Чудо-двигатель ИД-200 КР: Чем Путин в очередной раз может напугать американцев

Новость о том, что в российском «Центре Келдыша» прошли успешные огневые стыковочные испытания нового ионного двигателя ИД-200 КР, стала вирусной. Об этом «прокричали» многие наши СМИ. Кое-кто даже назвал «сенсацию» русским ответом Маску. В самом же «Центре Келдыша» были предельно скупы на комментарии. На его сайте приведены только два ключевых параметра протестированного ИД-200 КР — мощность до 3 кВт и удельный импульс тяги до 4 500 секунд.

О самом главном — о тяге ИД-200 КР — не сказано ни слова. Речь, судя по всему, идет о тайне, о которой объявят позже.

В любом случае, без сведений о тяге трудно оценить эффективность движка и, само собой, место России в космической гонке ведущих держав. Попробуем разобраться без ура-патриотического угара, а также отбросим в сторону самоуничижительные оценки.

На первый взгляд, ожидать что-то сверхъестественного от ионного движка, вообще не приходится. Он представляет собой обычную электронную пушку, которую, к примеру, используют в электронно-лучевой трубке кинескопа. Только вместо электронов от катода к аноду разгоняют ионизированный ксенон, который является побочным продуктом при производстве жидкого кислорода на металлургических предприятиях.

По американским меркам, типичная тяга ионного движка, работающего на ксеноне, составляет примерно 20−25 миллиньютона (миллиньютон, или мН — тысячная часть Ньютона) на 1 кВт мощности при очень хорошем КПД в 70%. То есть, если опираться на зарубежные источники, при мощности 3 кВт, заявленной для ИД-200 КР, тяга в лучшем случае достигнет 75 мН, что соответствует силе тяжести тонкого бумажного листа. Этого, однако, достаточно, чтобы скорректировать полет небольшого космического аппарата (КА).

Слабенькая тяга компенсируется невероятной топливной экономичностью, а это в свою очередь является критически важным фактором для длительной работы на орбите. Ведь зачастую приходится терять спутники только потому, что у них кончилось горючее для корректировки в космосе, хотя сами аппараты не исчерпали свой ресурс.

Мировые космические державы, в том числе Россия, сегодня плотно работают в этом направлении. Но есть очень серьезные технологические проблемы. Из-за мощного ионного потока эрозия достаточно быстро уничтожает важнейшие элементы разрядной камеры. Плюс к этому необходимо иметь приличный источник электроэнергии, какими в космосе являются солнечные батареи. Причем, их площадь должна быть очень большой, чтобы разогнать ксенон до состояния плазмы.

Что интересно: если полистать журналы о космосе сорокалетней давности, то можно прочитать о тех же проблемах. Тогда, кстати, тоже считалось, что доводка ионных движков не займет много времени. Но, похоже, в этом направлении реальный прогресс дается очень нелегко, несмотря на кажущуюся простоту. Немного истории помогут понять суть стоящих задач.

В 1964 году СССР и США практически одновременно испытали ионные движки, но американцам через 6 лет надоели бесплодные попытки увеличить тягу и ресурс. С 1970 года за океаном работы над ними практически не велись, тогда как советские инженеры не опустили руки.

Но когда с 1982 года Советский Союз стал успешно применять ионный движок СПД-25 с тягой 25 мН, НАСА достаточно быстро наверстало упущенное.

В 1997 года на штатовском спутнике связи HS-601HP был установлен ионный движок XIPS-13 с тягой 18 мН, а в 2000 году на аппарате HS-702 — движок XIPS-25 с тягой 165 мН.

Поскольку спутники связи были тогда крупнее, чем сейчас, то для коррекции их орбит требовались мощные движки. Поэтому значительные усилия были направлены на разработку холловских ускорителей, в которых ионы также играют большую роль в формировании ракетной тяги. Чтобы не перегружать техническими особенностями, скажем: при одном и том же размере они создают в разы большую тягу, хотя и обладают меньшей топливной экономичностью — примерно 60−65 миллиньютона (миллиньютон, или мН — тысячная часть Ньютона) на 1 кВт мощности КПД в 48%.

В начале нулевых американское правительство через организацию SPI Inc. заказало Роскосмосу разработку холловского двигателя (разновидность электростатического ракетного двигателя) КМ-7 с тремя уровнями мощности 3.5/4.5/6.0 кВт. Летные испытания на российском телекоммуникационном спутнике «Экспресс А3», однако, не состоялись из-за проблем с системой питания и управления.

Наработки, тем не менее, не пропали даром. В 2014 году (более поздней информации нет) мировые лидеры по изготовлению спутников — американская компания Space Systems/Lora и европейские фирмы EADS Astrium и Thales Alenia Space предпочитали российские холловские ускорители из всех других, представленных на рынке.

В последнее время наблюдается более высокая заинтересованность в ионных движках, чем в холловских ускорителях. Сказываются два фактора: миниатюризация космических аппаратов и потребность в увеличении ресурса спутников.

Теперь самое время вернуться к новости об испытании ИД-200 КР. В «Центре Келдыша», как известно, уже создана линейка прототипов ионных движков с мощностью, заявленной в последнем испытании. В частности, в электронном журнале «Труды МАИ» говорится об ИД-300 мощностью 2…4 кВт, обладающий тягой 80…120 мН при импульсе 3500…4500 с.

При удачном раскладе полученные результаты станут основой для силовой установки с следующими характеристиками: мощность 32 кВт при тяге 725 мН и удельном импульсе 7000 с. Как раз столько, сколько нужно для транспортных операций в околоземном космосе и полетов на другие дальние планеты Солнечной системы.

Заявка, надо сказать, очень серьезная — фактически на бесспорное лидерство. Для сведения: американцы и европейцы ставят, куда меньшую цель — создать силовую ионную установку с тягой 240 мН.

Ясно, что о своих ноу-хау никто не скажет, тем не менее, очевиден глобальный тренд на повышение топливной эффективности ионных движков при одновременном росте тяги. Похоже, прогресс в создании новых материалов с управляемыми свойствами все-таки сулит победу над ионной эрозией, которая является самым настоящим проклятием для разработчиков.

Таким образом, более полная информация об испытании в «Центре Келдыша» могла бы приоткрыть занавес о российском решении этой многолетней проблемы. Впрочем, намек на это все-таки был достаточно прозрачный: «Двигатель ИД-200 КР оснащен углерод-композитной ионной оптикой с повышенными механическими свойствами… Составные части электроракетной двигательной установки планируется использовать в составе перспективных геостационарных космических аппаратов».

С другой стороны, сами по себе ионные движки, насколько эффективны они бы ни были, без мощного, но миниатюрного источника электроэнергии мало пригодны для транспортных операций в космосе или дальнего путешествия. Оказавшись за пределами орбиты Марса, аппаратам все труднее использовать солнечные панели. Расчеты некоторых ученых показывают, что их площадь должна быть не менее квадратного километра, чтобы достигнуть границы Солнечной системы.

По идее, ИД-200 КР и движки с более высокой тягой должны комплектоваться компактными ядерными реакторами. Но это уже немного другая история, ну а пока придется дождаться информации о достижениях «Центра Келдыша» из уст президента Путина. Во всяком случае, это было бы логично. Если предположения верны, то для американцев это станет самой жуткой правдой о новом русском чудо-двигателе.