Плазменное сердце: российский двигатель доставит на Марс за один-два месяца

Ученые из Троицкого института «Росатома» разработали ракетный двигатель на основе магнитоплазменного ускорителя и создали лабораторный прототип установки.

Как сообщили исследователи, силовая установка сможет разгонять частицы (заряженные электроны и протоны) до скорости 100 км/с. Это позволит космическим аппаратам совершать межпланетные перелеты и даже выходить за пределы Солнечной системы.

— В традиционных силовых агрегатах максимальная скорость истечения вещества — около 4,5 км/с, что обусловлено условиями горения топлива. В отличие от них, в нашем двигателе рабочее тело — это заряженные частицы, которые разгоняются электромагнитным полем. Это дает возможность достичь значительно более высоких скоростей, — рассказал «Известиям» первый заместитель генерального директора по науке Троицкого института Алексей Воронов.

Он добавил, что благодаря новым силовым установкам время перелета космических кораблей на Марс сократится до одного-двух месяцев (в зависимости от размера корабля и груза). Это сделает межпланетные путешествия более безопасными, поскольку сократит время экспедиции и период пребывания экипажа под воздействием космической радиации.

— Сейчас подготовлен прототип двигателя. Он предназначен для наземных испытаний и отработки различных режимов работы двигателя. По плану летный образец агрегата появится в 2030 году. Двигатель работает в импульсно-периодическом режиме. Его мощность — порядка 300 кВт. Ранее был обоснован ресурс двигателя более 2400 ч, что достаточно для транспортной операции к Марсу. Основная цель проекта — продемонстрировать работу прототипа в импульсно-периодическом режиме, — объяснил научный консультант проекта Константин Гуторов.

Он сообщил, что в настоящее время для проведения испытаний смонтировали специальный экспериментальный стенд. Это камера диаметром 4 м и длиной 14 м, в которой воспроизводятся условия, аналогичные космическим. Она оснащена инновационными высокочувствительными датчиками, системами вакуумной откачки и отведения тепла.

По словам ученого, выводить аппараты на орбиту будут традиционным способом — с помощью ракет-носителей, оснащенных химическими двигателями. В свою очередь, плазменные агрегаты будут включаться уже после выхода на опорную орбиту. Также они могут функционировать в составе космического буксира — корабля, который предназначен для того, чтобы перевозить грузы между орбитами планет Солнечной системы.

— Плазменный ракетный двигатель — разновидность электрического. В его основе два электрода. Между ними пропускают заряженные частицы, и в это же время на электроды подается высокое напряжение. В результате ток создает магнитное поле, которое выталкивает частицы из двигателя. Таким образом плазма получает направленное движение и создает тягу, — рассказал младший научный сотрудник научного института «Росатома» в Троицке Егор Бирюлин.

Почему используют водород

Для создания движения в двигателе используют электрическую энергию и — в качестве рабочего тела — водород, пояснил Егор Бирюлин. Источником энергии будет служить бортовой атомный реактор. Преимущество водорода в том, что его атомы легки и обладают высокой скоростью истечения. Это позволяет без большого расхода рабочего вещества достигать значительных скоростей. Кроме того, водород — самый распространенный элемент во Вселенной. Поэтому в перспективе можно без особого труда пополнять его запасы.

— Другая положительная особенность новой установки — в предложенном механизме плазму не нужно сильно нагревать. В результате детали и узлы двигателя не испытывают температурных перегрузок, а использованная для его работы электрическая энергия практически полностью преобразуется в движение. Это делает установку более эффективной по сравнению с аналогами, — добавил специалист.

Он уточнил, что тяга двигателя (сила, которую он создает) в соответствии с расчетами составит порядка 6 Н. Это максимальное значение среди разрабатываемых проектов. С такими характеристиками межпланетному кораблю потребуется запас времени для разгона и торможения. По сути, весь полет может состоять из фазы плавного набора скорости и последующего ее снижения.

— В сфере разработки плазменных двигателей наша страна на десятилетия опережает конкурентов. Например, такие устройства российского производства используют в группировке One Web. Они служат в качестве маршевых силовых установок для разведения спутников на орбиты, маневрирования и их сведения с орбиты. Другой пример — исследовательский модуль Psyche, который в 2023 году был отправлен NASA для изучения астероида Психея. Этот аппарат также оснащен российскими плазменными двигателями, — прокомментировал «Известиям» ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН Натан Эйсмонт.

Представленная разработка, подчеркнул эксперт, носит опережающий характер. Как правило, скорость струи существующих плазменных двигателей находится на уровне 10 км/с, некоторые обеспечивают 30–50 км/с. Скорости порядка 100 км/с вкупе с применением водорода в качестве рабочего тела выведут мировую космонавтику на качественно новый уровень, резюмировал он.