Рассвет эры ионных двигателей

Технический перевод статьи журнала ROOM, № 1(3) Март 2014

Марк Рейман (Marc Rayman), главный инженер и руководитель полётной программы Dawn, НАСА

Сейчас, в восьмую годовщину своей уникальной внеземной экспедиции, космический корабль Dawn («Рассвет») находится вдали от планеты, откуда начал свой путь.

В то время как Земля уже более семи раз завершила свои повторяющиеся циклы вокруг Солнца, маршрут её космического посланника был гораздо более разнообразным. Большую часть времени он провёл в космосе, формируя свою орбиту вокруг Солнца, намечая путь к последним неисследованным мирам в Солнечной системе.

Он проскочил часто посещаемый Марс, лишив красную планету малой толики её орбитальной энергии, чтобы сделать резкий бросок к более отдалённому главному поясу астероидов. В свою четвёртую годовщину он прибыл к гигантской протопланете Веста, второму самому массивному объекту в поясе астероидов.

Исследуя в течение 14 месяцев окружающую атмосферу, он открыл увлекательный, сложный чужой мир, более всего похожий на Землю и другие планеты земной группы, чем на типичные астероиды. Теперь он снова плывёт по небесным морям, а в марте прибудет к порогу своего нового и постоянного дома – карликовой планете Церера.

Ещё ни один космический аппарат не коснулся этого загадочного мира из камня и льда – первой карликовой планеты, обнаруженной 129 лет назад до открытия Плутона, и крупнейшего объекта, находящегося между Плутоном и Солнцем. Dawn найдёт там своё постоянное пристанище, чтобы провести детальное исследование, передать запись изображений и другие данные не только для учёных, но и для всех, кто когда-либо смотрел на ночное небо как на нечто удивительное.

Dawn является единственным космическим кораблём, вращающимся на орбите вокруг пояса астероидов. Это также единственный корабль, когда-либо ориентированный на вращение на двух орбитах в дальнем космосе. Такой уникальный космический полёт был бы совершенно невозможен без развитой системы ионных двигателей, которые предоставляют возможность космическому аппарату двигаться дальше, чем в состоянии обеспечить обычные химические двигатели.

В верхней части рисунка находится Север, Солнце ближе к левой стороне. Движение Цереры по орбите вокруг Солнца прямо. Изначально Dawn показан над Южным полюсом Цереры, по спирали это непосредственно в RC3. Затем изображение показывает, что он как будто бы пролетает над Северным полюсом, но это эффект плоского изображения. Верхняя часть зелёной траектории находится в той же плоскости, что изначальное изображение и RC3; более того, она находится на переднем плане, в передней части графика. По мере того как Dawn перемещается к правой стороне диаграммы, он также перемещается обратно в плоскости рисунка для согласования с целевой RC3. Круги (интервал в один день) указывают скорость КА: там, где они расположены ближе друг к другу, скорость КА замедляется. Авторство: NASA/JPL

Терпеливое ускорение

Ионный двигатель имеет свои истоки в физике твёрдых тел, но, несмотря на некоторые научные и инженерные изыскания, он упоминался в основном в вымышленных вселенных блокбастеров «Звёздный путь», «Звёздные войны» и в других причудливых историях. Полётная программа НАСА Deep Space 1 (DS1), во время которой прошли испытания ионных двигателей и других технологий высокого риска, способствовала переносу ионных двигателей из области научной фантастики в научную действительность.

Общий полезный результат программы DS1 – ионный двигатель – был использован для обеспечения целевого предназначения космического корабля Dawn – первого космического аппарата, когда-либо ориентированного на вращение по двум орбитам в дальнем космосе после ухода с Земли. Без ионного двигателя эта миссия вряд ли была бы выполнима.

В качестве ракетного топлива используется инертный газ ксенон, который похож на гелий и неон, но тяжелее. Внутри ионного двигателя пучок электронов, что несколько лет назад использовался для подсветки экранов наших телевизоров, бомбардирует атомы ксенона.

Когда этот пучок выбивает электрон из атома, в результате получаем электрически разбалансированный атом: 54 положительных заряда и 53 отрицательных заряда. Теперь с результирующим электрическим зарядом в 1 единицу такой атом известен как ион.

Ион ксенона, будучи электрически заряжен, находится под воздействием электрического поля, что элементарно является напряжением. Таким образом, для ускорения ионов ксенона в двигателе используется напряжение более 1000 вольт, чтобы разогнать их до скорости не менее 40 километров  в секунду (89000 миль в час).

Каждый ион, очень маленький, на выходе отталкивается назад на двигатель, и эта сила противодействия приводит в движение космический корабль. Ионы выстреливаются из двигателя со скоростью примерно в 10 раз больше скорости выброса топлива ракетами обычных космических аппаратов – в этом причина чрезвычайной эффективности ионных двигателей.

При прочих равных условиях, с одинаковым количеством топлива космический корабль, оснащённый ионным двигателем, может развить скорость, в 10 раз превышающую скорость корабля с обычной тягой, или же, чтобы выполнить одну и ту же задачу космическому аппарату с ионным двигателем понадобится гораздо меньшее количество топлива, чем космическому кораблю на стандартной тяге.

Скорость, с которой ксенон протекает сквозь двигатель, весьма мала. При самом высоком уровне тяги система использует только около 3,25 мг/в секунду. Так, в течение 24 часов непрерывной подачи расходуется всего 10 унций ксенона. Соответствующее тяговое усилие очень слабое благодаря столь экономному расходу ксенона. Конечно, главный двигатель некоторых межпланетных кораблей может обеспечить примерно в 10 000 раз большую тягу, но такие системы очень прожорливы и их конечная скорость более ограничена.

Сила ионного ракетного двигателя малой тяги на КА сопоставима с массой одного листа бумаги. Вот вам простой эксперимент с ионным приводом, который вы спокойно можете провести у себя дома: подержите листок бумаги в руке, и вы почувствуете ту же силу, что развивает ионный двигатель.

Поскольку эффективность расхода топлива высока, двигатель может поддерживать свой ход не в течение нескольких минут, как большинство двигателей, а в течение нескольких месяцев или даже лет. Во время космического полёта в условиях невесомости и отсутствия трения можно постепенно наращивать действие такой тяги для достижения очень высокой скорости космического аппарата. Ускорение ионных двигателей происходит очень медленно.

На протяжении всей своей миссии Dawn находился дальше от Солнца, чем Земля, но, когда он оказался на расстоянии, по крайней мере, в два раза большем, чем расстояние Земли от Солнца, его огромные солнечные батареи вырабатывали достаточно энергии для работы системы ионного привода при максимальной подаче газа.

В этих условиях ускорение было эквивалентно примерно 7 м/с/день, или чуть больше, чем 15 миль/ час/ день, то есть один полный день тяги меняет скорость космического корабля по 7 м/с (15 км/час). Это означает, что Dawn потребуется 4 дня, чтобы развить ускорение от 0 до 60 миль/час. Возможно, это и не соответствует нашим понятиям о форсированном двигателе, но его бережливое потребление ксенона обеспечит тяговое усилие гораздо дольше, чем на 4 дня.

Чтобы представить это в перспективе, рассмотрим сильно упрощённый вариант на примере замечательных зондов НАСА, которые сейчас находятся на орбите вокруг Марса. По их прибытии на планету двигатели космических кораблей сгорали, и останки остались на орбите.

Каждый полёт отличается от другого. Например, манёвр может занять около 1000 м/с (2200 км/час) и при этом израсходовать около 300 кг (660 фунтов) ракетного топлива. Для подобного изменения скорости для Dawn с его ионным двигателем достаточно менее чем 30 килограммов (65 фунтов) ксенона.

Обычная марсианская миссия завершает свой манёвр менее чем за 25 минут, в то время как Dawn, возможно, потребуется более, чем 3 месяца. Если иметь достаточно терпения, использование ионных двигателей может стать весьма эффективным.

Нет необходимости использовать ионные двигатели во многих космических полётах из-за их значительной сложности и стоимости, и совершенно очевидно, что мы можем попасть на орбиту вокруг Марса и без них. Но, поскольку человечество расположено осуществлять более амбициозные полёты в глубоком космосе, огромный потенциал ионных двигателей будет важным решающим фактором.

Изображение низкорасположенной орбиты Dawn, на котором заметно естественное смещение (по отношению к Солнцу) в течение трёх месяцев LAMO (низкорасположенная орбита). Авторство: NASA/JPL

Полный газ

К концу своего полёта, отработав на максимальном уровне газа до более низких уровней, теперь, когда Dawn находится гораздо дальше от Солнца, космический корабль будет аккумулировать до 5,5 лет времени суммарной тяги, поддерживая эффективное изменение скорости почти 11 км/сек, или более чем 24 000 миль в час. Это примерно соответствует всем 9 связкам РДТТ ракеты Delta (первая ступень, вторая ступень и третья ступень), и это более чем какой-либо одноступенчатый летательный аппарат может реализовать.

Между запуском и седьмой годовщиной счётчики зафиксировали семь оборотов вокруг Солнца, что составило 44,0 а. е. (4,1 млрд км, или 6,6 млрд км). Удаляясь от Солнца, и, следовательно, двигаясь в неспешном темпе, Dawn покрыл расстояние 31,4 а. е. (2,9 млрд км, или 4,7 млрд км).

По мере увеличения расстояния от Солнца для выхода на орбиту Весты его скорость продолжала снижаться, чтобы соответствовать скорости Весты. Ещё больше ход замедлился, чтобы встретиться с Церерой. С момента запуска Dawn, Веста прошла только 28,5 а. е. (2,6 млрд км, или 4,3 млрд км), более спокойная Церера прошла 26,8 а. е. (2,5 млрд км, или 4,0 миллиарда километров).

Три года назад путь космического корабля вокруг Солнца составлял ровно столько же, сколько проходила Веста. Успех столь длительного полёта, который начался на той же солнечной орбите, что и Земля, состоял в том, чтобы получить точное соответствие, чтобы Dawn удалось проскользнуть на орбиту Весты.

Далеко не так просто находиться на ней: для достижения такого соответствия орбит решающую роль сыграли исключительные возможности системы ионных двигателей. Без этой технологии программа НАСА Discovery не смогла бы позволить себе предпринять полёт для проведения столь детальных исследований. Однако сейчас Dawn пошёл ещё дальше. Раскрыв так много тайн Весты, отважный авантюрист оставил протопланету позади. Ещё ни один космический корабль не смог сойти с орбиты одного удалённого объекта Солнечной системы, чтобы попутешествовать и выйти на орбиту ещё одного внеземного объекта.

Вполне реальный межпланетный космический корабль Dawn снова расширяет, перекраивает и наклоняет свою орбиту так, чтобы в марте она стала идентичной орбите Цереры.

Траектории, используемые ионными двигателями, гораздо сложнее, здесь необходимо соблюдать все основополагающие принципы. Действительно, скорость Dawn по направлению к Церере снижается с декабря 2013 года. В дополнение к существующей ионной тяге, которая плавно направляет корабль в его новый порт, сила тяготения самой Цереры поможет подтянуть Dawn к себе.

Первый снимок Цереры, сделанный Dawn, лишь ненамного больше, чем этот вид Весты, полученный 3 мая 2011 во время сближения с Вестой. На вставке, извлечённой из основного изображения, просматривается неровная поверхность Весты. Переэкспонированное изображение Весты можно увидеть на фоне звёзд. Авторство: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

13 января 2015 года космический аппарат Dawn в течение часа вёл наблюдение за Церерой с расстояния 238,000 миль (383,000 километров). Авторство: NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA

Эта мозаика являет собой подборку нескольких удачных видов, что Dawn сделал на Весте. Он исследовал Весту с июля 2011 года по сентябрь 2012 года. В нижней части изображения видна возвышающаяся гора на южном полюсе, которая более чем в два раза выше Эвереста. В левом верхнем углу можно увидеть серию из трёх кратеров, известных как «снеговик». Авторство: NASA/JPL-Caltech/UCAL/MPS/DLR/IDA

Забастовка в космосе

11 сентября во время рутинной работы ионного двигателя космического корабля высокоэнергичная частица космического излучения поразила электрический компонент на борту. Это вызвало цепочку событий, которые приостановили работу двигателя и потребовали от команды управления полётом на далёкой Земле принять необходимые меры, чтобы возобновить нормальную работу. Их незамедлительная реакция и компетентные ответные действия были настолько успешными, что 15 сентября робот вернулся в строй.

К тому времени Dawn снова достиг вершины своего сине-зелёного столбика ионов ксенона, которых ему так не хватало в течение почти 95 часов работы. Это удивительное и интересное явление имело место при приближении к Церере, и послужило иллюстрацией творчества орбитальных дизайнеров и высокоэффективной производительности ионных двигателей.

На протяжении прошлого года полётная команда провела дополнительные усовершенствования в плане тяги, и постепенно дата прибытия на Цереру сместилась на несколько недель вперёд, чем ожидалось год назад. Сегодня Dawn находится в пути, чтобы мягко опуститься в гравитационные объятия Цереры 6 марта.

Главный эффект недостатка тяги заключается в том, чтобы увеличить первоначальную орбиту, следовательно, кораблю потребуется больше времени, чтобы мягко адаптироваться к круговой полярной орбите на высоте 13 500 км (8 400 миль). Он достигнет нужной высоты приблизительно 23 апреля, что, как оказалось, менее чем на неделю отличается от графика прошлого года.

При заходе на посадку космический аппарат прерывает работу двигателя, чтобы сделать снимки Цереры на фоне звёзд, главным образом для того, чтобы помочь в навигации судна на неизведанных берегах впереди. Первые фотографии «оптической навигации» были сделаны 13 января. Бортовая камера, предназначенная для отображения Весты и Цереры с орбиты, показала нечёткий шар 27 пикселей в поперечнике.

Хотя фотографии не отобразили детали столь чётко, как те, что были сделаны космическим телескопом Хаббла, интригует другая перспектива. Фотографии из второй сессии в конце января были немного лучше, чем Хаббла, а третий вариант, сделанный 4 февраля, уже в два раза лучше того, что мы имеем на сегодняшний день. А ко времени второго «циклического обследования» 20 февраля изображения были в семь раз лучше, чем Хаббла.

В то время как основная цель фотографий сближения заключалась в том, чтобы помочь Dawn выйти на предназначенную орбиту, изображения (в видимом и инфракрасном спектрах, собранные одновременно) служат другим целям. Они передают некоторые изначальные характеристики чужого мира, поэтому инженеры и учёные могут оптимизировать параметры датчиков, которые будут использоваться для многих последующих наблюдений.

Они также используются для поиска спутников. А фотографии, конечно, волнуют каждого: таинственный нечёткий блик, наблюдаемый издалека в течение более двух столетий, однажды названный планетой, затем астероидом, а теперь карликовой планетой, наконец, подпадает под наше более пристальное внимание. Прекрасные и захватывающие картинки, они влекут нас своими обещаниями ещё больших открытий впереди.

***

Журнал Марка с информационными материалами по Dawn можно найти по ссылке

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
Dawn of ion propulsion
 журнал ROOM №1 (3) март 2014