Создать мощный ионный двигатель пока не удалось никому

Вывод на космическую орбиту 4 октября 1957 года первого спутника Земли стал сенсацией для большинства людей планеты. Это историческое событие явилось результатом развития научно-технического прогресса, в первую очередь в области создания ракетных двигателей.
Стремление к космическим полетам находило свое отражение в книгах писателей-фантастов. Но так было до появления в печати в 1903 году статьи «Изучение мировых пространств реактивными приборами». Ее опубликовал теоретик космонавтики Константин Эдуардович Циолковский (1857 — 1935). В этой работе автор научно обосновал, что единственным средством для передвижения в космосе является ракета. Реактивный двигатель может обеспечить движение связанному с ним аппарату в безвоздушном пространстве. Из этого вывода следовало, что теперь нужно создать соответствующее топливо для ракеты.
К. Э. Циолковский предложил использовать в качестве ракетного топлива наиболее энергоемкую, кислородно-водородную смесь. Позднее Циолковский от этой идеи вынужден был отказаться: такая смесь взрывоопасна.
Для горения топлива требуется окислитель. По мнению Циолковского, жидкий кислород в качестве окислителя неудобен из-за его низкой температуры кипения (минус 183 градуса Цельсия). Отсюда у ученого появился интерес к кислородным соединениям азота (азотной кислоте) и другим сложным веществам.
Продолжателем ракетных исследований Циолковского становится в 1920-х годах Валентин Петрович Глушко (1908 — 1989). Со школьных лет он состоял в переписке с Константином Эдуардовичем. В 1920-е годы Глушко учился в Ленинградском университете. В 1928 году он избрал темой дипломной работы проект космического корабля «Гелиоракетоплан» (от греческого «гелиос» — Солнце) с ионным двигателем. Глушко применил в проекте двигатель с удельным импульсом тяги в десятки раз выше, чем у двигателей, работающих на химическом топливе.

Валентин Петрович Глушко

Глушко математически доказал, что все узлы этого межпланетного корабля жизнеспособны. В центре аппарата — сфера с космонавтами, вокруг — ионные двигатели, и, наконец, круглая солнечная батарея для питания двигателей.
Дипломная работа «Гелиоракетоплан» Глушко стала известна в научных кругах, и на нее обратил внимание руководитель Ленинградской газодинамической лаборатории (ГДЛ), крупный специалист по ракетной технике Николай Иванович Тихомиров (1859 — 1930). Тихомирова интересовал предложенный Глушко двигатель, и он пригласил бывшего студента в свою лабораторию.
Сконструированный Валентином Петровичем в ГДЛ ионный двигатель показал превосходные характеристики. Однако он годился для безвоздушного пространства, в невесомости. Но поднять ракету с Земли такой двигатель не мог. Стало ясно, что идея ионного двигателя опережала технические возможности того времени, и Глушко в начале 1930 года перешел к созданию химических ракетных двигателей.
В. П. Глушко писал: «Изучение трудов Циолковского позволило мне понять, что центральными вопросами при разработке средств достижения космоса, в первую очередь, является изыскание оптимального источника химической энергии и овладение им в ракетном двигателе. Нет двигателя — и любая самая совершенная конструкция корпуса ракеты со всей ее начинкой — мертва. Поэтому первейшим этапом в моей практической работе по ракетной технике мне представлялось изучение химии различных взрывчатых веществ. Я стал изучать и по возможности собирать литературу по взрывчатым веществам, а для лучшего освоения химии организовал у себя дома химическую лабораторию».
В ГДЛ был богатый опыт разработки пороховых двигателей, ведь порох — самое распространенное унитарное (в одной «упаков­ке») топливо. Главным достоинством пороха являлась возможность получения высокой экономичности рабочего процесса в камере, т. к. горючее и окислитель уже смешаны. Другим достоинством являлась установка на ракету только одной емкости, а не двух — для топлива и окислителя, что уменьшало габариты и массу ракеты. Однако, кроме достоинств, унитарное топливо обладало и недостатком. Об этом предупреждал Циолковский в статье «Топливо для ракеты». Первое же испытание, выполненное Глушко, закончилось взрывом во время запуска двигателя. Тогда Глушко перешел к строительству жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Но и повторные испытания с заменой пороха на бензин, а потом на бензол отличались от первого (с порохом) только моментом возникновения и силой взрыва. Отчитавшись по этим работам, Глушко к однокомпонентным топливам уже не возвращался. Не возвращался он и к ионным двигателям. Его работы по ЖРД в содружестве с Сергеем Павловичем Королёвым (1906 — 1966) увенчались успехом. В конечном итоге ЖРД и вывел на орбиту в 1957 году первый искусственный спутник Земли, а потом запустили в космос в 1961 году и человека.
Но вернемся к ионному двигателю. В нем происходит ионизация газа (или другого рабочего тела). Электрическим полем ионы разгоняются до громадных скоростей — 210 км/с. Они-то и двигают ракету. Для сравнения: у химических ракетных двигателей скорость реактивной струи составляет 3 — 4,5  км/с. Характеристикой ракетного двигателя является удельный импульс — это отношение тяги двигателя к расходу топлива. Тяга двигателя измеряется в ньютонах (1 ньютон — сила, сообщающая телу массой 1 кг ускорение 1 м/с2 в направлении действия силы). Расход же измеряется в кг/с. В результате получаем, что удельный импульс измеряется, как и скорость, в метрах в секунду (м/с) или в километрах в секунду (км/с). Потребляемая мощность типового ионного двигателя 1 — 7 кВт, скорость истечения ионов 20 — 50 км/с, коэффициент полезного действия 60 — 80 %, время непрерывной работы — более трех лет, а тяга всего лишь 0,020 — 0,250 Н. Как читатель уже догадался, главный недостаток современного ионного двигателя — очень слабая тяга или мощность. Для сравнения: тяга двигателя ракеты Р-7, выведшей на орбиту первый искусственный спутник Земли, — 71 000 кг (приблизительно 710 000 Н).
Как же действует ионный двигатель? В ионизатор подается рабочее тело, например ксенон (нейтральный газ). При бомбардировании высокоэнергетическими электронами ксенон ионизируется. Таким образом, в камере образуется смесь из положительных ионов ксенона и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов (они гораздо легче ионов) в камере имеется сетка, притягивающая электроны. Далее электроны выбрасываются из двигателя под небольшим углом к потоку ионов из сопла. В сопло ионы попадают тоже благодаря сеткам, между которыми поддерживается большая разница электрических потенциалов. Ионы, попав в пространство между сетками, разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя ракету (спутник, корабль), согласно третьему закону Ньютона (закон равенства действия и противодействия).
Ионный двигатель из-за слабости тяги не может (пока) сдвинуть ракету на старте, но в условиях невесомости, при достаточно долгой работе двигателя появляется все-таки возможность подвинуть космический аппарат и даже разогнать его, но для этого потребуется значительное время.
Идеи ионного двигателя, с которых начинал Глушко, не пропали: уже в 1960-х годах на отечественных космических кораблях были использованы ионные двигатели для корректировки траектории полета.
В настоящее время Исследовательский центр имени М. В. Келдыша, входящий в состав Роскосмоса, занимается в том числе и ионными (электрическими) ракетными двигателями. Например, разработка центра — ионный двигатель КМ-60 напряжением 500 вольт — с 2014 года находится на орбите в составе космического аппарата. Международная космическая станция также эксплуатирует ионные двигатели центра. Уже разработан ионный двигатель КМ-75 напряжением 800 вольт.
Сегодня ионные двигатели используются для управления ориентацией и положением на орбите спутников, в качестве маршевого двигателя в небольших автоматических космических станциях, однако создать достаточно мощный ионный двигатель для старта с Земли пока не удалось никому.
Сергей Елисеев.
Фото с сайта корпорации Роскосмос и keldysh-space.ru