Долететь до Луны на ионном двигателе
Новый малый ионный микродвигатель наконец-то может сделать реальностью пресловутые микроспутники, которые вот уже несколько лет обещают радикально снизить стоимость исследовательских полётов в космос. Ионные двигатели — новость с огромной бородой; их применению в космосе скоро исполнится полвека. Тем не менее до недавнего времени их роль ограничивалась маневрированием на околоземной орбите. И хотя Dawn, самый быстрый из КА землян, приводится в движение именно тремя ионными двигателями, их проблемой всегда был малый удельный импульс, который они придают кораблю.
А вот с микроспутниками, масса которых исчезающе мала, всё может и должно быть много лучше. Двигатель весом в 200 г (с контролирующей электроникой), разработанный в Федеральной политехнической школе Лозанны (Швейцария), способен за шесть месяцев доставить с низкой околоземной орбиты к Луне килограммовый спутник объёмом около 1 дм³. Незначительная масса аппарата, таким образом, компенсирует низкий удельный импульс двигателя, видеоматериал о котором представлен ниже.
Новый ионный двигатель, даром что размером с кубик Рубика, способен к полёту к другим планетам. (Здесь и ниже иллюстрации Федеральной политехнической школы Лозанны.)
Ключевые узлы микродвигателя собираются при помощи фотолитографии, используемой при производстве электроники (слишком уж малы компоненты!). Понятно, что на конвейере их стоимость просто рухнет. Основное назначение разработки — разгон КА с низких околоземных орбит на геостационарную и лунную орбиты, а также отправка к более далёким объектам Солнечной системы.
Для выброса ионов двигатель использует кремниевые микросопла, сгруппированные в компактную тяговую матрицу, в которой 1 000 сопел приходится на один квадратный сантиметр площади. Сначала 1-этил-3-метилимидазолий тетрафторборат (ионная жидкость) без какого-либо топливного насоса, под действием капиллярной силы попадает из маленького топливного бака в капиллярные трубопроводы и далее к соплам, где затем ионы топлива разгоняются электродом, к которому подведено напряжение в 1 000 В. Каждую секунду полярность электрического поля на электроде меняется на противоположную, что позволяет использовать для разгона все ионы — как положительные, так и отрицательные.
В первую очередь разработка будет установлена на швейцарский CleanSpace One. Назначение спутника — однократная миссия по удалению с земной орбиты предыдущего космического аппарата, запущенного швейцарцами и ныне являющегося космическим мусором. По мысли Швейцарского космического агентства, этому примеру смогут последовать остальные космические державы, начав за собой орбитальную уборку. В будущем новые двигатели будут ставить на микроспутники Европейского распределённого космического радиотелескопа (программа OLFAR).
Однако потенциальное применение у двигателя гораздо шире. Он, как и всё, что делается фотолитографированием, легко может производиться массово, а модульная конструкция позволяет объединять двигатели в крупные блоки. Действующая модель даёт ускорение в 0,1 мм/с² для спутника весом в 1 кг. Поэтому, чтобы разогнаться с 24 000 км/ч (начальная скорость, придаваемая спутнику химической ракетой, которая выведет его на орбиту) до 42 000 км/ч (вторая космическая скорость), такому КА потребуется шесть месяцев непрерывной работы. При этом он потребует 4 Вт мощности (микроскопические фотоэлементы килограммового спутника как раз справятся) и всего 100 мл топлива — меньше половины стакана. А тысяча таких установок могут сделать то же самое с 1 000-килограммовым космическим кораблём, потратив всего 100 литров ионной жидкости. Чтобы долететь до Марса или Титана, или любой другой точки Солнечной системы, отныне нужно меньше топлива, чем когда-либо. По сути, отправить туда автоматический КА будет стоить не сильно дороже, чем к МКС, нужно лишь масштабировать двигательную установку, объединив множество микродвигателей.
Открываются перспективы и перед орбитальными спутниками. Теоретически активное маневрирование и переход с орбит доступны спутникам любого размера и массы, в том числе в «весе мухи» (до килограмма). А значит, аппараты можно будет запускать группами даже с самой маленькой ракеты-носителя, и при этом каждый из них будет иметь собственную цель не только на любой мыслимой орбите вокруг нашей планеты, но и в любой мыслимой точке Солнечной системы.
по информации: compulenta.ru