Впервые в мире команда, возглавляемая Европейским космическим агентством (ЕКА), построила и запустила электрический реактивный двигатель, поглощающий немногочисленные молекулы воздуха из верхних слоёв атмосферы для использования в качестве рабочего тела, открывая путь спутникам, летящим на очень низких орбитах в течение многих лет подряд.
Спутник ЕКА для изучения гравитационного поля Земли GOCE летал на высоте всего на 250 км над Землёй в течение более пяти лет благодаря электрическому двигателю, который непрерывно компенсировал воздушное сопротивление. Однако его рабочий ресурс ограничивался 40 кг ксенона, который он носил в качестве рабочего тела – когда этот запас был исчерпан, миссия была закончена.
Замена топлива на борту атмосферными молекулами создаст новый класс спутников, способных работать на очень низких орбитах в течение длительного времени.
Электроракетные двигатели малой тяги, использующие атмосферный воздух также могут применяться во внешних слоях атмосфер других планет, используя, например, двуокись углерода на Марсе.
«Этот проект начался с новой конструкции для сбора молекул воздуха в качестве рабочего тела в верхних слоях атмосферы Земли на высоте около 200 км с типичной скоростью 7,8 км/с», объясняет Луи Уолпот из ЕКА.
Компанией Sitael в Италии был разработан целый двигатель для проверки концепции , которая была выполнена в вакуумной камере в испытательных установках компании, имитируя окружающую среду на высоте 200 км.
«Генератор потока частиц» обеспечивал встречные высокоскоростные молекулы для сбора при помощи воздухозаборника новой конструкции.
Нет клапанов или сложных деталей – все работает на простой, пассивной основе. Все, что требуется, – это сила катушек и электродов, создающая чрезвычайно надежную систему компенсации сопротивления.
Задача заключалась в том, чтобы разработать новый тип воздухозаборника для сбора молекул воздуха, чтобы они не отскакивали, собирались и подвергались сжатию.
Молекулы, собранные воздухозаборником, разработанным QuinteScience в Польше, получают электрические заряды, чтобы их можно было ускорить и выбрасывать для обеспечения тяги.
Sitael разработала двухступенчатый двигатель для обеспечения лучшего заряжания и ускорения поступающего воздуха, чего труднее достичь, чем в традиционных электроракетных двигателях.
«Команда использовала компьютерное моделирование поведения частиц, чтобы моделировать все различные варианты воздухозаборника, – добавляет Луис, – но все это сводилось к этому практическому тесту, чтобы узнать, будут ли воздухозаборник и двигатель работать вместе или нет.
«Вместо простого измерения результирующей плотности на коллекторе для проверки конструкции воздухозаборника, мы решили присоединить электрический ракетный двигатель. Таким образом, мы доказали, что действительно можем собирать и сжимать молекулы воздуха до уровня, в котором может происходить зажигание двигателя, и измерять фактическую тягу.
«Сначала мы проверили, что наш двигатель может неоднократно зажигаться с помощью ксенона, собранного из генератора потока частиц».
В качестве следующего шага Луис объясняет, что ксенон был частично заменен воздушно-воздушной смесью азот-кислород: «Когда синий цвет шлейфа двигателя на основе ксенона изменился до фиолетового, мы поняли, что нам это удалось.
«Система в результате воспламенилась неоднократно исключительно с атмосферным рабочим телом, тем самым доказав осуществимость концепции.
«Этот результат означает, что электроракетный двигатель с использованием воздуха – это уже не просто теория, а осязаемая рабочая концепция, готовая к разработке, которая послужит в один прекрасный день в качестве основы для нового класса миссий».
Этот проект был поддержан Программой исследовательских программ ЕКА для разработки перспективных новых идей для космоса при поддержке Программы Агентства по наблюдению Земли.
(esa.int)