двигатели, смогут компенсировать сопротивление при работе на малых высотах в течение продолжительного периода времени. Но, как они заключают, такая миссия также будет ограничена количеством топлива, которое она может нести. Это, безусловно, имело место для гравитационного поля ЕКА и стационарного спутника гравитационного картографа Ocean Circulation Explorer (GOCE),
В то время как GOCE оставался на орбите Земли более четырех лет и работал на высотах всего 250 км (155 миль), его миссия закончилась в тот момент, когда он исчерпал запас ксенона 40 кг (88 фунтов) в качестве топлива. Также, концепция электрической двигательной установки, которая использует атмосферные молекулы в качестве топлива, также была исследована. Как объяснил доктор Луи Уолпот из ESA в пресс-релизе ESA:
«Этот проект начался с новой конструкции, позволяющей собирать молекулы воздуха в качестве топлива из верхней части атмосферы Земли на высоте около 200 км с типичной скоростью 7,8 км / с».
Чтобы разработать эту концепцию, итальянская аэрокосмическая компания Sitael и польская аэрокосмическая компания QuinteScience объединились для создания новой конструкции воздухозаборника и двигателя. В то время как QuinteScience разработал впуск, который будет собирать и сжимать поступающие атмосферные частицы, Sitael разработал двухступенчатое подруливающее устройство, которое будет заряжать и ускорять эти частицы для создания тяги.
Затем команда провела компьютерное моделирование, чтобы увидеть, как частицы будут вести себя в различных вариантах потребления. Но, в конце концов, они решили провести практический тест, чтобы увидеть, будут ли комбинированный впуск и подруливающее устройство работать вместе или нет. Для этого команда проверила его в вакуумной камере на одном из испытательных объектов Sitael. Камера моделировала окружающую среду на высоте 200 км, в то время как «генератор потока частиц» обеспечивал встречные высокоскоростные молекулы.
Чтобы обеспечить более полное испытание и убедиться, что подруливающее устройство будет функционировать в условиях низкого давления, команда начала с его зажигания ксенон-пропеллентом. Уолпот объяснил:
«Вместо того, чтобы просто измерять результирующую плотность на коллекторе для проверки конструкции впуска, мы решили установить электрический двигатель. Таким образом, мы доказали, что действительно можем собирать и сжимать молекулы воздуха до уровня, при котором может произойти зажигание двигателя, и измерять фактическую тягу. Сначала мы проверили, что наше подруливающее устройство может многократно зажигаться с помощью ксенона, собранного из генератора пучка частиц ».
В качестве следующего шага команда частично заменит ксенон азотно-кислородной воздушной смесью для моделирования верхней атмосферы Земли. Как и следовало ожидать, двигатель продолжал работать, и единственное, что изменилось, был цвет тяги.
«Когда ксеноновый синий цвет шлейфа двигателя изменился на фиолетовый, мы знали, что у нас это получится», - сказал доктор Уолпот. «Система, наконец, неоднократно воспламенялась исключительно с помощью атмосферного топлива, чтобы доказать осуществимость концепции. Этот результат означает, что дышащие воздухом электрические двигатели уже не просто теория, а осязаемая, работающая концепция, готовая к разработке, которая однажды станет основой для нового класса миссий ».
Разработка воздушно-реактивных электрических двигателей могла бы позволить создать совершенно новый класс спутников, которые могли бы работать в течение многих лет с границами Марса, Титана и других тел. При таком сроке службы эти спутники могут собирать объемы данных о метеорологических условиях этих тел, сезонных изменениях и истории их климата.
Такие спутники также были бы очень полезны, когда дело доходит до наблюдения Земли. Поскольку они смогут работать на более низких высотах, чем предыдущие миссии, и не будут ограничены количеством топлива, которое они могут нести, спутники, оснащенные воздушно-реактивными двигателями, могут работать в течение продолжительных периодов времени. В результате они могли бы предложить более глубокий анализ изменения климата и более тщательно отслеживать метеорологические схемы, геологические изменения и стихийные бедствия.
