Ионные двигатели

Ионные двигатели были впервые предложены еще К. Э. Циолковским. Годдард в 1906 г. писал о том, что электрически заряженные частицы могут применяться для создания тяги. Подробнее о возможностях применения «электрического ветра» для обеспечения космических полетов рассказал через двадцать три года в книге «Вопросы космических полетов» Оберт, указавший, в частности, что русский исследователь Улинский предложил конструкцию ионного двигателя еще в 1923 г. Затем последовал целый ряд теоретических разработок. Естественно поэтому, что ионные двигатели наиболее изучены по сравнению с другими двигателями будущего, предназначенными для получения очень больших скоростей. В 1954 г. Штулингер описал особенности ионных двигателей и предложил ввести характеристики, позволяющие оценивать степень совершенства их конструкции. Наиболее важный из этих показателей — удельная мощность, т. е. мощность (в квт), полученная на каждый килограмм массы установки.

Рис. 11. Ускоритель с разгоном рабочего тела магнитным давлением 1 - конденсатор; 2 - источник разрядного тока; 3 - изолятор; 4 - токопроводящие проводники; 5 - струя пара рабочего тела; 6 - плазмоиды

На рис. 12 и 13 показаны предполагаемый внешний вид двух ионолетов¹ и схема одной из ионных силовых установок². В силовой установке предусматривается устройство, вырабатывающее электрическую энергию, необходимую для работы двигателя.

¹ D. Ross. «SAE Journal», 1959, vol. 67, № 7, p. 40-42.

² R. H. Воden. «Aero Space Engineering», 1959, vol. 18, № 4.

Известны разнообразные источники электропитания, которые принципиально могут обеспечить работу ионного двигателя. Мы не сможем сколько-нибудь подробно рассказать о них в этой небольшой книге. Назовем лишь некоторые. Это, например, солнечные батареи на полупроводниках, непосредственное превращение ядерной энергии в электрический ток с помощью батарей излучения, непосредственное превращение термоядерной энергии в электрический ток на установках с пульсирующей плазмой, где, пересекая магнитные силовые линии, пульсирующая плазма возбуждает электрический ток. Разрабатываются также термоэлектрические источники электрического тока¹. Простейшее устройство такою типа — общеизвестная термопара — спай пары различных металлов, при нагревании которого (в реакторе или, например, в фокусе рефлектора, конденсирующего солнечные лучи) во внешнем проводнике термопары возникает электрический ток. Для получения электроэнергии в количестве, необходимом для работы тяговой камеры, сообщающей ионному потоку требуемую скорость и интенсивность, пожалуй, могут быть использованы силовые установки замкнутого типа — «атомные электростанции», в которых турбина вращает электрогенератор. Можно принять, что для создания тяги всего в 1 г понадобится источник с выходной мощностью 600-800 вт.

Рис. 12. Внешний вид ионолетов слева — ионолет с дисковым зонтичным радиатором, справа — ионолет с прямоугольными радиаторами 1 — реактор; 2 — радиатор; 3 — потоки частиц; 4 — космическая лаборатория; 5 — защитный экран (от излучения реактора); 6 — антенны

Таким образом, силовая установка ионолета состоит из двух самостоятельных установок. Одна из них обеспечивает получение электроэнергии, другая служит для подготовки и последующего разгона рабочего вещества, выбрасываемого из тяговой камеры для создания тяги.

Штулингер в развитие идеи Циолковского предложил в качестве рабочих веществ для ионных двигателей цезий и рубидий. Эти два металла выбраны потому, что их атомы обладают сравнительно большим весом и, вместе с тем, хорошо ионизируются. Цезий по сравнению с другими щелочными металлами имеет наиболее низкую температуру плавления (35°) и теплоту парообразования, наибольшие плотность (1,873 г/см ³) и выход ионов.

¹ W. W. Т. Crane. International astronautical federation meeting. London, august 30 -September 5, 1959.

Цезий или рубидий нагреваются до испарения и поступают в ионизационную камеру, где установлена раскаленная решетка (катализатор), выполненная, например, из пористого вольфрама. При прохождении через нее атомов паров цезия от них отрываются электроны, т. е. атомы ионизируются, приобретают положительный электрический заряд. При этом число ионизированных атомов достигает почти 100%. Затем ионы разгоняются с помощью ускорителей в тяговых камерах, где господствует естественный вакуум космического пространства, до скоростей порядка 80—200 км/сек. Поток ионов должен быть хорошо сфокусирован, чтобы они не попадали на ускоряющие электроды, так как это вызывает интенсивную эрозию — размывание электродов. Следует отметить, что, поскольку одноименно заряженные частицы взаимно отталкиваются, достигаемая плотность их потока существенно ограничивается.

Рис. 13. Схема силовой установки ионолета по одному из проектов 1 — бак с рабочим веществом; 2 — насос для подачи рабочего вещества (возможна также вытеснительная подача с помощью сжатого инертного газа); 3 — нагреватель; 4 — испаритель; 5 — подача пара рабочего вещества; 6 — нагреватель; 7 — пористая вольфрамовая решетка; 8, 9, 10 — фокусирующий ускоряющий и выходной нейтрализующий электроды; 11 — реактор; 12 — теплообменник; 13 — радиатор; 14 — насосы; 15 — натриево-ртутный конденсатор; 16 — парортутная турбина; 17 — электрогенератор

Скорость ионов зависит от напряженности поля, от природы и величины давления газа. Струя разогнанных ионов проходит вдоль разогретого электрода — имиттера, с которого в нее стекают электроны. В результате образуется поток стремительно отбрасываемых нейтральных атомов. Возникает вопрос, почему необходимо нейтрализовать ионы, покидающие ракету? К этому приходится прибегать ввиду следующего обстоятельства. При выбрасывании только одних положительно заряженных ионов накапливался бы пространственный заряд. Корпус аппарата очень быстро зарядился бы до такого высокого отрицательного потенциала, что дальнейшее выбрасывание ионов стало затруднительным и электрический заряд корпуса ракеты начал «всасывать» ионы обратно, внутрь ракеты. Чтобы избежать этого, ионы необходимо нейтрализовать. В конечном счете образуется поток атомов цезия, который беспрепятственно покинет ракету. Нейтрализация ионов обеспечивает также возможность получения большей плотности струи рабочего тела, вытекающей из сопла. Следует также отметить, что при нейтрализации иона, захватывающего электрон, высвобождается примерно в 100 раз большая энергия, чем та, которая может быть получена в ходе химических реакций — наиболее эффективных в энергетическом отношении. И хотя энергия рекомбинации ионов незначительна по сравнению с энергией, приобретаемой ими при разгоне в электрических полях, она все же может быть использована для некоторого дополнительного разогрева вытекающего рабочего тела.

Теоретически ионный двигатель может обеспечить очень большую удельную тягу. Однако на пути практического решения этой задачи возникают серьезные затруднения. Как уже отмечалось, удельная тяга прямо пропорциональна скорости ионов. В то же время мощность, необходимая для разгона струи ионов, и вместе с нею вес энергосиловой установки возрастают примерно пропорционально квадрату скорости ионов. Очевидно, что за увеличение удельной тяги потребуется расплачиваться существенным увеличением веса энергосиловой установки и ее усложнением.

Другой возможный путь увеличения удельной тяги — скорости частиц — заключается в использовании мощности ускорителей для разгона все меньшего количества частиц-ионов, т. е. за счет все большего уменьшения абсолютной тяги. Эта тенденция ясно видна в развитии мощных земных ускорителей, в которых общая сила тока, образованного пучком разогнанных частиц (каждой из них удается сообщить все большую энергию), как это ни парадоксально, уменьшилась в установках 1958 г., по сравнению с установками 1940 г., в миллион раз.

Рис. 14. Зависимость скорости истечения рабочего тела от величины ускоряющего напряжения и массы частиц (пунктиром очерчена область целесообразного применении ионных двигателей) 1 — водород (μ=1); 2 — натрий (μ = 23); 3 — свинец (μ = 207); 4 — цезий (μ = 133); 5 — ртуть (μ = 200); 6 — уран (μ = 238)

С приближением скорости ионов к скорости света все интенсивнее будет возрастать их масса, а значит и мощность ускорителей, необходимых для разгона. Это практически и ограничивает удельную тягу ионных двигателей.

Высказываются соображения, согласно которым удельные тяги, достижимые при приемлемых весах установок и привычных нам преобразователях тепла в электрическую энергию, могут составить до 20 тыс. кг/кг·сек.

Однако скорости истечения не всегда должны быть самыми большими. Для выполнения каждой задачи, в зависимости от схемы и назначения космического корабля, может быть найдена наиболее выгодная скорость истечения. На рис. 14 показана зависимость скоростей истечения от ускоряющих напряжений для ряда рабочих тел с постоянной массой (атомным весом). Специально выделена область оптимальных скоростей истечения и ускоряющих напряжений для двигателей орбитальных, лунных и межпланетных аппаратов¹.

¹ «Вопросы ракетной техники», 1960, № 10; «Aviation Week», 1959, № 17, p. 68.

Как видно из рисунка, цезий действительно очень выгодно применять для ионного двигателя. Применение рабочих тел с большой массой позволило бы уменьшить площадь тяговой камеры. Однако возможность их использования зависит от того, удастся ли разработать метод для ионизации частиц «тяжелых» рабочих тел.

Остановимся подробнее на одном из проектов, в котором предлагается небольшой автоматический космический аппарат — ионолет для облета планет Солнечной системы. Вес этого аппарата, стартующего с орбиты искусственного спутника, на которую он выводится стартовой ракетой, 1,5 т, из них 100 кг приходится на рабочее тело и почти 700 кг на полезный груз (включая приборы для управления на расстоянии). Вес неэкранированной атомной энергетической установки и электрической системы 520 кг, вес корпуса ионолета 70 кг.

Отсек с исследовательским оборудованием должен выдвигаться от энергетического источника на телескопических стержнях. Приборы, хотя бы с одной стороны, защищаются от излучений реактора. В качестве источника энергии двигателя предусматривается ядерный реактор мощностью около 1000 квт. Тепло от реактора отводится жидким натрием и передается в теплообменнике ртути. Образующиеся пары ртути вращают турбины электрогенератора и затем поступают в конденсатор, где отдают свое тепло натрию, предварительно прошедшему через огромные радиаторы, необходимые для отвода из системы излишнего тепла. Эти радиаторы-излучатели до выведения аппарата на орбиту спутника должны находиться в сложенном виде, подобно антеннам первого советского искусственного спутника Земли, и только при начале работы ионного двигателя под воздействием внутреннего давления должны развернуться. Одновременно с этим отсек с исследовательским оборудованием выдвигается вперед. Электрическая энергия используется для подогрева цезия до температуры 800° и накала вольфрамовых решеток, на которых он ионизируется. Затем в ускорителе поток ионов под действием электрического поля приобретает скорость до 200 км/сек и вытекает с присоединившимся к нему потоком электронов через сопло. Общая сила тяги двух двигателей составит лишь 0,15 кг (их удельный вес 4,7·10³), и аппарату удастся сообщить ускорение всего 0,01 % от ускорения силы тяжести на Земле.

Столь ничтожные величины тяги и ускорения могут показаться совершенно недостаточными для дальних космических кораблей, ведь даже современные ракеты обладают тягами во много десятков тонн. Но не нужно забывать, что на разгон земной ракеты отводятся десятки секунд, да и движется она в сильном поле тяготения Земли. Космический корабль будет испытывать значительно меньшее притяжение к небесным телам. Поэтому, даже при столь малой тяге, он постепенно наберет значительную скорость. Это обстоятельство принципиально важно для галактических кораблей, которые, не испытывая на подавляющей части траектории полета притяжения к небесным телам, смогут достигать, даже при малых постоянно действующих ускорениях, скоростей, в десятки тысяч раз превышающих скорости современных ракет.

Как показывают предварительные расчеты, космический корабль-ионолет для доставки на Марс груза в 150 т должен весить при старте около 730 т и иметь на борту около 370 т рабочего тела. Двигательная установка включает несколько тысяч ионизационных камер и размещается в центре тяжести корабля между реакторами и кабинами экипажа. При мощности электрогенератора атомной силовой установки 23 тыс. квт двигатель, в котором ионы разгоняются под действием электрического поля напряжением до 4900 в, смог бы развить тягу до 49,5 кг и сообщить аппарату ускорение порядка 0,0007 м/сек ².

Отвод тепла, необходимый для конденсации пара за турбиной, вращающей электрогенератор, предлагается осуществить с помощью огромного диска-излучателя диаметром 115 м, толщиной 6 см в центре и 1 см по краю. Чтобы солнечные лучи не нагревали этот радиатор, он должен всегда поворачиваться ребром к Солнцу.

После достижения наибольшей скорости аппарат должен замедлить свой полет на второй части пути при подлете к Марсу. Продолжительность путешествия в один конец (расстояние от Земли до Марса 78 млн. км) должна составить примерно 400 суток.

Недавно был опубликован оригинальный проект ионолета¹. Электроэнергию, необходимую для питания его двигателя и оборудования, предполагается получить от двухсот так называемых термоионных преобразователей -специальных устройств, размещенных на поверхности реактора и создающих при нагреве до 2500° электрический ток напряжением 100 в. Реактор мощностью 1000 квт должен содержать 200 кг карбида урана. Поскольку предполагается его буксировать в отдалении от двигателя и аппаратуры на тросе длиной 1800 м, это позволит уменьшить его общий вес (вместе с защитой от излучения) до 3,5 т. Предполагаемое ускорение всей системы, заброшенной в космос, около 0,001 g.

¹ A. L. Husneг. Rocketdyne Report, 1959.

Расчеты нескольких вариантов программ полета, позволяющие выяснить возможность использования ионных кораблей для полетов к звездам, приведены ниже в специальном разделе.

За последнее время опубликованы сообщения об испытаниях моделей ионных двигателей очень малых тяг², предназначенных для полетов в пределах Солнечной системы или для управления космическими кораблями. Одна из полноразмерных моделей такого двигателя демонстрировалась в конце 1958 г. Двигатель имел цилиндрическое сопло длиной примерно 60 см и диаметром около 23 см. В качестве рабочего тела могли использоваться четыреххлористый натрий, ртуть, торий, цезий или рубидий. Рабочее тело предварительно превращается в газ и затем поступает в камеру, где с помощью вольтовой дуги создается ионизирующая его высокая температура. После этого ионы разгоняются электростатическим полем до 130-180 км/сек. Тяга двигателя составляет до 0,114 г. Предполагается, что электроэнергию двигатель должен получать от установки с небольшим реактором. Сообщалось о постройке для лабораторных исследований двигателя с тягой 230 г и скоростью ионов 135 км/сек. Важно, что у таких ионных двигателей скорости истечения рабочего тела уже удалось довести примерно до 200 км/сек, т. е. до скорости, почти в 40 раз большей, чем та, которая может быть теоретически достигнута при использовании самого лучшего химического топлива.

¹ См, например, «Aeroplane», 1958, № 2461, р. 906; «Interavia», 1959, № 4220, р. 4.

Следует отметить, что полезная, эффективная площадь струи, отбрасываемой из ионного двигателя, т. е. сечение, которым создается тяга, меньше ее действительной общей площади, поскольку некоторые частицы уходят в сторону от струи.

Специалистами высказывались также соображения о том, что для получения тяги в 1 г/см ² необходимо разгоняющее напряжение в 40 тыс. в. В этом случае с каждого квадратного метра сечения струи можно будет обеспечить тягу порядка 10 кг, что на начальной стадии разработки таких двигателей представляет интерес, так как это позволит, например, при площади струи 1 м ² получить для аппарата весом 100 т ускорение около 0,0001 м/сек ².

В табл. 2 представлены примерные технические данные, которым, как показывают расчеты, должны отвечать ионные силовые установки, используемые для решения различных задач¹. Эта таблица помогает нам полнее представить себе ионные двигатели будущего.

¹ «American Astronautical Society Meeting Flight», 1960, № 2656, p. 168.

Насколько же близки к осуществлению проекты ионолетов? Современные ускорители разгоняют ионы до многих десятков тысяч километров в секунду, но интенсивность потока разгоняемых в них ионов пока что совершенно ничтожна — миллионные доли грамма в секунду. В то же время сами ускорители весят десятки и сотни тонн. Даже при тех небольших тягах, которые необходимы для ионолетов, требуется повысить мощность ускорителей в огромное число раз, резко снизив при этом их собственный вес, что пока является нерешенной инженерной задачей. Кроме того, все еще слишком много весят источники электрической энергии, необходимой для обеспечения работы тяговой камеры ионолета.

Таблица 2

Технические данные ионных силовых установок, используемых для различных целей *

Показатели	А	Б	В	Г	Д	Е	Ж
Стартовый вес, т Полезная нагрузка, т Масса рабочего тела т, Т Вес силовой установки G, Т Время работы силовой установки, год Мощность, квт Тяга Р, кг Конечная скорость vk, км/сек Скорость истечения v р. т, км/ сек Первоначальное ускорение а·10-4, м/сек 2 Напряжение, в Сила тока, а	5 4,9 0,006 0,04 0,03 5 0,027 0,46 38 0,054 1000 5	72,2 50 6,7 15,5 0,08 4650 16,9 6 60 2,29 2325 2000	136 100 17 19 0,17 5700 19,7 10,5 60 1,45 2420 2360	435 150 192 93 1,6 27900 46,8 72 120 1,06 9950 2800	5,5 1 2,8 1,5 1,5 450 0,75 90 120 1,38 10100 44,5	10,9 1 5,9 4 2,5 1200 1,36 140 180 1,22 22200 54	16 1 8,8 6,2 3 1900 1,9 160 200 1,16 28000 68
* А - выравнивание орбиты искусственного спутника Земли, Б - перевод искусственного спутника с орбиты на орбиту. Б - полет на Луну, Г - полет на Марс, Д - полет на Юпитер, Е - полет на Сатурн, Ж - летательный аппарат для достижения других планет Солнечной системы.

Таким образом, о реализации проектов ионолетов можно будет говорить лишь после того, как удастся создать легкие малогабаритные и вместе с тем весьма мощные ускорители ионов и компактные источники электроэнергии для таких летающих ускорителей.

Эти устройства должны легко управляться, не бояться повреждений метеоритами, быть приспособленными к работе в космическом пространстве. Наконец, возможное время — ресурс их работы — должно составлять несколько лет.