Когда речь заходит о космических двигателях, воображение обычно рисует сложнейшие агрегаты, созданные в стерильных лабораториях с применением экзотических материалов. Однако история знает пример, переворачивающий это представление с ног на голову. Однажды действующий прототип плазменного двигателя был собран буквально из мусора — стеклянной бутылки из-под газировки и обычной жестяной банки. Этот случай не просто курьёз, а наглядная демонстрация того, насколько элегантной может быть физика плазмы, если понять её глубинные принципы.
За этой необычной конструкцией стоял физик Олег Батищев, выпускник МФТИ. В 2009 году его исследовательская группа в Массачусетском технологическом институте работала над созданием геликонного двигателя. В тот момент, когда мощные постоянные магниты выскользнули из рук студента, притянулись друг к другу и разлетелись на куски от удара, команда оказалась в вынужденной паузе. Стенд простаивал, новые магниты нужно было ждать, и именно тогда возникла идея доказать: технология не зависит от дорогих компонентов.
Бутылка из-под колы стала вакуумной камерой, из жести смастерили антенну. Всё это поместили в вакуумную установку, подали питание — и стеклянная ёмкость засветилась изнутри, а из срезанного дна ударил поток голубой плазмы. Видеозапись эксперимента разошлась по телеканалам и принесла группе мировую известность. Самое удивительное, что внутри той бутылки не было ни одного электрода, которого касалась бы плазма. Мне этот факт кажется принципиально важным для понимания всей концепции.
Этот эксперимент наглядно показал, что суть геликонного метода не в дороговизне материалов, а в правильной организации электромагнитных полей. Стекло и жесть справились со своей задачей не хуже кварца и специальных сплавов, потому что главную работу выполняла сама физика волнового разряда.
Природа геликонной волны и принцип работы
Термин «геликон» происходит от греческого helix — кольцо, спираль. Так называют низкочастотную электромагнитную волну, которая распространяется по плазме, помещённой в постоянное магнитное поле, и при этом почти не теряет своей энергии. Именно эта особенность делает геликонные волны столь привлекательными для создания эффективных источников плазмы.
Устройство прототипа Батищева поражает своей простотой. Это кварцевая трубка, на которую намотаны катушка магнитного поля и антенна для возбуждения геликонной волны. Газ подаётся с одного конца трубки. Волна разогревает свободные электроны, те врезаются в атомы газа и выбивают из них новые электроны. Возникает лавинообразный процесс, превращающий газ в плазму. Плазма продолжает нагреваться, а магнитное поле формирует и направляет её струю в нужную сторону.
Тяга создаётся потоком заряженных частиц, для разгона которых требуется бортовое электричество. Взамен такой двигатель обеспечивает скорость истечения, недостижимую для химического топлива. Газы из обычного ракетного сопла вылетают со скоростью не более 5 километров в секунду, тогда как ионы из прототипа Батищева разгонялись до 10–40 километров в секунду. Чем быстрее покидает аппарат рабочее вещество, тем меньше его нужно брать с собой для достижения той же тяги.
Я часто задумываюсь о том, насколько изящна эта схема: никакого механического сопла, только невидимые силовые линии магнитного поля, которые одновременно удерживают плазму и придают ей направление. Это принципиально иной подход к организации реактивной струи.
Сравнение с традиционными электроракетными двигателями
Электрические двигатели на спутниках давно перестали быть экзотикой. На российских и зарубежных аппаратах для маневров и коррекции орбиты работают стационарные плазменные двигатели, сокращённо СПД. Однако у них есть фундаментальная проблема — износ. Разогнанные ионы бьют по стенкам разрядного канала и постепенно стачивают их. Именно этот процесс ограничивает срок службы. Известный СПД-100 рассчитан более чем на 9000 часов работы, что составляет чуть больше года непрерывного функционирования.
Второе слабое место традиционных СПД — электроды, находящиеся непосредственно в плазме. Катод считается одной из самых уязвимых деталей, поэтому обычно устанавливают сразу два, что заметно увеличивает габариты двигателя. Вдобавок работают такие двигатели на ксеноне — редком и дорогом газе.
У ионных двигателей своя беда. Ионы в них разгоняются в зазоре между сетками, и часть частиц попадает в саму ускоряющую сетку. Металл постепенно распыляется, и в конце концов сетка выходит из строя. Этот же износ мешает наращивать мощность ионных двигателей.
Геликонный двигатель решает обе проблемы радикально. В нём нет электродов, погружённых в плазму. Энергию в газ передаёт антенна, расположенная снаружи трубки, а саму трубку изготавливают из материала, прозрачного для радиоволн, например из кварца. Катод не нужен вовсе — разряд загорается самостоятельно. Магнитное поле удерживает плазму в центре трубки, не позволяя ей касаться стенок, поэтому разрушать их практически нечему. Это же поле защищает стенки от перегрева и формирует магнитное сопло на выходе.
Движущихся деталей в геликонном двигателе тоже нет. Пока на борту есть электричество и газ, он может работать. Однако слово «геликонный» само по себе не гарантирует долговечности. Один российский стартап разрабатывал геликонный сеточный двигатель для малых спутников: геликонная волна в нём лишь рождает плазму, а разгоняют ионы уже электроды-сетки, точно так же, как в обычном ионном моторе. В такой схеме проблема износа сеток никуда не исчезает.
Я считаю важным подчеркнуть это различие: истинный геликонный двигатель без электродов в плазме и с магнитным удержанием — это одна технология, а гибридные схемы с сетками — совсем другая, со своими компромиссами.
Топливная гибкость и экономическая выгода
Рабочим веществом для геликонного двигателя может служить практически любой газ: водород, аргон, азот и даже воздух. Причём менять газ можно прямо во время работы, не выключая двигатель. Эта гибкость открывает совершенно новые возможности для космических миссий.
Экономическая разница впечатляет. Баллон сжатого азота стоит 7–9 долларов, тогда как маленькая бутылочка ксенона обходится примерно в тысячу. Сегодня спутник часто отправляют на покой не из-за поломки, а потому что у него закончился газ для двигателей коррекции орбиты. Геликонный двигатель в принципе способен пополнять запас рабочего вещества из атмосферы.
Спутник на вытянутой орбите мог бы набирать газ в нижней точке, а низкоорбитальный аппарат — черпать воздух постоянно, делая свой запас практически неисчерпаемым. В Курчатовском институте возможность работы на забортном воздухе записывают в достоинства такого двигателя наравне с простой конструкцией и большим ресурсом.
Мне кажется, что именно топливная универсальность станет ключевым фактором при переходе к длительным автономным миссиям. Возможность заправляться по пути — это то, чего не может предложить ни один химический двигатель.
Ограничения и пути их преодоления
Самая тяжёлая часть геликонного двигателя — магнитная система, на неё приходится большая часть веса. В РКК «Энергия» нашли способ исправить этот недостаток и получили патент: запас рабочего вещества предлагается делать в виде проволоки из ферромагнитного материала, намотанной на катушки, которые одновременно работают как магниты. Авторы изобретения допускают, что на таких моторах однажды будут возить грузы между орбитами Земли, Луны и Марса.
Вторая цена — энергия. Мощный двигатель такого типа рассчитан на сотни киловатт и даже десятки мегаватт, а питать его должен ядерный реактор. Это серьёзное инженерное ограничение, которое пока сдерживает широкое применение технологии.
Третья — небольшая тяга. Скорость, которую химическая ракета набирает за 150 секунд, плазменный двигатель набирает за сутки. Для старта с поверхности планеты он не годится, но для длительных перелётов в космосе, где нет гравитационного колодца, это не проблема.
Я вижу в этих ограничениях не тупик, а естественные этапы развития. Каждая новая двигательная технология проходила через подобные компромиссы, прежде чем становилась практичной.
Российский прототип и перспективы масштабирования
В Курчатовском институте прототип мощностью 100 кВт начали создавать в 2016 году. Его схема состоит из трёх ступеней. Сначала геликонная волна превращает газ в плазму, затем радиоволна другой частоты дополнительно разогревает ионы, а в конце поток попадает в магнитное сопло, где поле ослабевает вдали от катушек и разгоняет плазму. На одном из стендов двигатель пока работает импульсами по 3 секунды.
Сейчас курчатовский двигатель испытывают в огромной камере объёмом почти 1000 кубометров, где откачан воздух и созданы условия, приближенные к космическим. Калининградское ОКБ «Факел», известное производством стационарных плазменных двигателей, вместе с институтом взялось за двухступенчатую версию большой мощности. Ей понадобится ядерный источник питания, а цель — сначала полёты между планетами, а затем и к самой границе Солнечной системы. Поток плазмы должен идти по центру канала, не задевая стенок, а стенки придётся интенсивно охлаждать.
После макета на 100 кВт планировалось масштабировать двигатель до 1 МВт. По оценкам Батищева, двигатель мощностью 1 МВт имел бы диаметр около 30 сантиметров. Такая компактность при столь высокой мощности открывает дорогу к амбициозным миссиям, о которых человечество пока только мечтает.
Меня искренне восхищает, как технология, родившаяся из эксперимента со стеклянной бутылкой и жестяной банкой, эволюционировала в проект, способный доставить аппараты к границе Солнечной системы. Это лишний раз доказывает: за кажущейся простотой физических принципов скрывается колоссальный потенциал, который раскрывается постепенно, по мере того как инженеры учатся управлять всё более мощными потоками энергии.
