Первое в мире испытание работающего на воздухе электрореактивного двигателя

Первыми в мире команда Европейского космического агентства (ЕКА) построила и испытала электрореактивный двигатель, использующий в качестве рабочего тела молекулярный воздух из верхней части атмосферы. Благодаря ему спутники смогут осуществлять многолетние миссии на очень низких орбитах.

Гравитационный картограф GOCE (Исследователь гравитационного поля и устойчивых циркуляций океана) летал на низкой орбите (250 км) более 5 лет благодаря электрореактивному двигателю, который в непрерывном режиме компенсировал сопротивление воздуха. Срок его службы ограничивали 40 кг бортового ксенона, который он использовал в качестве рабочего тела. Как только газ закончился, миссия прекратилась.

Замена бортового рабочего тела молекулами атмосферы создаст новый класс спутников, способных работать на очень низких орбитах в течение длительного времени.

Работающие на воздухе электрореактивные двигатели могут также использоваться во внешних слоях атмосфер других планет, например, как у Марса, на основе углекислого газа.

«Этот проект начался с инновационной конструкции, которая зачерпывает молекулярный воздух из верхней части атмосферы Земли на высоте около 200 км и скорости 7,8 км/с, а затем использует эти молекулы в качестве рабочего тела», – объясняет сотрудник ESA Луи Уолпот.

Для испытаний данной концепции в Италии компанией Sitael был произведён полноценный двигатель. Его испытания были выполнены в одном из комплексов компании – в вакуумной камере, имитирующей условия на высоте 200 км.

Генератор частиц создавал поток высокоэнергичных молекул, которые поступали в работающий на воздухе электрореактивный заборник-двигатель оригинальной конструкции.

Здесь нет никаких клапанов или сложных деталей – всё основано на простых процессах и отсутствии движущихся частей. Всё, что требуется – это мощные катушки-ускорители и электроды, которые и будут в итоге компенсировать потери на трение об атмосферу. Задача состояла в том, чтобы разработать новый тип сборника молекул воздуха. Вместо того, чтобы просто отскакивать, они должны собираться и сжиматься.

Молекулы, собранные заборным устройством, разработанным польской компанией QuinteScience, получают электрический заряд, который заставляет их ускоряться и испускаться, создавая реактивную силу.

Sitael разработала двухступенчатый двигатель для обеспечения более интенсивной зарядки и ускорения частиц поступающего воздуха, чего в электрических двигателях традиционной конструкции достичь намного труднее.

«Команда провела расчёты поведения частиц, смоделировала несколько различных вариантов их забора», – добавляет Луи, – «далее, чтобы понять, будут ли работать заборник и двигатель вместе или нет, то же самое делается и в ходе натурных испытаний».

«Вместо того, чтобы просто измерять полученную плотность в коллекторе, для проверки конструкции заборника мы решили добавить электрореактивный двигатель. Таким образом, мы доказали, что действительно можем собирать и сжимать молекулярный воздух до уровня, на котором происходит устойчивая работа двигателя. Кроме того, мы измеряли фактическую тягу.

«Сначала мы проверили, может ли наш двигатель многократно работать на ксеноне, собранном из генератора частиц».

В качестве следующего шага, объясняет Луи, ксенон был частично заменен азотно-кислородной воздушной смесью. «Когда синий цвет пламени двигателя на основе ксенона изменился на фиолетовый, мы поняли, что у нас это получилось.»

Вскоре данный двигатель неоднократно работал на атмосферном рабочем теле, что доказало осуществимость всей концепции.

«Этот результат означает, что работающий на воздухе электрореактивный двигатель больше не просто теория, а реальный, испытанный образец, готовый к производству. Однажды он может стать основой принципиально новых космических программ.»

Этот проект был профинансирован в рамках Программы технологических исследований ЕКА по разработке перспективных новых идей для космоса при помощи Программы наблюдения за Землёй ЕКА.

Оригинал: http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Engineering_Technology/World-first_firing_of_air-breathing_electric_thruster

В России похожие разработки прямоточных воздушных электроракетных двигателей ведутся в сотрудничестве Московского авиационного института и ЦАГИ. Но пока проект не дошел до стендовых испытаний.

Подробнее: https://mai.ru/press/news/detail.php?ID=86841

В СССР проводились испытания электроракетных двигателей на азоте и воздухе в суборбитальных пусках геофизической ракеты “Янтарь”, однако рабочее тело использовалось из бака, а не атмосферы.

Подробнее: https://cyberleninka.ru/article/v/nauchnye-rezultaty-poleta-avtomaticheskoy-ionosfernoy-laboratorii-yantar-4

Перевод Анастасия Сваровская и Елисей Маслов

Источник: www.esa.int