Когда речь заходит о космических двигателях, воображение обычно рисует сложнейшие агрегаты, собранные в стерильных цехах с немыслимой точностью. Однако история знает примеры, когда передовая технология рождалась буквально из мусора. Однажды плазменный двигатель собрали из стеклянной бутылки из-под колы и обычной жестяной банки. Этот эксперимент стал поворотным моментом для целого направления в космическом двигателестроении.
Затея принадлежала физику Олегу Батищеву, выпускнику МФТИ. В 2009 году его команда работала в Массачусетском технологическом институте над перспективным плазменным двигателем. Стенд простаивал из-за досадной случайности: мощные постоянные магниты выскользнули у студента из рук, с силой притянулись друг к другу и разлетелись на куски от удара. Пока ждали новые, Батищев решил доказать, что его двигатель можно соорудить из подручных материалов.
Стеклянная бутылка стала камерой, антенну смастерили из жести. Всё это поместили в вакуумную камеру. Когда подали питание, бутылка засветилась изнутри, а из срезанного дна ударила струя голубой плазмы. Ролик с этим опытом разошёлся по телеканалам и принёс группе мировую известность. Примечательно, что внутри той бутылки не было ни одного электрода, к которому прикасалась бы плазма.
Что скрывается за словом «геликон»
Термин «геликон» происходит от греческого helix — кольцо, спираль. Так называют электромагнитную волну низкой частоты, которая распространяется по плазме, помещённой в постоянное магнитное поле, и при этом почти не теряет силы. Именно эта волна лежит в основе двигателя, который я считаю одним из самых недооценённых в современной космонавтике.
Прототип Батищева устроен на удивление просто. Это трубка из кварца, на которую намотаны катушка магнитного поля и антенна для геликонной волны. Газ подают с одного конца трубки. Дальше происходит цепная реакция: волна разогревает электроны, те врезаются в атомы газа и выбивают из них новые электроны. Газ лавиной превращается в плазму, которая продолжает греться.
Магнитное поле разворачивает струю плазмы в нужном направлении. Аппарат толкает поток заряженных частиц, для разгона которых на борту нужно электричество. Взамен такой двигатель даёт скорость, которой химическому топливу не достичь в принципе. Газы из обычного ракетного сопла вылетают не быстрее 5 км/с, а ионы из прототипа Батищева летели со скоростью от 10 до 40 км/с. Чем быстрее вылетает рабочее вещество, тем меньше его нужно брать с собой для той же тяги.
Проблемы традиционных электрических двигателей
Электрические двигатели на спутниках давно не новость. На российских и зарубежных аппаратах для маневров и коррекции орбиты работают стационарные плазменные двигатели, сокращённо СПД. Но у них есть фундаментальная проблема: разогнанные ионы бьют по стенкам разрядного канала и понемногу их стачивают. Именно этот износ ограничивает срок службы. Известный СПД-100 рассчитан больше чем на 9000 часов работы, а это чуть больше года без выключения.
Второе слабое место — электроды, которые находятся прямо в плазме. Срок жизни у них короткий. Катод в стационарном двигателе считается одной из самых ранимых деталей, поэтому катодов обычно ставят сразу два, и двигатель из-за этого становится заметно крупнее. Вдобавок работает он на ксеноне, а этот газ редкий и стоит дорого.
У ионных двигателей своя беда. Ионы в них разгоняются в зазоре между сетками, и часть частиц бьёт в саму ускоряющую сетку. Металл понемногу распыляется, и в конце концов сетка отказывает. Из-за этого же износа ионные двигатели трудно делать мощнее.
Почему геликонному двигателю нечему стираться
В геликонном двигателе электродов, погружённых в плазму, нет вовсе. Энергию в газ передаёт антенна, которая лежит на трубке снаружи, поэтому саму трубку делают из материала, прозрачного для радиоволн, например из кварца. Катода тоже нет, разряд загорается сам. Это принципиально иная философия — убрать все детали, которые могут изнашиваться.
Вторая защита — магнитное поле. Оно держит плазму в середине трубки, и та до стенок просто не дотягивается, так что точить их почти нечему. Это же поле бережёт стенки от жара. Без него частицы не смогли бы забрать энергию радиоволн, а на выходе из него же складывается сопло. Движущихся деталей в двигателе тоже нет. Пока на борту есть электричество и газ, он может работать.
Но слово «геликонный» ещё не гарантирует такой долговечности. Один российский стартап делал геликонный сеточный двигатель для небольших спутников: геликонная волна в нём только рождает плазму, а разгоняют ионы уже электроды-сетки, точно так же, как в обычном ионном моторе. То есть преимущество безэлектродной схемы там терялось.
Чем заправляют геликонный двигатель
Рабочим веществом может быть почти что угодно: водород, аргон, азот и даже воздух. Менять газ можно прямо во время работы, не выключая двигатель. Это открывает совершенно новые возможности для эксплуатации космических аппаратов.
Экономика тоже впечатляет. За баллон сжатого азота платят 7–9 долларов. Маленькая бутылочка ксенона стоит около тысячи. Сегодня спутник часто уходит на покой не потому, что сломался, а потому, что у него кончился газ для двигателей, поправляющих орбиту. Геликонный двигатель в принципе может пополнять запас из атмосферы.
Спутник на вытянутой орбите мог бы набирать газ в нижней точке, а низкоорбитальный аппарат мог бы черпать воздух постоянно, и запас у него стал бы неисчерпаемым. В Курчатовском институте возможность работать на забортном воздухе записывают в достоинства такого двигателя, наравне с простой конструкцией и большим ресурсом.
Чем приходится платить
Самое тяжёлое в геликонном двигателе — магнитная система, на неё приходится большая часть веса. В РКК «Энергия» нашли способ это исправить и получили на него патент: запас рабочего вещества делают в виде проволоки из ферромагнитного материала, намотанной на катушки, и эти катушки работают ещё и как магниты. Авторы изобретения допускают, что на таких моторах однажды будут возить грузы между орбитами Земли, Луны и Марса.
Вторая цена — энергия. Мощный двигатель такого типа рассчитан на сотни киловатт и даже десятки мегаватт, и питать его должен ядерный реактор. Это не та технология, которую можно запитать от солнечных батарей.
Третья — небольшая тяга. Скорость, которую химическая ракета набирает за 150 секунд, плазменный двигатель набирает за день. Для межпланетных перелётов это приемлемо, но для взлёта с поверхности планеты такой двигатель не годится.
Курчатовский прототип и планы на будущее
В Курчатовском институте прототип на 100 кВт начали делать в 2016 году. Схема у него из трёх ступеней. Сначала геликонная волна превращает газ в плазму, затем радиоволна другой частоты дополнительно разогревает ионы, а в конце поток попадает в магнитное сопло, где поле ослабевает вдали от катушек и разгоняет плазму. На одном из стендов двигатель пока работает импульсами по 3 секунды.
Сейчас курчатовский двигатель гоняют в огромной камере объёмом почти 1000 кубометров, где откачан воздух и созданы условия, как в космосе. Калининградское ОКБ «Факел», где делают те самые стационарные двигатели, вместе с институтом взялось за двухступенчатую версию большой мощности. Ей понадобится ядерный источник питания, а цель — сначала полёты между планетами, а потом и к самой границе Солнечной системы.
Поток плазмы в ней должен идти по центру канала, не задевая стенок, а стенки придётся интенсивно охлаждать. После макета на 100 кВт в Курчатовском институте собирались масштабировать двигатель до 1 МВт. По прикидкам Батищева, двигатель на 1 МВт вышел бы около 30 см в диаметре. Если эти планы реализуются, человечество получит двигатель, который сможет годами работать без износа, заправляясь буквально из окружающего пространства.
