Обычные ракеты в сравнении с ионными
Основная идея всех двигательных систем, которые применяются в космосе, одна и та же: требуется создать достаточную реактивную тягу, чтобы толкать вперед космический аппарат. Простейшая ракета – это закрытый сосуд, внутри которого рабочее тело – обычно газ или жидкость – содержится под большим давлением, и, если рабочее тело выталкивается давлением в направлении хвоста ракеты, это создает силу тяги, которая толкает ракету в противоположную сторону. Представьте себе наполненный воздухом резиновый шарик: когда вы разжимаете пальцы вокруг его горловины, воздух (то есть газ) выбрасывается наружу, и шарик начинает метаться по комнате.
Ракета Saturn V с космическим кораблем Apollo 11, стартующая 16 июля 1969 года в Космическом центре имени Кеннеди. На борту корабля – астронавты, которым предстояло стать первыми людьми, совершившими посадку на Луну. Источник: NASA
Автоматическая межпланетная станция Dawn (ее имя означает «Рассвет») была запущена на рассвете, в 7 часов 34 минуты утра по времени восточного побережья США, с базы ВВС США «Мыс Канаверал» 27 сентября 2007 года. Ей предстояло показать землянам рассвет Солнечной системы – сведения о тех давних временах мы смогли получить, изучив Весту и Цереру. Источник: Космический центр имени Кеннеди / NASA
Когда говорят о ракетах, как правило, людям в голову приходит представление об обычной химической ракете, наподобие тех больших и мощных ракет, при помощи которых стартовали к Луне астронавты Apollo или космические «челноки», выходящие на орбиту. Эти ракеты получают тягу в результате химической реакции, нагревающей рабочее тело, которое затем по специальному каналу на большой скорости выводится за пределы ракеты, формируя мощное пламя. В результате развивается гигантская сила тяги – на короткое время, достаточное, чтобы оторвать ракету от Земли и вывести ее в космос.
Ионный двигатель действует иным образом: его тяга маленькая, но действует она на протяжении гораздо более длительного времени. И как раз время и есть здесь самое главное.
Ионные двигатели работают при посредстве газа, обычно это ксенон – неядовитый благородный газ, который встречается в природе. Этот газ ионизируется: через него «шарахают» мощным электрическим разрядом, и из-за этого частицы отталкиваются друг от друга. Ионизированный газ ускоряется в электрическом поле в задней части двигателя – таким образом создается тяга.
Тогда как обычные ракеты работают несколько минут до момента, когда они израсходуют все топливо, после чего продолжают лететь к пункту своего назначения по инерции, ионные двигатели функционируют почти постоянно, используя небольшое количество топлива.
– Ионные двигательные установки гораздо более эффективны, чем обычные химические ракеты, потому что они могут превращать электрическую энергию, которую получают при помощи панелей солнечных батарей, в силу тяги, – объясняет Рейман. – Химические двигательные установки располагают только той энергией, которая запасена в компонентах топлива.
На борту Dawn имеется 425 кг рабочего тела – ксенона, – и за секунду он выбрасывает лишь около 3,25 мг (около 280 г за сутки) в режиме работы с максимальной тягой. Для сравнения: ракетные двигатели, которые используются для вывода шаттла на орбиту, пожирают 1,1 млн кг топлива всего лишь за 100 секунд работы
[39].
Есть у ионных двигателей один недостаток: они слишком слабы, чтобы за короткий промежуток времени поднять космический аппарат над поверхностью Земли. Для того чтобы этого достичь, требуется резкое, мощное ускорение, которое обеспечивают химические ракеты, способные преодолевать силу тяготения нашей планеты.
Рейман описывает работу ионных двигателей словами «ускорение с долей терпения». Они не действуют молниеносно: Dawn требуется около четырех суток, чтобы увеличить свою скорость от нуля до приблизительно сотни километров в час.
Да-да, вы все прочитали и поняли правильно.
Рейман поднимает на ладони листок бумаги.
– Ионный двигатель давит на аппарат с той же силой, как этот единственный лист бумаги давит на мою ладонь, – говорит он.
Каким бы ничтожным и неважным это давление ни казалось, объясняет Марк, в сумме за все время полета станции общее приращение скорости, полученное ею от ионных двигателей, сравнимо с той величиной импульса, которую большая ракета Delta II придала ей же, чтобы унести Dawn прочь с поверхности Земли в глубины космоса за пределы околоземной орбиты. Так происходит потому, что ионные двигатели работают тысячи дней, а ракета типа Delta действует лишь недолгий промежуток времени порядка минут.
А в космическом пространстве ионный двигатель работает замечательно.
– В условиях нулевой силы тяжести и отсутствия трения в космическом полете аппарат под действием тяги постепенно набирает скорость, – говорит Рейман. – Полное приращение скорости Dawn с момента его отделения от ракеты составило 39 600 км/ч. Можете это сравнить с величиной в 28 160 км/ч – такую скорость требуется набрать, чтобы попасть с поверхности Земли на низкую околоземную орбиту.
Рабочие фиксируют созданную NASA межпланетную станцию Dawn на космическом разгонном блоке перед ее запуском в 2007 году. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения
Ионные двигатели суперэффективны в отношении расхода топлива, когда речь идет о маневрах в полете.
– Типичному аппарату, предназначенному для работы у Марса, может потребоваться около 270 кг топлива для того, чтобы выйти на орбиту Красной планеты, – заявляет Рейман. – Со своей ионной двигательной установкой Dawn мог бы проделать тот же маневр, израсходовав на это меньше 27 кг ксенона.
Если бы потребовалось сконструировать традиционный ракетный аппарат, способный на то, для чего предназначена станция Dawn, то есть посещать различные планетные тела, то его пришлось бы снабдить таким количеством топлива, что он стал бы чрезмерно тяжел для запуска с Земли.
На Dawn стоят три 30-сантиметровых ионных двигателя. Однако лишь один агрегат из трех работает в каждый момент времени. За все планируемое время полета общее время работы двигателей составит 2020 дней – то есть почти шесть земных лет. Единственные регулярные перерывы, которые делаются в их работе, – по несколько часов в течение каждой недели – нужны затем, чтобы станция развернулась антенной к Земле и выполнила отправку и получение данных.
