Ионные двигатели

Помимо лазерной тяги и солнечных парусов, имеется множество других потенциальных способов приводить в движение звездные корабли. Чтобы иметь возможность сравнивать эти способы, введена концепция «удельного импульса», который равен тяге ракеты, умноженной на время работы ее двигателей. (Удельный импульс измеряется в секундах.) Чем дольше работают двигатели ракеты, тем больше ее удельный импульс, исходя из которого можно вычислить конечную скорость ракеты.

Вот простая табличка, в которой указаны удельные импульсы нескольких типов ракет. Я не включил сюда некоторые варианты, такие как лазерная ракета, солнечный парус и ракета с прямоточным термоядерным двигателем; формально они имеют бесконечный удельный импульс, поскольку их двигатели могут работать неограниченно долгое время.

Обратите внимание: химические ракеты, двигатели которых работают всего по несколько минут, имеют самое низкое значение удельного импульса. За ними в списке располагаются ионные двигатели, которые могут быть эффективны в полетах к близлежащим планетам. Ионные двигатели работают на газе, к примеру на ксеноне, «сдирая» электроны с его атомов и превращая последние в ионы (заряженные фрагменты атомов), а затем ускоряют эти ионы при помощи электрического поля. Внутренности ионного двигателя в принципе напоминают внутренности телевизора, где электрическое и магнитное поля направляют в нужное место пучок электронов.

Тяга ионных двигателей мучительно мала — зачастую она измеряется в десятках граммов, и, когда вы включаете такой двигатель в лаборатории, ничего на первый взгляд не происходит. Но в космосе такой аппарат со временем может набрать скорость, превосходящую максимальную скорость химических ракет. Ионные двигатели сравнивают с черепахой, которая бежит наперегонки с зайцем, в роли которого в данном случае выступают химические ракеты. Конечно, заяц может развить огромную скорость, но ненадолго, всего на несколько минут, на большее ему не хватает выносливости. Черепаха, с другой стороны, движется медленнее, но может ползти сутками и потому соревнование на длинную дистанцию выиграет. Ионные двигатели могут работать по несколько лет подряд, и, значит, ракеты с ними имеют значительно более высокий удельный импульс по сравнению с химическими ракетами.

Чтобы повысить мощность ионного двигателя, можно было бы ионизировать газ при помощи микроволн или радиоволн, а затем разгонять ионы при помощи магнитных полей. Такой вариант двигателя называется плазменным, и в теории он может сократить время полета на Марс с девяти месяцев до менее чем 40 дней — по крайней мере, так говорят его поклонники, — но на данный момент эта технология находится еще в стадии разработки. Один из ограничивающих факторов плазменного двигателя — большое количество электроэнергии, необходимое для создания плазмы, так что для межпланетных экспедиций может потребоваться атомная станция.

НАСА изучает и строит ионные двигатели уже несколько десятилетий. К примеру, Deep Space Transport, который в 2030-х гг., возможно, понесет наших астронавтов к Марсу, использует ионную тягу. Ближе к концу этого столетия ионные двигатели, скорее всего, будут использоваться для межпланетных экспедиций. И хотя для срочных задач, пожалуй, лучше подходят все же химические ракеты, ионные двигатели станут верным и надежным вариантом в тех случаях, когда время не играет особой роли.

Выше ионного двигателя в рейтинге удельных импульсов стоят более спорные системы тяги. Мы поговорим о каждой из них ниже.