ESA провело испытания ионного двигателя с воздухом в качестве топлива
Спутник с электрическим двигателем, который работает на воздухе
Европейское космическое агентство (ESA) провело первые в мире испытания электрического двигателя, который использует в качестве топлива (рабочего тела) молекулы разреженного воздуха. Эта технология известна как Air-Breathing Electric Propulsion или Atmosphere-Breathing Electric Propulsion (ABEP). В перспективе такие двигатели можно устанавливать на спутники, которые быстро вращаются на очень низких орбитах.
Например, космический аппарат GOCE с ионным двигателем для составления карты земной гравитации 56 месяцев работал на высоте 260 км. Его срок жизни был ограничен запасом ксенонового топлива: с собой удалось взять всего 40 кг. Когда топливо закончилось — спутник бессильно упал и сгорел в атмосфере, а миссию пришлось завершить. С кислородным топливом таких проблем не будет, потому что даже в верхних слоях атмосферы достаточно молекул кислорода. Так что если спутник будет вынужден сойти с орбиты, то причиной этому станет не недостаток топлива, а износ компонентов или иные причины.
Фактически, речь идёт о новом классе спутников, которые могут работать очень продолжительное время на очень низкой орбите. И это ещё не всё. Подобные аппараты способны работать в верхних слоях атмосферы других планет. Например, на углекислом газе в атмосфере Марса.
Ионный двигатель на кислородном топливе, фотография сделана во время испытаний
Ионный двигатель — тип электрического ракетного двигателя, принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле. Здесь нет движущихся частиц, а для создания тяги нужно только подвести питание от солнечных батарей к катушкам и электродам. В конструкции двигателя «генератор потока частиц» обеспечивает высокоскоростной поток молекул для системы впуска, разработанной польской компанией QuinteScience. Затем частицы ионизируются и выбрасываются наружу, создавая тягу.
Для этого проекта инженеры ESA изменили конструкцию ионного двигателя, чтобы он мог использовать молекулы кислорода в той концентрации, в какой спутник может их захватить на высоте 200 км на скорости 7 км/с.
Плотность атмосферы зависит от высоты и солнечной активности. Кроме того, влияют расположение и время года. На графиках показана примерная плотность атмосферы в зависимости от высоты и солнечной активности.
Для гарантированного удержания космического аппарата на заданной высоте сила тяги двигателя должна быть не менее максимальной величины аэродинамического сопротивления в условиях максимума солнечной и геомагнитной активности, а для оценки требуемого расхода рабочего тела или ресурса работы двигателя необходимо использовать среднее значение аэродинамического сопротивления. В таблице приведена сила сопротивления, соответствующая минимуму и максимуму солнечной и геомагнитной активности. Минимальные, максимальные и средние значения вычислялись на периоде в один год на равномерной географической сетке для каждого уровня солнечной и геомагнитной активности (источник).
Экспериментальный образец двигателя ESA изготовила итальянская компания Sitael. Это двухступенчатый двигатель, который обеспечивает лучшую ионизацию и ускорение частиц, что традиционные системы электрических двигателей. Предварительно конструкцию испытали в компьютерной симуляции, а потом пришло время для реальных тестов.
Тестирование осуществлялось в вакуумной камере (на фото) с симуляцией условий на высоте 200 км.
Экспериментальная установка
На первом этапе двигатель проверили на ксеноновом топливе из генератора пучка частиц. Затем ксенон частично заменили азотно-кислородной смесью. Когда цвет реактивной струи из двигателя сменился с ксеноновой голубой на багровую — стало ясно, что двигатель работает на воздухе.
Двигатель внутри вакуумной камеры
В конце концов, двигатель многократно запустили чисто на атмосферном газе, чтобы доказать жизнеспособность идеи. Таким образом, использование воздуха в качестве топлива для электрического двигателя — это больше не фантастика, а вполне рабочая идея.
