Высокоэкономичный ионный двигатель позволил Dawn набрать скорость после того, как отключились обычные ракетные ускорители. В тот момент аппарат удалялся от Земли со скоростью 11,46 км/с, но ионные двигатели позволили увеличить эту скорость еще на 4,3 км/с.

Это может показаться небольшой величиной на фоне хотя бы первой космической скорости, с которой запускаются искусственные спутники Земли, но для межпланетного аппарата без каких-либо внешних ускорителей, не совершающего специальные маневры в гравитационном поле планет, такой результат и в самом деле примечателен.

 
Dawn предназначен для исследования Весты и Цереры, двух астероидов, которые вполне могли стать планетами, если бы им не помешало соседство Юпитера.

В сообщении NASA подчеркивается, что ионные двигатели крайне экономичны. За 620 суток работы они потратили всего 165 кг ксенонового «топлива»— для ракет такая эффективность является недостижимой в принципе.

 

Голубое пламя

Почему «топливо» написано в кавычках и каковы перспективы ионных двигателей? Дело в том, что топливо обычно предполагает сгорание, окисление с выделением энергии. В двигателях внутреннего сгорания и паровых машинах было достаточно поджечь бензин, солярку или уголь, в ракетных двигателях вдобавок к топливу приходится брать с собой окислитель (жидкий кислород, например), а в ионных двигателях никакого горения нет в принципе.

 

Ксенон, которым заправлены баки Dawn и других подобных аппаратов, относится к инертным газам. Его невозможно поджечь в принципе, и даже с фтором он реагирует лишь при дополнительном ультрафиолетовом облучении. Применение ксенона в газоразрядных лампах (в том числе в тех самых ксеноновых фарах, против самопальной установки которых выступает автоинспекция) основано именно на инертности газа и его большой молекулярной массе— свойствах, которые оказались востребованы и в космосе.

 

Атомы и молекулы

 

Большинство молекул газов состоят из нескольких атомов: в молекуле кислорода два атома, в молекуле углекислого газа— три, в молекуле метана— пять. Исключение составляют газы инертные, их молекулы состоят из одного атома, и потому далее в тексте термины «атом» и «молекула» будут заменять друг друга.

 

Ведь если молекулы газа, с одной стороны, ни с чем не реагируют химически, а с другой стороны,— имеют достаточно большую массу— из них получается идеальная среда для реактивного ускорителя. Атомы ксенона можно разогнать до большой скорости электрическим полем и выбросить за борт, придав кораблю дополнительный импульс.

 
Для медиков

 

Ксенон интересен не только автомобилистам, но и медикам. Это газ, в частности, применяют иногда при наркозе, а еще с его помощью недавно смогли предотвратить развитие тяжелого поражения мозга у новорожденного ребенка.

 

Принцип реактивного движения, на котором основаны как реактивные, так и ракетные двигатели, используется и в ионных ускорителях. Отличие только в том, что поток ионов ксенона движется с куда большей скоростью, чем вытекающие из сопла ракеты раскаленные газы, а это позволяет обойтись меньшим количеством реактивной массы для достижения той же тяги.

 

Для ионизации ксенона и ускорения ионов используется электрическое поле. Электричество, в свою очередь, поставляют солнечные батареи— и, пока Солнце светит, двигатель исправен, а ксенон не закончился, аппарат медленно набирает скорость.

 

Медленно, но верно

С точки зрения автомобилистов, Dawn демонстрирует отвратительную динамику. Разгон до 100 км/час за четверо суток— это из рук вон плохой показатель, особенно с учетом потраченного на этот маневр килограмма не самого дешевого ксенона. Но через 12 дней непрерывной работы ионных двигателей соревноваться с зондом смогут только способные разогнаться до 300 км/час спорткары, а через 40 дней космический аппарат будет двигаться быстрее пассажирских авиалайнеров.

 
Через год— а ресурс двигателей позволяет работать довольно долго, движущихся частей в них нет по определению— Dawn набирает скорость в 8850 км/час и продолжает разгоняться. В условиях длительных, по несколько лет, перелетов между планетами Солнечной системы это то, что надо: экономичный, надежный, легкий и сравнительно простой двигатель.

 

Еще один пример

 

Еще один пример аппаратов с ионными двигателями— спутник GOCE. О том, зачем двигатели спутнику, который составляет карту гравитационного поля Земли, читайте в отдельном материале.

 

Для марсианского корабля

В условиях земной атмосферы, конечно, ионный двигатель не годится. Во-первых, для работы ему нужно находится в вакууме, во-вторых, небольшая тяга не позволит оторваться от поверхности даже самому двигателю. Для выхода за пределы атмосферы нужны ракеты, которые приносят экономичность в жертву мощности: неважно, что КПД меньше, чем у паровоза, важно, что иначе пока вообще никак нельзя выбраться в космос.

 

Но вот уже находясь в космосе, использовать ракетный двигатель может быть далеко не лучшей идеей. И корабль, который полетит на Марс, вероятно, будет использовать именно ионные двигатели, которым потребуется лишь запас ксенона (а его надо куда меньше, чем ракетного топлива и окислителя) и источник электроэнергии.

 

В качестве источника энергии можно будет использовать в том числе и ядерную энергетическую установку, которую уже сейчас разрабатывают именно для космических нужд совместным усилиями Росатома и Роскосмоса.

 

Для МКС

Применение ядерного реактора для питания ионных ускорителей— тема пока что довольно отдаленного будущего. А вот ионный двигатель для коррекции орбиты МКС уже разрабатывается. Американская компания Ad Astra в конце декабря 2008 подписало соглашение с NASA, согласно которому экспериментальная установка будет доставлена на орбитальную станцию в 2011–2012 годах.

 
Ионный ускоритель VASIMR позволит снизить (если все пойдет по плану) затраты на корректировку орбиты станции в 20 раз, при том что сейчас на эти цели тратится $210 млн ежегодно. Двигатель, который время от времени будут включать на 15 минут, отличается от установленного на Dawn и других аппаратах не только конструкцией, но и топливом, точнее реактивной массой— вместо ксенона используется водород, который выделяется на МКС в качестве побочного продукта системы жизнеобеспечения.