НАСА недавно успешно испытало экспериментальный плазменный двигатель, работающий на литии, что ознаменовало важный шаг вперед для миссий человека на Марс. Инженеры Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL) в Южной Калифорнии запустили электромагнитный двигатель, позволив ему достичь уровней мощности, никогда не достигаемых двигательной установкой этого типа в Соединенных Штатах.
Испытание было проведено 24 февраля в вакуумной камере Лаборатории реактивного движения, предназначенной для исследования мощных электродвижений. Во время испытаний прототип двигателя работал с большей мощностью, чем любой электрический двигатель на любом летающем космическом корабле НАСА. Исследователи говорят, что результаты дадут рекомендации для следующего этапа разработки и тестирования.
Администратор НАСА Джаред Айзекман заявил: «В НАСА мы делаем много дел одновременно, но мы никогда не упускали из виду Марс. Успешные результаты нашего двигателя в этом испытании демонстрируют существенный прогресс, достигнутый в отправке американских астронавтов на Красную планету. Впервые в Соединенных Штатах имеется электрическая двигательная установка, работающая на таком высоком уровне мощности, достигающем 120 киловатт. Мы продолжим делать стратегические инвестиции для продвижения следующего гигантского скачка».
В двигателе используются пары металлического лития, и он относится к категории технологий магнито-плазменной динамики (MPD). Такие системы генерируют тягу, используя электрические токи и магнитные поля для ускорения плазмы на чрезвычайно высоких скоростях. Во время пяти отдельных огневых испытаний вольфрамовые электроды двигателя светились ярко-белым светом, а температура поднялась до более чем 5000 градусов по Фаренгейту (2800 градусов по Цельсию). Испытания проводились в Лаборатории электродвижения Лаборатории реактивного движения, которая располагает уникальным оборудованием, позволяющим безопасно оценивать электрические двигатели, работающие на топливе в парах металлов, мощность которого находится в мегаваттном диапазоне.
Топливная эффективность электрических двигательных установок намного выше, чем у традиционных химических ракет, а расход топлива можно сократить до 90%. Вместо того, чтобы создавать сильную тягу в течение коротких периодов времени, они обеспечивают мягкую, но устойчивую тягу, которая постепенно ускоряет космический корабль в течение длительных периодов времени. НАСА уже использует технологию электродвижения в таких миссиях, как «Психея», которая в настоящее время использует самые мощные электрические двигатели агентства. Со временем двигательная система Психеи сможет разогнать космический корабль до скорости 124 000 миль в час.
Этот новый двигатель MPD с литиевым двигателем может в конечном итоге обеспечить значительно большую тягу, чем существующие системы. Хотя ученые изучают технологию MPD с 1960-х годов, эта технология никогда не использовалась для практического применения в космосе. В ходе недавних испытаний в Лаборатории реактивного движения мощность двигателя достигла 120 киловатт, что более чем в 25 раз превышает мощность летных двигателей на «Spirit Star».
«Последние несколько лет проектирования и строительства этих двигателей были долгосрочной подготовкой к этому первому испытанию», — сказал Джеймс Полк, старший научный сотрудник Лаборатории реактивного движения. «Это важный момент для нас, потому что мы не только продемонстрировали способность двигателей работать, но и достигли целевых уровней мощности. Мы знаем, что у нас есть хорошая испытательная платформа, чтобы начать решать проблемы масштабирования».
Полк наблюдал за экспериментом через небольшое смотровое окно в вакуумной камере с водяным охлаждением длиной 26 футов (8 метров). Когда двигатель активируется, его внешний электрод, похожий на сопло, интенсивно светится, создавая ярко-красный плазменный шлейф. Полк десятилетиями работал в области технологий электродвижения, внося свой вклад в миссию НАСА Dawn и Deep Space One, первый космический корабль, продемонстрировавший технологию электродвижения за пределами околоземной орбиты.
Исследователи надеются в конечном итоге увеличить выходную мощность каждого двигателя до уровня от 500 киловатт до 1 мегаватта. Одной из самых больших технических проблем является обеспечение того, чтобы оборудование могло выдерживать длительную работу при экстремальных температурах. Пилотируемая миссия на Марс может потребовать в общей сложности от 2 до 4 мегаватт мощности, а это означает, что нескольким двигателям MPD может потребоваться непрерывная работа в течение более 23 000 часов.
Ученые полагают, что двигатели MPD с литиевыми двигателями могут сыграть важную роль в будущих исследованиях дальнего космоса, поскольку они сочетают в себе сильную тягу и эффективное использование топлива. В сочетании с ядерными энергетическими системами они могут уменьшить стартовую массу и одновременно доставить тяжелую полезную нагрузку, необходимую для полетов человека на Марс.
Проект двигателя MPD находился в разработке в течение последних двух с половиной лет в сотрудничестве между JPL, Принстонской лабораторией физики плазмы в Нью-Джерси и Исследовательским центром Гленна НАСА в Кливленде. Финансирование поступает из Программы НАСА по космическим ядерным двигательным установкам, которая началась в 2020 году с целью поддержки разработки ядерно-электрических двигательных систем мегаваттного масштаба для будущих миссий на Марс. Работой руководит Центр космических полетов имени Маршалла НАСА в Хантсвилле, штат Алабама, под управлением Управления космических технологий НАСА.