Ионный ракетный двигатель представляет собой особый тип электрического ракетного двигателя, в котором для создания тяги используется ионизированный газ. Основными компонентами такой установки являются: устройство для ионизации рабочего тела (обычно инертного газа, такого как ксенон), электростатическая система для ускорения заряженных частиц и система нейтрализации ионного потока, необходимая для предотвращения накопления заряда на космическом аппарате.
История разработки и принцип действия
Идеи об использовании электричества для разгона частиц и создания реактивной тяги высказывались пионерами космонавтики, такими как Константин Циолковский и Роберт Годдард, ещё в начале XX века. Первая конкретная конструкция ионного двигателя была предложена в 1923 году, что положило начало ряду теоретических исследований.
В наиболее распространённой схеме используется метод контактной ионизации. Пары рабочего тела с низким потенциалом ионизации соприкасаются с раскалённой поверхностью специального материала (например, вольфрама), в результате чего атомы теряют электроны и превращаются в положительные ионы. Далее эти ионы попадают в ускоряющую систему, которая чаще всего представляет собой два электрода (сетки) с очень высоким напряжением между ними. Под действием мощного электростатического поля ионы разгоняются до чрезвычайно высоких скоростей.
Преимущества, недостатки и сфера применения
Ключевое преимущество ионных двигателей — невероятно высокий удельный импульс (отношение создаваемой тяги к расходу топлива). Если в химических ракетных двигателях скорость истечения реактивной струи составляет около 3–4 км/с, то ионные двигатели способны разгонять частицы до 20–50 км/с, а в перспективе и до 200 км/с. Это позволяет в десятки раз сократить массу необходимого рабочего тела для длительных миссий.
Главный недостаток — крайне малая тяга (часто сравнимая с весом листа бумаги на Земле). Из-за этого ионные двигатели непригодны для старта с планеты, но идеально подходят для работы в вакууме космоса. Они могут работать непрерывно месяцами и годами, постепенно разгоняя аппарат до огромных скоростей. Для миссий вдали от Солнца, где энергия солнечных батарей падает, рассматривается замена их на компактные ядерные энергоустановки.
История практического использования
Первый работоспособный ионный электростатический двигатель был создан в 1960 году в Исследовательском центре Льюиса (США). В 1970-х годах Советский Союз успешно применил ионные двигатели в качестве двигателей коррекции орбиты на спутниках серий «Космос», «Метеор» и «Луч». Ярким примером использования ионных двигателей в качестве маршевых (основных) стала американская автоматическая станция Dawn, запущенная в 2007 году для исследования астероидов Веста и Церера. Её двигатели на ксеноне позволили совершить уникальные манёвры и выйти на орбиты двух небесных тел.