Новое суперкомпьютерное моделирование позволит повысить защиту космических аппаратов с электрической тягой от воздействия собственных выхлопов.
Электрические двигатели представляют собой более эффективную замену химическим ракетам и находят все большее применение в космических полетах. Первыми их использовали в прототипах на аппаратах Deep Space 1 НАСА и SMART-1 Европейского космического агентства в 1998 и 2003 годах соответственно. Затем электрическая тяга была применена и в ключевых научных миссиях, таких как Dawn и Psyche НАСА, направляющихся к поясу астероидов. В настоящее время рассматриваются планы по использованию электрической тяги для космической станции НАСА Lunar Gateway.
Электрическая тяга основана на ионизации нейтрального газа, например ксенона или криптона, находящегося на борту космического корабля, посредством электрического тока. Этот процесс приводит к образованию облака, состоящего из ионов и электронов. Далее, благодаря эффекту Холла, создается электрическое поле, которое разгоняет и направляет эти частицы, формируя голубой шлейф, истекающий из корабля со скоростью, превышающей 60 000 км/ч. Именно поэтому такую двигательную установку называют ионным двигателем.
В соответствии с третьим законом Ньютона, на каждое действие возникает равная и противоположная реакция. Таким образом, выброс ионов из космического аппарата приводит к возникновению тяги. Создание импульса происходит не моментально, поскольку ионный шлейф, несмотря на высокую скорость, характеризуется низкой плотностью. Хотя генерируемый импульс и не является мгновенным, как в случае с химической ракетой, ионные двигатели потребляют меньше топлива и, как следствие, имеют меньшую массу, что уменьшает затраты на вывод на орбиту. Кроме того, ионные двигатели расходуют топливо значительно медленнее, чем химические ракеты.
Электромагнитные поля обычно питаются от солнечных батарей, что обуславливает иное название этой технологии – солнечная электрическая двигательная установка. Однако, для миссий, удаленных от Солнца и характеризующихся низкой интенсивностью солнечного света, в качестве источника энергии для электрической тяги могут использоваться ядерные радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РТГ.
Хотя электрические двигатели получили широкое распространение и применяются в различных космических миссиях, они не являются безупречной технологией. Одной из существенных проблем является потенциальный ущерб, наносимый космическому аппарату ионным шлейфом. Несмотря на то, что шлейф обычно направлен в противоположную от зонда сторону, электроны в нем могут изменить траекторию, двигаться навстречу движению шлейфа и воздействовать на космический аппарат, что может привести к повреждению солнечных батарей, антенн связи и других незащищенных элементов. Это, безусловно, неблагоприятно сказывается на состоянии зонда.
«В задачах, требующих многолетней эксплуатации, электрические двигатели должны демонстрировать стабильную и непрерывную работу на протяжении длительного времени », — пояснила Чен Куи, представляющая Школу инженерных и прикладных наук Университета Вирджинии.
Для разработки стратегий защиты космических аппаратов от воздействия этих рассеянных электронов, критически важно понять их поведение в шлейфе ионного двигателя, что и удалось Цую и Джозефу Вангу из Университета Южной Калифорнии. С помощью суперкомпьютерного моделирования они изучили выхлоп ионного двигателя, воспроизведя термодинамические процессы, происходящие с электронами, и определив их влияние на общие параметры шлейфа.
«Несмотря на свои небольшие размеры, движение и энергия этих частиц оказывают существенное влияние на макроскопические процессы, происходящие в струе, генерируемой электрической двигательной установкой », — говорит Цуй.
В зависимости от температуры и скорости, электроны в шлейфе демонстрируют различные характеристики, как было установлено Цуем и Ваном.
«Электроны можно представить как шарики, расположенные внутри трубки », — говорит Цуй. «В пучке электроны обладают высокой температурой и движутся с большой скоростью. Их температура практически не изменяется при движении вдоль оси пучка. Однако, если электроны отклоняются от центральной части трубки, они начинают остывать. Охлаждение проявляется сильнее в направлении, перпендикулярном направлению луча ».
Электроны в ядре пучка, обладающие наибольшей скоростью, поддерживают относительно стабильную температуру, в то время как находящиеся на периферии электроны быстрее остывают, замедляются и покидают пучок, что может привести к их рассеянию в обратном направлении и удару по космическому аппарату.
Углубленное понимание учеными поведения электронов в ионном шлейфе позволяет учитывать этот фактор при разработке будущих электрических двигателей. Возможные пути решения включают ограничение обратного рассеяния или локализацию электронов в ядре пучка. В конечном итоге, это может повысить эффективность миссий, использующих электрические двигатели, позволяя им преодолевать большие расстояния и функционировать продолжительное время благодаря тяге ионного шлейфа.