Усовершенствование ионных двигателей позволит осуществить полеты в дальнее космическое пространство

Одной из основных проблем, которые ограничивают использование ионных двигателей пределами ближнего космического пространства и Солнечной системы, является эрозия материала стенок рабочей камеры и выходного канала этих двигателей. Но команда ученых из Калифорнийского технологического института нашла способ оградить материал стенок двигателя от бомбардировки разогнанными ионами с помощью специально сформированного защитного магнитного поля.

Ионы в электрических ракетных двигателях получаются в результате столкновений атомов газа с электронами. В результате таких столкновений в рабочей камере двигателя образуется поток плазмы, создающий магнитное поле определенной конфигурации, направление которого перпендикулярно направлению выходного канала ионного двигателя.

Разгонное электрическое поле, за счет которого ионы разгоняются до скорости порядка 70 тысяч километров в час, ориентировано в направлении вдоль канала к выходному отверстию.

Однако, присутствие электрически заряженной плазмы в рабочей камере и разгонном канале двигателя обуславливает проявление взаимодействия плазмы с магнитным полем, что в свою очередь порождает появление отклонений части электрического поля от нормального направления. В некоторых локальных областях направление электрического поля даже становится параллельным направлению магнитного поля и отдельные ионы, вместо того, чтобы устремиться наружу из сопла двигателя, ударяют по стенкам разгонного канала и рабочей камеры, выбивая оттуда атомы материала, что приводит к появлению эрозии, разрушающей материал.

Тем не менее, команда ученых придумала новую конструкцию ионного двигателя, в которых эффекты взаимодействия плазмы и магнитного поля минимизированы, поэтому электрическое поле остается всегда параллельным стенкам разгонного канала двигателя и все ионы благополучно покидают пределы двигателя, не нанося ему физического ущерба.

Ученым удалось добиться такого эффекта, проведя сложное математическое моделирование, описывающее взаимодействие магнитных, электрических полей и плазмы внутри ионного двигателя. Это позволило ученым определить оптимальную топологию магнитного поля, с помощью которой основная масса ионов разгоняется до высоких скоростей на значительном удалении от стенок двигателя, а по мере приближения к стенкам энергия ионов значительно уменьшается.

Ионы, обладающие низкой энергией, даже столкнувшись с материалом стенки, не могут выбить атомы материала, что позволило свести практически на нет эрозию материала конструкции ионного двигателя.

Используя свои расчеты, исследователи создали метод, который получил название дополнительной магнитной защиты, и который был воплощен в виде экспериментального образца двигателя новой конструкции. Математические расчеты и проведенные в вакуумной камере испытания этого двигателя показали, что эффект эрозии материала снизился в 100–1000 раз. Такое снижение эрозии материала элементов конструкции двигателя означает, что двигатель сможет проработать гораздо дольше, а космический корабль, оснащенный таким двигателем, сможет разогнаться до большой скорости и улететь на большее расстояние.

Источник