Плазменное сердце: российский двигатель доставит на Марс за один-два месяца
Российские ученые и конструкторы разработали ракетный двигатель на основе магнитоплазменного ускорителя и создали лабораторный прототип установки. Мотор будет работать на водороде. Он сможет разгонять частицы — заряженные электроны и протоны — до скорости 100 км/с. Корабли, оснащенные такими силовыми установками, смогут в разумные сроки достичь дальних уголков Солнечной системы и выйти за ее пределы, а полеты на Марс займут один-два месяца.
Как устроен плазменный двигатель
Прототип плазменного ракетного двигателя для космических полетов
Ученые из Троицкого института «Росатома» разработали ракетный двигатель на основе магнитоплазменного ускорителя и создали лабораторный прототип установки. Как сообщили исследователи, силовая установка сможет разгонять частицы (заряженные электроны и протоны) до скорости 100 км/с. Это позволит космическим аппаратам совершать межпланетные перелеты и даже выходить за пределы Солнечной системы.
— В традиционных силовых агрегатах максимальная скорость истечения вещества — около 4,5 км/с, что обусловлено условиями горения топлива. В отличие от них, в нашем двигателе рабочее тело — это заряженные частицы, которые разгоняются электромагнитным полем. Это дает возможность достичь значительно более высоких скоростей, — рассказал «Известиям» первый заместитель генерального директора по науке Троицкого института Алексей Воронов.
Он добавил, что благодаря новым силовым установкам время перелета космических кораблей на Марс сократится до одного-двух месяцев (в зависимости от размера корабля и груза). Это сделает межпланетные путешествия более безопасными, поскольку сократит время экспедиции и период пребывания экипажа под воздействием космической радиации.
— Сейчас подготовлен прототип двигателя. Он предназначен для наземных испытаний и отработки различных режимов работы двигателя. По плану летный образец агрегата появится в 2030 году. Двигатель работает в импульсно-периодическом режиме. Его мощность — порядка 300 кВт. Ранее был обоснован ресурс двигателя более 2400 ч, что достаточно для транспортной операции к Марсу. Основная цель проекта — продемонстрировать работу прототипа в импульсно-периодическом режиме, — объяснил научный консультант проекта Константин Гуторов.
Он сообщил, что в настоящее время для проведения испытаний смонтировали специальный экспериментальный стенд. Это камера диаметром 4 м и длиной 14 м, в которой воспроизводятся условия, аналогичные космическим. Она оснащена инновационными высокочувствительными датчиками, системами вакуумной откачки и отведения тепла.
Вакуумная камера
По словам ученого, выводить аппараты на орбиту будут традиционным способом — с помощью ракет-носителей, оснащенных химическими двигателями. В свою очередь, плазменные агрегаты будут включаться уже после выхода на опорную орбиту. Также они могут функционировать в составе космического буксира — корабля, который предназначен для того, чтобы перевозить грузы между орбитами планет Солнечной системы.
— Плазменный ракетный двигатель — разновидность электрического. В его основе два электрода. Между ними пропускают заряженные частицы, и в это же время на электроды подается высокое напряжение. В результате ток создает магнитное поле, которое выталкивает частицы из двигателя. Таким образом плазма получает направленное движение и создает тягу, — рассказал младший научный сотрудник научного института «Росатома» в Троицке Егор Бирюлин.
Почему используют водород
Для создания движения в двигателе используют электрическую энергию и — в качестве рабочего тела — водород, пояснил Егор Бирюлин. Источником энергии будет служить бортовой атомный реактор. Преимущество водорода в том, что его атомы легки и обладают высокой скоростью истечения. Это позволяет без большого расхода рабочего вещества достигать значительных скоростей. Кроме того, водород — самый распространенный элемент во Вселенной. Поэтому в перспективе можно без особого труда пополнять его запасы.
Плазменный двигатель
— Другая положительная особенность новой установки — в предложенном механизме плазму не нужно сильно нагревать. В результате детали и узлы двигателя не испытывают температурных перегрузок, а использованная для его работы электрическая энергия практически полностью преобразуется в движение. Это делает установку более эффективной по сравнению с аналогами, — добавил специалист.
Он уточнил, что тяга двигателя (сила, которую он создает) в соответствии с расчетами составит порядка 6 Н. Это максимальное значение среди разрабатываемых проектов. С такими характеристиками межпланетному кораблю потребуется запас времени для разгона и торможения. По сути, весь полет может состоять из фазы плавного набора скорости и последующего ее снижения.
— В сфере разработки плазменных двигателей наша страна на десятилетия опережает конкурентов. Например, такие устройства российского производства используют в группировке One Web. Они служат в качестве маршевых силовых установок для разведения спутников на орбиты, маневрирования и их сведения с орбиты. Другой пример — исследовательский модуль Psyche, который в 2023 году был отправлен NASA для изучения астероида Психея. Этот аппарат также оснащен российскими плазменными двигателями, — прокомментировал «Известиям» ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН Натан Эйсмонт.
Сотрудники лаборатории плазмодинамики
Представленная разработка, подчеркнул эксперт, носит опережающий характер. Как правило, скорость струи существующих плазменных двигателей находится на уровне 10 км/с, некоторые обеспечивают 30–50 км/с. Скорости порядка 100 км/с вкупе с применением водорода в качестве рабочего тела выведут мировую космонавтику на качественно новый уровень, резюмировал он.
