Европейское космическое агентство отчиталось о проведении первого испытания прямоточного ионного двигателя, использующего в качестве топлива воздух из окружающей атмосферы. В опубликованном на официальном сайте агентства пресс-релизе сообщается, что в перспективе подобные двигатели могут быть использованы в небольших спутниках, которые позволят им работать практически неограниченное количество времени на орбите высотой 200 и менее километров.
В основе ионных двигателей лежит принцип ионизации частиц газа и их разгон с помощью электростатического поля. Благодаря конструктивным особенностям частицы газа в таких двигателях разгоняются до значительно больших скоростей, чем в химических двигателях. Ионные двигатели способны создавать гораздо больший удельный импульс и показывают меньший расход топлива, но обладают одним существенным недостатком – создают крайне малую тягу, по сравнению с обычными химическими двигателями. Именно поэтому сейчас ионные двигатели крайне редко используются на практике. Среди последних примеров их использования можно выделить разве что космический аппарат «Dawn», в настоящий момент находящийся на орбите карликовой планеты Цереры, а также аппарат миссии BepiColombo по исследованию Меркурия, которая начнется в конце 2018 года.
Схема прямоточного воздушного ионного двигателя
Стандартная конфигурация используемых сегодня ионных двигателей подразумевает наличие запаса топлива, в качестве которого, как правило, выступает газ ксенон. Но есть и концепция прямоточных ионных двигателей, которая в реальных космических миссиях никогда не применялась. Она отличается от обычных ионных двигателей тем, что в качестве источника топлива выступает не конечный запас газа, который нужно загружать в бак перед запуском, а непосредственно воздух из атмосферы Земли или другого тела, обладающего атмосферой.
В теории небольшой аппарат, оснащенный таким двигателем, сможет практически вечно находиться на низкой орбите с высотой от 150 километров. При этом компенсация атмосферного торможения будет осуществляться тягой двигателя, производящего забор воздуха из этой атмосферы.
Европейское космическое агентство еще в 2009 году запустило спутник GOCE, который благодаря постоянно включенному ионному двигателю с запасом ксенона пробыл на 255-километровой орбите почти пять лет. По результатам эксперимента ЕКА приняло решение заняться разработкой концепта прямоточного ионного двигателя для аналогичных низкоорбитальных спутников.
Газозаборная установка
Тест ионного двигателя с ксеноном в качестве топлива
Испытания прототипа проходили внутри вакуумной камеры. Изначально в установку подавали ускоренный ксенон. В рамках второй части эксперимента в газозаборную систему начали подавать смесь кислорода с азотом, которая имитировала атмосферный состав на высоте 200 километров. В последней части испытаний для проверки работоспособности системы в основном режиме инженеры использовали чистую воздушную смесь.
Тест ионного двигателя с воздухом в качестве топлива