Китайские инженеры и ученые разработали новый метод ионизации газа и его разогрева в ионном двигателе, который может повысить вырабатываемую ими силу тяги примерно на 50%, говорится в статье, опубликованной в журнале Physics of Plasmas.
"Надо понимать, что мы лишь показали, что газ можно подобным образом пропускать через двигатель. Нам еще предстоит проверить то, как угол наклона выпускных отверстий, их диаметр, длина и другие параметры влияют на эффективность работы устройства. Мы ожидаем, что двигатели Халла такой конструкции в ближайшее время будут проверены на реальных космических аппаратах", — заявил Лицю Вэй (Liqiu Wei) из Технологического института Харбина (Китай).
Идея создания ионного двигателя далеко не нова – первые такие мысли появлялись у советских и американских конструкторов еще в 60 годах прошлого века. За последние полвека было запущено сразу несколько космических аппаратов, оснащенных подобными двигателями – советские зонды серии "Метеор" и "Космос", климатический спутник GOCE, зонды НАСА Deep Space 1 и Dawn, японская станция "Хаябуса" и ряд других аппаратов.
Все они обладают одними и теми же преимуществами и недостатками. В частности, ионные двигатели крайне экономичны, требуя крайне мало топлива и очень эффективны с точки зрения КПД и расхода топлива. С другой стороны, вырабатываемая ими сила тяги крайне мала из-за конструктивных особенностей таких двигателей, и разгон и торможение космического корабля идет крайне медленно, что делает их не самым идеальным средством для доставки людей к Марсу и другим планетам.
Вэй и его коллеги улучшили работу одного из самых "продвинутых" версий ионных двигателей, так называемых ускорителей Холла. Подобные двигатели, как объясняют ученые, работают за счет того, что электрическое поле, вырабатываемое этим устройством, порождает и разгоняет ионы, заставляя их поток, движущийся со скоростью в десятки километров в секунду, "толкать" космический корабль в противоположном направлении.
В отличие от других типов ионных двигателей, главной "движущей силой" в ускорителе Холла выступают электроны, заточенные внутри магнитного поля, сконфигурированного особым образом. Они заставляют атомы ксенона или любых других благородных газов превращаться в ионы, а затем разгоняют и нейтрализуют их уже после того, как они покинули сопло двигателя.
Главной проблемой Холловских двигателей, как рассказывает Вэй, является то, что далеко не все атомы газа, пропускаемого через камеру с электронами, превращаются в ионы. Это заметно понижает КПД двигательной установки и снижает ее тягу, особенно в том случае, если газ разрежен и движется быстро.
Китайские ученые предложили очень простое, но, как оказалось, эффективное решение этой проблемы, позволяющее повысить тягу устройства и его КПД почти в 1,5 раза. Для этого они предлагают поменять форму сопел, из которых газ попадает в рабочую камеру двигателя, таким образом, что струя газа будет двигаться не перпендикулярно направлению тяги, как в обычных двигателях, а будет закручена в спираль.
Как показывают теоретические расчеты авторов статьи, подобный прием повысит КПД и тягу двигательной установки как минимум на несколько процентов при неудачном подборе давления газа и напряжения в электрической части ускорителя, и на 63% и 53% при низких давлениях и низком напряжении.
Это не позволит ионным двигателям превзойти их химических "конкурентов" и не избавит человечество от необходимости подключать к ним ядерную электростанцию для межпланетных перелетов, но заметно расширит сферу их применений и сделает их более практичными. В ближайшее время, как надеются ученые, их коллеги-инженеры создадут первые экспериментальные прототипы подобных установок, чья проверка на орбите покажет, действительно ли эта идея работает или нет.