В сфере космической техники произошёл заметный шаг вперёд в разработке электрических двигателей для летательных аппаратов. Учёные из Университета Вирджинии и Университета Южной Калифорнии провели исследование, которое может значительно повысить защиту космических кораблей от воздействия собственных отработанных газов.
Электрические двигатели, называемые также ионными, всё больше применяются в космосе. Их используют в разных миссиях: от прототипов на аппаратах NASA Deep Space 1 и SMART-1 в 1998 и 2003 годах до научных миссий NASA Dawn и Psyche к поясу астероидов. Планы также предусматривают использование электрической тяги на станции NASA Lunar Gateway.
Электрический двигатель работает за счёт ионизации нейтрального газа (ксенон или криптон), находящегося на борту корабля. Электрический ток отнимает электрон у атомов газа, формируя облако из ионов и электронов. Благодаря эффекту Холла создаётся электрическое поле, ускоряющее ионы и электроны, образуя голубой шлейф, вырывающийся из корабля со скоростью более 60 000 километров в час.
Струя ионов, вылетающая из космического корабля, создает тягу по третьему закону движения Исаака Ньютона. Некоторое время требуется для набора импульса из-за разреженности ионного шлейфа. Однако ионные двигатели обладают рядом преимуществ. Требуется меньше топлива, что снижает массу корабля и стоимость запуска. Кроме того, топливо расходуется медленнее по сравнению с химическими ракетами.
Для электромагнитных полей часто применяют солнечную энергию, поэтому технологию именуют солнечной электрической тягой. Для миссий, удалённых от Солнца, где солнечный свет слабее, может использоваться ядерная энергия в форме радиоизотопных термоэлектрических генераторов.
Электрическая тяга имеет недостатки. Одна из проблем — возможность повреждения космического аппарата ионным шлейфом. Несмотря на то, что шлейф направлен в сторону от корабля, электроны в нём могут изменить направление движения, двигаясь против направления шлейфа и ударяясь о космический аппарат. Это может привести к повреждению солнечных батарей, антенн связи и других открытых компонентов.
Чен Цуй из Инженерной школы и Школы прикладных наук Университета Вирджинии указал на необходимость надежной работы электромоторов длительное время, особенно для миссий, продолжающихся годами.
Для решения проблемы защиты космического корабля от обратно рассеянных электронов необходимо было сначала понять их поведение в шлейфе ионного двигателя. Чен Цуй и Джозеф Ван из Университета Южной Калифорнии провели суперкомпьютерное моделирование выхлопа ионного двигателя, изучая термодинамическое поведение электронов и их влияние на общие характеристики шлейфа.
Исследование показало, что поведение электронов в шлейфе определяется их температурой и скоростью. Цуй сравнил электроны с шариками, помещёнными в трубку. Внутри пучка электроны горячие и быстро движутся, их температура почти не меняется вдоль направления пучка. Но когда «шарики» выходят из центра трубки, они начинают остывать. Охлаждение происходит интенсивнее перпендикулярно направлению пучка.
Электроны в ядре пучка, движущиеся с наибольшей скоростью, имеют более или менее постоянную температуру. Электроны снаружи остывают быстрее, замедляются и выходят из пучка, потенциально рассеиваясь обратно и ударяясь о космический корабль.
Понимание поведения электронов в ионном шлейфе позволяет учёным учитывать эти данные при разработке двигателей с электрической тягой. Это открывает возможности для ограничения обратного рассеяния или удержания электронов в ядре пучка. В результате миссии с электрической тягой смогут летать дальше и дольше, движимые нежным голубым ветром ионного шлейфа.
Открытие важно для будущих исследований космоса. Улучшенная защита космических аппаратов от собственных выбросов позволит значительно продлить срок службы спутников и межпланетных зондов, сделав миссии более эффективными и экономически выгодными. Благодаря мощным суперкомпьютерам учёные детально изучили поведение частиц в ионном двигателе, что было бы крайне сложно в реальных условиях космоса.
Открытие ученых может спровоцировать новые исследования в области электротяги. Возможно, в скором времени появятся новые типы ионных двигателей, более эффективные и безопасные для космических кораблей.