Как устроен ионный двигатель зонда dawn, который летит к церере?

Очень быстрый гибрид

Двигатель компании Reaction Engines — SABRE — вполне подходит на роль ключевой технологии, с помощью которой можно разрубить гордиев узел противоречий и реализовать одноступенчатый воздушно-космический аппарат. Этот гибрид сочетает в себе качества турбореактивного (хотя турбину компрессора крутят не выхлопные газы, а горячий гелий в замкнутом цикле), прямоточного и ракетного двигателей и работает с достаточной эффективностью на всех участках траектории, от взлетной полосы до орбиты. Расчеты Reaction Engines показывают, что в случае применения ЖРД общий вес корабля и полезной нагрузки должен составлять 13% от стартового веса для вывода полезной нагрузки 15 т на низкую опорную орбиту. Двигатель SABRE позволяет при тех же условиях довести вес корабля с полезной нагрузкой до 22% — цифра вполне достижимая при современном уровне технологий.

Революционный двигатель SABRE разрабатывается Reaction Engines при поддержке BAE Systems. Ожидается, что он сможет поднять самолет в воздух и разогнать его до 5 М, после чего перейдет в реактивный режим работы — для скоростей до 25 М.

SABRE, как и его предшественник RB545, — гибридный воздушно-реактивный двигатель с предохлаждением потока. Здесь, как и в LACE, за воздухозаборником стоит криогенный теплообменник, однако входящий поток не сжижается, всего лишь охлаждаясь до низких температур. Далее воздух с температурой порядка -140 °С (до этого он нагрелся при торможении свыше 1000 °С) поступает в простой турбокомпрессор из легких сплавов (низкая температура воздушного потока позволила облегчить его на три четверти по сравнению с компрессором турбореактивного двигателя), сжимающий газы до давления камеры сгорания, в которой газообразный воздух смешивается с жидким водородом. При выходе из плотных слоев атмосферы воздухозаборник запирается створками, а камера сгорания питается жидким кислородом из внутренних баков. Поскольку расход водорода на охлаждение больше, чем окислителя в полученном воздухе, избыток (2/3 потока, прошедшего теплообменник) дожигается во втором контуре, смешиваясь с той частью воздуха, которая не поступила в теплообменник.

Однако принципиальная схема по сравнению с RB545 несколько изменилась: добавилась промежуточная петля с жидким гелием — теперь водород охлаждает гелий, а гелий уже отбирает тепло у воздуха и, нагревшись, крутит турбину компрессора и насосов, после чего поступает на повторное охлаждение. Это позволило избежать проблем водородной хрупкости в температурно-напряженном теплообменнике воздухозаборника. Компоновка космического аппарата тоже изменилась: тонкое веретено корпуса оснащено треугольным крылом со слегка искривленными мотогондолами на его концах.

Недостатки ионных двигателей

Возможность продолжительной работы ионного двигателя очень важна, так как он не способен развивать высокую тягу и моментально разгонять корабль до больших скоростей. В нынешних реализациях тяга ионных двигателей с трудом достигает 100 миллиньютонов.

Из-за такой конструктивной особенности, как минимум пока, такой двигатель не дает возможности стартовать с другой планеты, даже если у нее очень маленькая гравитация.

Получается, что использование таких двигателей для дальних путешествий пока невозможно без традиционных тяговых установок на химическом топливе. Зато, их совместное использование позволит гораздо более гибко пользоваться ускорением. Например, за счет обычного двигателя разгонять аппарат до более менее высокой скорости, а потом ускоряться еще больше за счет ионного двигателя.

Покорение дальнего космоса без новых технологий невозможно.

По сути, малая тяга на данный момент является главным недостатком таких двигателей, но ученые работают в этом направлении и в перспективе повысят его мощность, так как определенного прогресса удалось добиться уже сейчас.

Еще одной, пусть и не такой существенной, проблемой является надежность. В целом ионные двигатели достаточно надежны, но надо понимать, что их задача заключается в том, чтобы унести аппарат очень далеко и очень быстро. То есть работать он должен долго, чтобы не ставить под удар всю миссию. Поэтому, пока идут работы над увеличением мощности, разработчики стараются не забывать и о надежности.

Эффективность

Основная задача двигательной установки — изменять скорость космического аппарата. Поскольку требуемая для этого энергия зависит от массы аппарата, конструкторы используют понятие импульса, равного произведению массы на скорость. Таким образом, двигательная установка изменяет импульс космического аппарата.

Для аппаратов, двигательная установка которых работает на участке выведения (как, например, у транспортной системы «Спейс шаттл»), выбранный способ ускорения должен обеспечить преодоление земного притяжения — придать аппарату первую космическую скорость, которая для Земли составляет около 7,9 км/с. При движении вокруг планеты воздействие двигательной установки приводит к изменению орбиты аппарата.

Достижение заданной скорости может быть обеспечено короткими периодами включения двигательной установки при больших ускорениях либо длительными периодами включения с малыми ускорениями. При этом второй метод малопригоден для выведения аппарата в космос, так как требует непомерных затрат энергии на преодоление планетарной гравитации. Однако тело, выводимое в космос, на начальном этапе траектории может, аналогично самолёту, использовать подъёмную силу крыла, пока не достигнет менее плотных слоёв атмосферы.

Для человека привычно воздействие гравитации, характеризуемой ускорением свободного падения примерно 9,8 м/с², или 1 g. Для пилотируемого аппарата идеальной двигательной установкой была бы система, обеспечивающая постоянное ускорение, равное этой величине, что устранило бы неприятные явления у экипажа: тошноту, ослабление мышц, вымывание кальция из костной ткани, потерю чувства вкуса. Однако обеспечить такое ускорение затруднительно: при выведении это привело бы к неэффективному расходу горючего, а в космосе не соответствовало бы основным задачам аппарата или приводило бы к слишком долгому времени полёта.

Закон сохранения импульса устанавливает, что при изменении импульса космического аппарата должен меняться импульс чего-то ещё, чтобы общий импульс системы был постоянным. Для двигательных установок, использующих энергию магнитных полей или давления света, этой проблемы не существует, но большинство космических аппаратов вынуждены иметь на борту запас рабочего тела, за счет отбрасывания которого может меняться импульс самого аппарата. Двигательные установки, работающие на этом принципе, называются реактивными.

Для ускорения рабочего тела нужна энергия, которую можно получить из различных источников. В твердотопливных, жидкостных и гибридных ракетных двигателях энергия выделяется при химической реакции компонентов, а рабочим телом является образовавшийся в результате газ, под высоким давлением истекающий из сопла. В ионном двигателе для разгона частиц рабочего тела используется электрическая энергия, получаемая от солнечных батарей, ядерной силовой установки или из других источников.

При оценке эффективности реактивных двигательных установок используют понятие удельного импульса, равного отношению создаваемого импульса к расходу рабочего тела. В системе СИ удельный импульс имеет размерность «метр в секунду», но на практике чаще используется размерность системы МКГСС — «секунда».

Более высокий удельный импульс соответствует более высокой скорости истечения рабочего тела, однако энергия, требуемая для ускорения рабочего тела, пропорциональна квадрату скорости, из-за чего с увеличением удельного импульса падает энергетическая эффективность двигательной установки. Это является недостатком двигателей большой мощности, в результате чего большинство двигателей с высоким удельным импульсом имеют малую тягу, как, например электроракетные двигатели.

НК-33: возвращение «лунного» двигателя

В 1960-е годы после первых успехов в освоении космоса СССР включается в «лунную» гонку. Советские ученые разрабатывают сверхтяжелую ракету для полета на Луну. Фантастический по масштабам проект реализовывается силами многих КБ. Для создания двигателя, который смог бы доставить космонавтов на Луну и вернуть их обратно, разработчик ракеты Сергей Королев выбирает Государственный союзный опытный завод №276. Здесь под руководством Николая Кузнецова создается жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) НК-15 для первой ступени ракеты-носителя Н1.

В процессе летных испытаний двигатели дорабатываются до модели НК-33 и разрабатываются модификации для всех четырех ступеней ракеты − НК-15В (НК-43), НК-19 (НК-39), НК-21 (НК-31). Коллектив Кузнецова смог создать высокоэффективный и простой в эксплуатации двигатель. Главным преимуществом НК-33 стал минимальный вес к тяге и чрезвычайная надежность, подтвержденная многократными испытаниями. НК-33 стал первым в мире двигателем в своем классе, выполненным по замкнутой схеме, работающим на компонентах кислород-керосин и предназначенным для многократного применения.

Фото: ПАО «Кузнецов»

Как известно, американцы опередили Советский Союз в высадке на Луну, и в 1974 году отечественная «лунная» программа была свернута. Более сотни уже изготовленных двигателей НК-33 и НК-43 подлежали уничтожению. Однако Кузнецов пошел наперекор властям и сохранил свое детище, законсервировав и спрятав двигатели на предприятии под Куйбышевым.

В 1990-е годы, когда система госзаказа рушилась на глазах, многие оборонные предприятия находились в режиме выживания. Государство дало им «зеленый свет» на самостоятельную международную торговлю. Здесь и получила продолжение история двигателей НК-33

Извлеченные Николаем Кузнецовым из запасников, они с большим успехом были продемонстрированы широкой публике и привлекли внимание иностранцев.

Зарубежные специалисты поразились оригинальности конструкции НК-33. Созданный КБ − разработчиком авиационных двигателей, он даже внешне сильно отличался от своих ракетных собратьев. Другой особенностью НК-33 была высочайшая надежность. Огромные ресурсы позволили Кузнецову на этапе испытаний выработать около 100 двигателей. Один из образцов НК-33 проработал на стенде более 4 часов, при том что расчетное время работы двигателя в космосе – около 200 секунд. Особенно двигателем заинтересовались американцы, которые затем выкупили часть сохранившихся НК-33 для своей космической программы.

Старт ракеты-носителя легкого класса «Союз-2-1в». Фото: Роскосмос

Работа американцев по доводке двигателей велась совместно с самарскими специалистами. Параллельно проводились отечественные опытно-конструкторские работы по модернизации НК-33 и его адаптации к современным условиям. В 2012 году после испытаний было принято решение использовать ЖРД НК-33 в качестве маршевого двигателя для первой ступени ракеты-носителя легкого класса «Союз-2-1в». В 2013 году «кузнецовский» двигатель спустя 40 с лишним лет после его создания поднялся в небо – первые полеты совершили и американская, и российская ракеты. Современная модификация НК-33А сегодня используется для запуска ракет «Союз-2-1в» и продолжает совершенствоваться.

Выход на новые орбиты

Космическая страница в истории предприятия была открыта в 1958 году, когда самарский завод освоил производство новых двигателей РД-107 и РД-108, разработанных в ОКБ-456 специально для межконтинентальной баллистической ракеты Р-7.

Р-7 была жидкостной двухступенчатой ракетой. Первая ступень представляла собой четыре конических боковых блока длиной 19 метров и наибольшим диаметром три метра. На каждом блоке первой ступени были установлены двигатели РД-107. Они располагались симметрично вокруг центрального блока, второй ступени. Каждый двигатель имел шесть камер сгорания, две из которых использовались как рулевые.

Запуск ракеты-носителя «Восток-1» с Юрием Гагариным

В качестве двигателя второй ступени применялся РД-108, конструктивно основанный на РД-107. РД-108 отличался большим количеством рулевых камер и был способен работать дольше силовых установок блоков первой ступени. Запуск двигателей первой и второй ступени производился одновременно во время старта на Земле при помощи пирозажигательных устройств в каждой из 32 камер сгорания.

Конструкция Р-7 оказалась настолько удачной и надежной, что на ее основе было создано целое семейство ракет-носителей. Они подняли в космос первый искусственный спутник Земли, корабль «Восток» Юрия Гагарина, отправили в полет межпланетные станции для изучения Луны и космического пространства. С помощью двигателей РД-107 и РД-108 и сегодня доставляют на орбиту российских космонавтов, американских астронавтов и космических туристов из разных стран.
 

История

Впервые ионный двигатель появился в фантастике в 1910 году — в романе Дональда В. Хорнера «Аэроплан к солнцу: приключения авиатора и его друзей». Ионный двигатель широко представлен в фантастической литературе, компьютерных играх и кинематографе (так в «Звёздных войнах» экономичный ионный двигатель развивает скорость до трети световой и используется для перемещения в обычном пространстве на небольшие по космическим меркам расстояния — например в пределах планетарной системы), но для практической космонавтики стал доступен только во второй половине XX века. Реальный ионный двигатель по своим техническим характеристикам (и в первую очередь по силе тяги) значительно уступает своим литературным прообразам (так Эдгард Чуэйри образно сравнивает ионный двигатель с автомобилем, которому нужно двое суток для разгона с 0 до 100 км/ч).

Ионный двигатель является первым хорошо отработанным на практике типом электрического ракетного двигателя. Концепция ионного двигателя была выдвинута в 1917 году Робертом Годдардом, а в 1954 году Эрнст Штулингерru_en детально описал эту технологию, сопроводив её необходимыми вычислениями.

В 1955 году Алексей Иванович Морозов написал, а в 1957 году опубликовал в ЖЭТФ статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». Это дало толчок к исследованиям, и уже в 1964 году на советском аппарате «Зонд-2» первым таким устройством, выведенным в космос, стал плазменно-эрозионный двигатель конструкции А. М. Андрианова. Он работал в качестве двигателя ориентации с питанием от солнечных батарей.

Первый американский функционирующий ионный электростатический двигатель (создан в США в НАСА John H. Glenn Research Center at Lewis Field) был построен под руководством Гарольда Кауфманаru_en в 1959 году.
В 1964 году прошла первая успешная демонстрация ионного двигателя в суборбитальном полёте (SERT I). Двигатель успешно работал в течение запланированной 31 минуты.
В 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II). Малая тяга и низкий КПД надолго отвадили американских конструкторов от применения электрических и ионных двигателей.

Тем временем в Советском Союзе продолжалась разработка и улучшались характеристики. Были разработаны и применялись различные типы ионных двигателей на различных типах космических аппаратов. Двигатели СПД-25 тягой 25 миллиньютон, СПД-100, и другие серийно устанавливались на советские спутники с 1982 года.

В качестве основного (маршевого) двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1 (первый запуск двигателя — 10 ноября г.). Следующими аппаратами стали европейский лунный зонд Смарт-1, запущенный 28 сентября 2003 года, и японский аппарат Хаябуса, запущенный к астероиду Итокава в мае 2003 года.

Следующим аппаратом НАСА, обладающим маршевыми ионными двигателями, стала (после ряда замораживаний и возобновления работ) АМС Dawn, которая стартовала 27 сентября 2007 года. Dawn предназначен для изучения Весты и Цереры и несёт три двигателя NSTAR, успешно испытанных на Deep Space 1.

Европейское Космическое Агентство установило ионный двигатель на борту спутника GOCE, запущенного 17 марта 2009 года на сверхнизкую околоземную орбиту высотой около 260 км. Ионный двигатель создаёт в постоянном режиме импульс, компенсирующий атмосферное трение и другие негравитационные воздействия на спутник.

Необходимо и достаточно

В настоящее время всё это выглядит фантастикой, но до тестирования прототипа, как утверждают ученые, остаются считаные годы. Главное, что требуется, это не только завершить разработку, но и сохранить в стране необходимый уровень космонавтики. Даже при падении финансирования должны продолжать взлетать ракеты, строиться космические аппараты, работать ценнейшие специалисты.

двигатель

Фото: Global Look Press/Roscosmos

Иначе один атомный двигатель без соответствующей инфраструктуры делу не поможет, для максимальной эффективности разработку будет очень важно не просто продать, но использовать самостоятельно, показав все возможности нового космического транспортного средства. Пока же всем жителям страны, не завязанным на работе, остается только посматривать на небо и надеяться, что у российской космонавтики всё получится

И ядерный буксир, и сохранение нынешних возможностей. В другие исходы и верить не хочется

Пока же всем жителям страны, не завязанным на работе, остается только посматривать на небо и надеяться, что у российской космонавтики всё получится. И ядерный буксир, и сохранение нынешних возможностей. В другие исходы и верить не хочется.

Где используются ионные двигатели

Вам могло показаться, что ионные двигатели существуют только на бумаге и в лабораториях, но это не так. Они уже использовались, как минимум, в семи завершившихся миссиях и используются минимум в четырех действующих.

В том числе такие двигатели используются в рамках миссии BepiColombo, запущенной 20 октября 2018 года. В этой меркурианской миссии используются 4 ионных двигателя суммарной мощностью 290 миллиньютонов. Кроме этого, аппарат оснащен и химическим двигателем. Оба они в сочетании с гравитационными маневрами должны обеспечить выход корабля на орбиту Меркурия в качестве искусственного спутника.

Космический аппарат BepiColombo.

Использованием этих двигателей не брезгует и Илон Маск в своей программе Starlink, за счет этих двигателей корабль должен совершать небольшие маневры и уклоняться от космического мусора.

Сейчас планируется доставка на МКС ионной тяговой установки, которая позволит управлять положением станции в автоматическом режиме. Ее мощность подобрана исходя из доступной электрической мощности станции. Для большей надежности планируется так же доставка батарей, которые обеспечат 15 минут автономной работы двигателя.

Но самым необычным проектом был ”Прометей”. Корабль в рамках этого проекта планировалось отправить к Юпитеру со скорость 90 км/c. Ионный двигатель корабля должен бал работать от ядерного реактора, но из-за технических трудностей в 2005 году проект закрыли.

От «Гномов» до великанов

История ПАО «Кузнецов» началась в 1912 году, когда в Москве был открыт механический завод французского общества «Гном» (позже − «Гном и Рон») по сборке одноименных авиационных двигателей. В царской России двигатели устанавливались на покупные самолеты и авиатехнику отечественного производства. Моторы «Гном и Рон» поднимали в небо практически все самолеты времен Первой мировой войны, причем всех сторон конфликта.

После революции завод был национализирован и получил обозначение «№2», а после объединения с заводом №4 в 1927 году стал Государственным заводом №24 имени М.В. Фрунзе. Здесь выпускались в серию первые советские двигатели для легкомоторной авиации и один из лучших поршневых двигателей в мире АМ-34. В 1937 году на самолетах АНТ-25 с двигателями АМ-34 советские летчики под командованием Валерия Чкалова совершили легендарный беспосадочный перелет Москва – Северный полюс – Ванкувер (США).

Н.Д. Кузнецов

В 1941 году завод эвакуируется в Куйбышев (ныне − Самара) и продолжает производить двигатели для военных самолетов и кораблей. В конце 1940-х − начале 1950-х на заводе осваивается выпуск первого в СССР серийного турбореактивного двигателя ВК-1 конструктора Владимира Климова. 

В 1949 году в Куйбышев приезжает конструктор Николай Кузнецов, который возглавляет Государственный союзный опытный завод №2 по разработке и производству опытных реактивных двигателей. Под его руководством создается 57 оригинальных и модифицированных двигателей марки «НК» для самолетов, ракетно-космических комплексов и наземного применения. В 1996 году предприятию присваивается имя конструктора, а после объединения с другими машиностроительными предприятиями Самары весь комплекс получает имя «Кузнецов».

Проблемы космического масштаба

Естественно, что проблем у ядерной установки в космосе гораздо больше, чем на Земле, и самая главная из них — это охлаждение. В обычных условиях для этого используется вода, очень эффективно поглощающая тепло двигателя. В космосе же сделать это нельзя, и ядерным двигателям требуется эффективная система охлаждения — причем тепло от них нужно отводить во внешнее космическое пространство, то есть делать это можно только в виде излучения. Обычно для этого в космических кораблях используются панельные радиаторы — из металла, с циркулирующей по ним жидкостью теплоносителем. Увы, такие радиаторы, как правило, имеют большой вес и габариты, кроме того, они никак не защищены от попадания метеоритов.

В августе 2015 года на авиасалоне МАКС была показана модель капельного охлаждения ядерных энергодвигательных систем. В ней жидкость, рассеянная в виде капель, пролетает в открытом космическом пространстве, охлаждается, а затем снова собирается в установку. Только представьте себе огромный космический корабль, в центре которого гигантская душевая установка, из которой вырываются наружу миллиарды микроскопических капель воды, летят в космосе, а затем засасываются в огромный раструб космического пылесоса.

Совсем недавно стало известно, что капельная система охлаждения ядерной двигательной установки была испытана в земных условиях. При этом система охлаждения — это важнейший этап в создании установки.

Схема капельной системы охлаждения для ядерных энергодвигательных систем

Теперь дело за тем, чтобы испытать ее работоспособность в условиях невесомости и уже только после этого систему охлаждения можно будет пробовать создать в размерах, требуемых для установки. Каждое такое успешное испытание по чуть-чуть приближает российских специалистов к созданию ядерной установки. Ученые спешат изо всех сил, ведь считается, что вывод ядерного двигателя в космос сможет России помочь вернуть лидерские позиции в космосе.