Есть много разных способов добраться до Марса, но всегда есть компромиссы. Химическая двигательная установка, оказавшаяся самой популярной, позволяет быстро доставить космический корабль на Красную планету. Но доставка топлива обходится дорого, что увеличивает общую стоимость миссии. Альтернативные двигательные технологии набирают обороты в ряде применений в дальнем космосе. Теперь группа ученых из Испании предварительно изучила, что потребуется, чтобы отправить зонд на Марс, используя полностью электрическую двигательную установку, как только он покинет Землю.
Электрические двигательные установки имеют ряд преимуществ перед химическими ракетами. Хотя их никогда не удастся увеличить настолько, чтобы поднять на орбиту что-либо тяжелое, оказавшись в космосе, они чрезвычайно эффективны при перемещении полезных грузов туда, куда им нужно. В то время как типичная химическая ракета требует использования в качестве топлива 70-90% своей стартовой массы, электрическая двигательная установка может обойтись всего лишь 10-40% своей стартовой массы в качестве топлива.
Компромисс, который необходимо сделать, заключается в тяге. Электрические двигательные установки обычно имеют тягу как минимум на четыре порядка меньшую, чем тяга химических ракет. Между тем, в космосе его существенное влияние заключается в том, что электрические двигательные установки работают намного медленнее. Но это, возможно, не так уж важно для беспилотных миссий.
До сих пор никто не потратил время на то, чтобы оценить, насколько велика будет разница между миссией на Марс, управляемой электрическим, а не химическим двигателем. Самым близким исследованием было исследование, посвященное посещению спутников Марса – Фобоса и Деймоса, – которое полностью опиралось на электрическую тягу. В этом исследовании исследователи обнаружили, что вариант с химическим двигателем потребует в 2,5 раза больше массы, чем вариант с электрическим. Это значительно снизит общую стоимость миссии.
В этом новом исследовании исследователи сосредоточились на траектории, которая позволит вывести космический корабль массой 2000 кг на полярную орбиту вокруг Марса на расстоянии от 300 до 1000 км. Предел веса в 2000 кг был выбран в качестве пакета, который мог бы содержать научные пакеты, эквивалентные орбитальному аппарату ExoMars, над которым работало ЕКА.
Учитывая эти ограничения миссии, исследователи рассмотрели несколько различных типов электрических двигательных систем. Выдвинули дополнительное требование – он должен работать на верхнем диапазоне тяги многих электроэнергетических двигательных установок. Тяга 0,1 Н — это минимум, необходимый для успешного выхода на орбиту Марса.
Это ограничение привело к выбору BHT-6000 в качестве основной двигательной установки миссии. Это двигатель на эффекте Холла, который работает с мощностью от 2 до 6 кВт и может использовать относительно распространенные электрические двигатели, такие как ксенон и криптон. При таком выборе двигательной установки пришло время заняться любимым занятием каждого астродинамиста – моделированием.
Исследователи использовали модель нескольких тел, чтобы составить карту гравитационного воздействия выбранной ими траектории. Затем они провели моделирование миссии со стандартным химическим топливом и BHT-6000. То, что они обнаружили, казалось, соответствовало общим ожиданиям о преимуществах электродвижения.
С точки зрения скорости химическая ракета была быстрее, но не так уж и критично. Химическая ракета может совершить путешествие чуть меньше года, тогда как миссия с двигателем BHT-6000 займет примерно 3,2 года с момента запуска. Однако вес химической двигательной установки будет в 2,4 раза больше, чем у электрической двигательной установки. Даже при относительно консервативной стоимости запуска в 10 000 долларов за кг экономия средств на электрической двигательной установке составит почти 30 миллионов долларов по сравнению с химической альтернативой. И все это ценой еще нескольких лет пути, чтобы доставить миссию на станцию.
Это компромисс, на который многие агентства по исследованию космоса с радостью пошли бы из-за ограниченных бюджетов. Но пока это всего лишь модель, поскольку не запланировано ни одной миссии в дальний космос, в которой этот метод электродвижения использовался бы в качестве основной двигательной системы, хотя несколько миссий в дальний космос, таких как «Хаябуса-2», уже сделали это. Однако по мере развития технологий становится все более вероятным, что будущие миссии в дальний космос, особенно беспилотные, отправятся на Марс.
Узнать больше:
Казанова-Альварес, Наварро-Медина и Томмасин — Технико-экономическое обоснование миссии на Марс на солнечной электрической тяге
UT – Самый мощный ионный двигатель, когда-либо созданный, выдержал испытание
UT – Плазменные двигатели магнитного синтеза могут перевезти нас через Солнечную систему и в межзвездное пространство
UT – НАСА выбирает Aerojet Rocketdyne для разработки солнечной электрической силовой установки для миссий в дальний космос
Ведущее изображение:
Солнечная электрическая двигательная установка в представлении художника
Кредит – НАСА
