Новые методы суперкомпьютерного моделирования обеспечат защиту космических аппаратов с электротягой от собственных выбросов.
Электрические двигатели — более эффективная альтернатива традиционным химическим ракетам и все чаще используются в космических полетах. С 1998 года, начиная с прототипа Deep Space 1 НАСА и SMART-1 Европейского космического агентства в 2003 году, их применение расширилось до флагманских научных миссий, таких как Dawn и Psyche НАСА к поясу астероидов. Даже на будущей космической станции НАСА Lunar Gateway планируется использовать электрическую тягу.
Идея электрической тяги основана на том, что ток ионизирует атомы нейтрального газа, например ксенона или криптона, находящегося на борту космического корабля. В процессе образуется облако ионов и электронов. Принцип Холла создает электрическое поле, ускоряющее ионы и электроны в характерный голубой шлейф, вылетающий из космического корабля со скоростью более 60 000 км/ч. В связи с этим электрическую двигательную установку называют ионным двигателем.
Третий закон движения Ньютона гласит, что каждое действие вызывает равную и противоположную реакцию. Поэтому шлейф ионов, вылетающих из космического корабля, создает тягу. Однако для получения импульса нужно время, так как, несмотря на высокую скорость, ионный шлейф достаточно разрежен. Получаемый импульс не такой мгновенный, как у химической ракеты, но ионные двигатели потребляют меньше топлива, а значит, имеют меньшую массу. Это снижает стоимость запуска, и ионные двигатели расходуют топливо медленнее, чем химические ракеты.
Электромагнитные поля часто получают энергию от солнечных батарей, поэтому технологию иногда называют солнечной электрической двигательной установкой. Для полетов подальше от Солнца, где солнечный свет слабее, могут использоваться радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РТГ) для приведения в действие электрической тяги.
Электрические двигатели, несмотря на достигнутый уровень развития и применение в разных миссиях, обладают недостатками. Ионный шлейф может повредить аппарат. Электроны в нем могут отклониться от направления движения и поразить аппарат, повредив солнечные батареи, антенны связи и открытые компоненты. Подобные повреждения нежелательны для зонда.
«Для многолетних миссий электрические двигатели должны обеспечивать бесперебойную и плавную работу на протяжении длительного времени. В заявлении Чэна Куи, сотрудника Школы инженерных и прикладных наук Университета Вирджинии, сказано: …
Прежде чем искать решения для защиты космических аппаратов от рассеянных электронов, нужно понять их поведение в шлейфе ионного двигателя. Цуй и Джозеф Ванг из Университета Южной Калифорнии проводят суперкомпьютерное моделирование выхлопа ионного двигателя, имитируя термодинамическое поведение электронов и их влияние на общие характеристики шлейфа.
«Маленькие частицы влияют на макроскопическую динамику факела, выталкиваемого электрическим двигателем своим движением и энергией. », — говорит Цуй.
Цуй с Ваном выяснили, что поведение электронов в шлейфе меняется при изменении температуры и скорости.
«Электроны напоминают шарики, расположенные по трубке. », — говорит Цуй. «Внутри пучка электроны горячие и движутся быстро. Температура не сильно меняется при движении вдоль направления пучка. Если «шарики» выкатываются из середины трубки, то начинают остывать. Охлаждение происходит больше в определенном направлении, перпендикулярном направлению луча. ».
Электроны в ядре пучка, движущиеся с максимальной скоростью, имеют практически постоянную температуру. Те же, что находятся снаружи, остывают быстрее, замедляются и покидают пучок, возможно рассеиваясь назад и ударяя по космическому аппарату.
Понимание поведения электронов в ионном шлейфе позволит ученым учитывать его в проектах будущих электрических двигателей. Возможность ограничить обратное рассеяние или удерживать электроны в ядре пучка станет реальностью. В итоге это поможет миссиям, использующим электрические двигатели, летать дальше и дольше, подгоняемые легким голубым бризом ионного шлейфа.