Тим Скоренко - Изобретено в СССР

Но если для ранних военных технологий схема была чрезмерно сложной, то в космическую эру она сыграла свою роль. Ракетам, предназначенным для вывода объектов на орбиту, нужен был любой прирост мощности и КПД, а сложность конструкции уже никого не смущала, поскольку ракеты-носители и без того представляли собой исключительно сложные системы.

В результате схему реализовал бывший сотрудник КБ Исаева и его ученик – Михаил Мельников. С 1956 года Мельников работал заместителем главного конструктора ОКБ-1 Сергея Королёва по двигателям, и в 1958-м его группа занималась разработкой ЖРД для новых четырёхступенчатых ракет-носителей «Молния». Первый образец ЖРД 11Д33 (С1.5400) был готов к маю 1960 года, отлично показал себя на испытаниях и стал первым реализованным в металле ЖРД замкнутого цикла. Правда, первые два запуска «Молнии 8К78» (10 и 14 октября 1960-го) оказались неудачными, причём в первом случае подвёл именно двигатель. Но 12 февраля 1961 года «Молния» штатно стартовала и вывела на орбиту АМС «Венера-1» (первый космический аппарат, пролетевший вблизи от Венеры). Занятно, но это был второй успешный пуск – первый произошёл 4 февраля, когда «Молния» вывела на орбиту другую «Венеру-1», но у той отказал разгонный блок и с орбиты она уйти не смогла. Советская пропаганда быстро переименовала АМС в «Спутник-7» и назвала пуск успехом, хотя болтающийся вокруг земли нефункциональный венерианский зонд трудно было считать удачей. Неудачу с первым запуском «Венеры» признали гораздо позже.

Сегодня ЖРД с дожиганием газа широко используются в космонавтике. По этой схеме выполнены многие российские двигатели, например новейший РД-193 (его экспортная модификация РД-181 осенью 2016 года вывела на орбиту новую американскую ракету-носитель Antares). В «Ангаре» тоже используется такой двигатель – более ранняя и проверенная версия РД-191. Идея Исаева давным-давно вышла за пределы ОКБ и даже страны.

Несколько слов надо сказать о первом в мире плазменном ракетном двигателе. Как и двигатель Глушко, это электрический ракетный двигатель, но относящийся к совершенно другой группе и работающий по иному принципу. Поскольку я не ставлю перед собой задачу подробно описать физические законы, на которых основан этот агрегат, о его конструкции я расскажу очень кратко. В частности, чтобы вы понимали разницу между ионными и плазменными двигателями.

Рабочим телом для ионных двигателей чаще всего служит ксенон или пары ртути. Рабочее тело ионизируют, превращая в поток ионов, а затем разгоняют их в сильном электрическом поле. Разогнанные ионы выбрасываются в пространство, создавая тягу и придавая кораблю ускорение. Электрическое поле в области разгона создают с помощью системы из двух сетчатых электродов (решёток) – отрицательного (катода) и положительного (анода). К этим электродам прикладывают электрическое напряжение, формируя область электрического поля со значительной разностью потенциалов.

Первые ионные двигатели отправились на орбиту в 1964 году, они стояли на американском спутнике SERT-1 – об этом я рассказывал выше (действительно, исторически ионный двигатель вообще самый ранний тип электрического двигателя, попавший в космос).

Но ещё в 1955 году молодой физик, аспирант Алексей Морозов, опубликовал в «Журнале экспериментальной и теоретической физики» статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». Первоначальное название должно было стать другим – «О возможности создания плазменных электрореактивных двигателей», но он изменил его, чтобы статью сразу не засекретили. Придя двумя годами позже в Институт атомной энергии им. И. В. Курчатова, Морозов развил свою идею и в 1962-м предложил конкретную конструкцию двигателя, который использовал для разгона рабочего тела (ионизированного ксенона) скрещенные магнитное и электрическое поля.

В какой-то мере можно назвать плазменный двигатель более развитой версией ионного двигателя, поскольку плазма – это ионизированный газ, который содержит и заряженные ионы, и свободные электроны. Но в обычном ионном двигателе в разгоняющее поле между сетками подаются только ионы, поскольку при подаче плазмы электрическое поле разгоняло бы в основном лёгкие электроны, которые не дают тяги. У ионного двигателя есть свои ограничения – и фундаментальные (ионы вблизи катода экранируют его потенциал для остальных, как бы создавая пробку), и технологические (разгоняющие решётки сильно нагреваются и могут деформироваться). Идея же Морозова заключалась в том, чтобы избавиться от ограничений ионного двигателя – и от решёток, и от «пробок» из ионов, и от электронов в разгоняемом потоке частиц – с помощью простого и остроумного решения.

Этим решением стало использование магнитного поля. «Сердцем» стационарного плазменного двигателя (СПД) является электромагнит, создающий магнитное поле в кольцевой камере. Один торец камеры – это анод, а у среза двигателя расположен катод. В камеру подаётся рабочее тело – ксенон, в электрическом поле он ионизируется и превращается в плазму. Ионы разгоняются электрическим полем между анодом и катодом и вылетают из двигателя, создавая тягу. При этом электроны привязываются магнитным полем, создавая как бы виртуальную катодную решётку из «навитых» на магнитные силовые линии электронов.

К 1967 году изготовили и испытали лабораторную версию СПД «Эол-1», правда, до лётной версии было ещё далеко. Проблема заключалась в консерватизме конструкторов космической техники: они попросту опасались ставить на спутник не очень надёжную с виду и странную опытную систему. Тему «продавил» лично Анатолий Александров, директор Института атомной энергии. Он договорился с главным конструктором серии метеорологических спутников «Метеор» Андроником Иосифьяном, который был, помимо всего прочего, одним из крупнейших советских учёных в области электротехники и по-настоящему заинтересовался разработкой.

Двигатель «Эол-1» в космической компоновке, имевший массу всего 15 килограммов, был установлен на спутник «Метеор-1–10», отправившийся на орбиту 29 декабря 1971 года. «Эол» проработал суммарно 170 часов и за это время поднял орбиту спутника на 15 километров, выполнив свою задачу в качестве маневрового двигателя.

Собственно, основной недостаток плазменного двигателя ровно тот же, что у ионного: очень малая тяга. Для преодоления земной атмосферы её не хватит ни при каких условиях. А вот в качестве маневрового двигателя для спутника это идеальное решение, поскольку масштабировать плазменный двигатель можно до сколь угодно малых размеров, а срок его работы очень велик – от трёх лет и более. Также рассматривается использование плазменных двигателей для сверхдальних миссий: такая система позволит медленно, но очень долго наращивать ускорение и в итоге разогнаться до скоростей, недоступных никаким ЖРД.