Один из экзотических вариантов двигателей для космических кораблей является ионный ракетный двигатель. Главное принципиальное отличие ионных ракетных двигателей от обычных заключается в том, что это – двигатели электрические. Если из обычных ракетных двигателей газы вытекают наружу, потому что внутри них создается давление больше, чем в окружающей атмосфере, то в ионных двигателях такого повышенного давления нет.
Хорошо известно из курса физики, что одинаково заряженные электрические частицы отталкиваются друг от друга, а противоположно заряженные притягиваются. Это – так называемые электростатические, или кулоновы силы. Они играют большую роль в технике. В частности, например, на использовании этих сил основаны некоторые виды «ядерной артиллерии», с помощью которой ученые бомбардируют атомные ядра и действующие внутри ядра силы. Электрические силы воздействуют в этом случае на частицы, имеющие электрический заряд, например, отрицательно заряженные электроны или положительно заряженные протоны (ядра атомов водорода) или альфа-частицы (ядра атомов гелия). В результате такого воздействия частицы разгоняются до огромных скоростей, иногда близких к максимально возможной в природе – скорости света в вакууме. Таким образом, эти частицы и превращаются в удобные «снаряды» для атомной бомбардировки.
Мысль использовать электрические силы для реактивных двигателей потому собственно и пришла в голову ученым в конце 50-х, начале 60-х гг. прошлого века, что с их помощью легко достигнуть больших скоростей истечения, совершенно не достижимых в обычных двигателях внутреннего сгорания.
Вопрос в том, как использовать электрические силы для ускорения молекул газов, вытекающих из двигателей через сопло т.к. эти молекулы имеют заряда и являются нейтральными, а на такие частицы электрические силы практически не действуют.
Для их «активации» необходимо придать частицам электрический заряд, т.е. провести ионизацию, собственно поэтому заряженные молекулы и называются ионами и по этой же причине один из верхних слоев атмосферы называется ионосферой.
Чтобы ионизировать молекулу, достаточно, например, оторвать от нее один из электродов с ее электронной оболочки. Тогда молекула окажется заряженной положительно. Особенно просто это сделать в том случае, если один из электронов на электронной оболочке слабо связан с ядром, как это бывает обычно в молекулах металлов. Можно дважды, трижды и т.д. ионизировать молекулу, лишая ее электронную оболочку двух, трех и т.д. электронов.
Поэтому, обязательным элементом ионного двигателя является так называемая ионизационная камера, в которой из нейтральных молекул рождаются ионы. Для этого, достаточно, например, пропускать молекулы через раскаленную металлическую сетку; слабо связанные с ядром электроны не выдерживают увеличивающихся из-за нагрева колебаний и отрываются от молекул.
Остальное уже просто: раз есть ионы, то их нетрудно разогнать до больших скоростей с помощью электростатических сил. Можно воспользоваться, в частности, каким-нибудь ускорителем, вроде применяющихся в лабораториях ядерной физики, хотя здесь потребуются несравненно меньшие скорости. А можно просто пропустить ионы через конденсатор, пластины которого несут противоположный заряд. Если сделать такие пластины в виде сеток или установить их под углом друг к другу, то конденсатор будет испускать поток заряженных частиц большой скорости. Чтобы сам двигатель при этом не заряжался электричеством противоположного знака, оторванные от молекул электроны нужно тоже выбрасывать наружу с помощью такого же устройства.
Теория и опыт показывают, что в ионном двигателе нетрудно достигнуть скоростей истечения в 100 и более километров в секунду. Это в десятки и сотни раз больше, чем в обычных «химических» реактивных двигателях. Соответственно, у такого двигателя больше и тяга, развиваемая каждым килограммом вытекающих частиц (ими могут быть, например, ионы металлов цезия или рубидия).
Не смотря на всю кажущуюся красоту и простоту, прежде всего возникает вопрос об источнике электрического тока, необходимого для такого двигателя. Не устанавливать же на космическом корабле огромную электростанцию? Как вариант, можно использовать атомный двигатель, в особенности с непосредственным преобразованием ядерной энергии в электрическую, то такого двигателя тоже еще нет и в ближайшее время не предвидится (будем реалистами). Более того, как показывают некоторые расчеты, такой ионный двигатель способен развивать лишь сравнительно небольшую тягу, т.к. количество вытекающих из него частиц при практически осуществимой мощности может быть относительно малым.
Тем не менее, для космических кораблей, совершающих полеты в космическом пространстве он может оказаться очень выгодным, хотя не исключено его применение в комбинации с другими двигателями и в сверхвысотной авиации, а что там будет, покажет время. Разговоров об ионном двигателе уже более полувека, а воз и ныне там.
Ставьте лайк и подписывайтесь на канал «Прогулки в стратосфере».
