Когда мы думаем о космическом путешествии, мы склонны представлять себе массированную ракету, взрывающуюся с Земли, с огромными струями огня и дыма, выходящими из-под дна, когда огромная машина пытается вырваться из гравитации Земли. Но как только космический корабль разорвал гравитационную связь с Землей, у нас есть другие варианты для их питания. Ионные двигатели, о которых давно мечтали в научной фантастике, теперь используются для отправки зондов и космических кораблей в дальние путешествия по космосу.
НАСА впервые начало исследования ионных двигателей в 1950-х годах. В 1998 году ионный двигатель был успешно использован в качестве основной двигательной установки на космическом корабле, питая Deep Space 1 (DS1) во время полета на астероид 9969 Брайля и Комету Боррелли. DS1 был разработан не только для посещения астероида и кометы, но и для тестирования двенадцати передовых технологий с высокой степенью риска, главной из которых является сама ионная силовая установка.
Ионные двигательные установки генерируют небольшое количество тяги. Держите в руке девять четвертей, почувствуйте, как их притягивает сила тяжести Земли, и у вас есть представление о том, как мало они создают тяги. Их нельзя использовать для запуска космических аппаратов из тел с сильной гравитацией. Их сила заключается в том, чтобы продолжать генерировать тягу с течением времени. Это означает, что они могут достичь очень высоких максимальных скоростей. Ионные двигатели могут развивать космические корабли до скорости более 320 000 кп / ч (200 000 миль в час), но они должны работать в течение длительного времени, чтобы достичь этой скорости.
Ион - это атом или молекула, которые либо потеряли, либо приобрели электрон и, следовательно, имеют электрический заряд. Таким образом, ионизация - это процесс зарядки атома или молекулы путем добавления или удаления электронов. После зарядки ион захочет двигаться относительно магнитного поля. Это в основе ионных двигателей. Но определенные атомы лучше подходят для этого. Ионные двигатели НАСА обычно используют ксенон, инертный газ, потому что нет риска взрыва.
В ионном приводе ксенон не является топливом. Он не сгорает и не обладает внутренними свойствами, которые делают его полезным в качестве топлива. Источник энергии для ионного привода должен быть откуда-то еще. Этот источник может быть электричеством от солнечных батарей, или электричеством, произведенным из тепла распада от ядерного материала.
Ионы создаются бомбардировкой газа ксенона электронами высокой энергии. После зарядки эти ионы вытягиваются через пару электростатических решеток, называемых линзами, своими зарядами и выталкиваются из камеры, создавая тягу. Этот разряд называется ионным пучком, и в него снова вводят электроны, чтобы нейтрализовать его заряд. Вот короткое видео, показывающее, как работают ионные приводы:
В отличие от традиционной химической ракеты, где ее тяга ограничена количеством топлива, которое она может нести и сжигать, тяга, создаваемая ионным приводом, ограничивается только силой его электрического источника. Количество топлива, которое может нести корабль, в данном случае ксенон, является второстепенным вопросом. Космический корабль НАСА «Рассвет» использовал только 10 унций ксенонового топлива - это меньше, чем газировка - за 27 часов работы.
Теоретически, нет предела прочности электрического источника питания привода, и ведется работа по разработке еще более мощных ионных двигателей, чем у нас в настоящее время. В 2012 году эволюционный ксеноновый двигатель НАСА (NEXT) работал на 7000 Вт в течение более 43 000 часов по сравнению с ионным приводом на DS1, который использовал только 2100 Вт. СЛЕДУЮЩИЙ, и проекты, которые превзойдут его в будущем, позволят космическим кораблям выполнять расширенные миссии к множеству астероидов, комет, внешних планет и их лун.
Миссии с использованием ионного двигателя включают миссию НАСА «Рассвет», японскую миссию «Хаябуса» на астероид 25143 «Итокава» и предстоящие миссии ЕКА Bepicolombo, которые отправятся в Меркурий в 2017 году, и LISA Pathfinder, который будет изучать низкочастотные гравитационные волны.
С постоянным улучшением ионных силовых установок этот список будет только расти.
