Тридцать секунд до Марса: как плазменные двигатели ускорят освоение космоса

Одним из ключевых направлений в развитии космонавтики, на которое сегодня ориентируется Россия, является создание новых плазменных двигателей. Эта технология уже используется достаточно долго, однако российские ученые предлагают уникальные конструкции с рядом преимуществ. Разработка нескольких прототипов направлена на решение различных задач — от увеличения срока службы спутников до сокращения времени дальних космических перелетов. Об этом сообщает Известия.

Плазменные двигатели применяются на космических аппаратах более шести десятилетий. Хотя за границей наиболее распространенный вариант установки называют холловским двигателем, пионерами этой технологии можно считать Советский Союз. Константин Циолковский еще в 1903 году высказывал идеи о создании реактивного устройства, позволяющего достигать ближайших звезд за десять-сорок лет, используя ускорение частиц.

В 1950-х годах в Отделе плазменных исследований Института атомной энергии Академии наук СССР под руководством Сергея Королева началась разработка плазменных двигателей. В 1964 году произошло два значимых события: первое применение абляционных импульсных плазменных двигателей на советской автоматической межпланетной станции «Зонд-2» и запуск суборбитальной ракеты SERT-1 в США с двумя ионными двигателями.

Советская станция была направлена к Марсу, хотя сблизиться с планетой не удалось из-за проблем с солнечными батареями. Тем не менее, этот запуск стал важным этапом в развитии технологии.

В декабре 1971 года в космос был запущен спутник «Метеор-1-10» с установленным стационарным плазменным двигателем Алексея Морозова. Эта установка представляет собой разновидность электрического ракетного двигателя, где рабочее тело, например, ксенон, превращается в ионизированную плазму для создания реактивной тяги.

Технология получила широкое распространение, и новые космические аппараты с плазменными двигателями в основном работают именно на стационарных установках. Большинство таких устройств было выпущено российским ОКБ «Факел» и востребовано по всему миру. Например, с помощью российского СПД европейский зонд Smart-1 был доставлен к Луне.

Плазменные двигатели предназначены для работы в космическом пространстве. Для летательных аппаратов, движущихся в атмосфере, такие установки неэффективны. Сопротивление атмосферы требует мощных двигателей с высокой тягой, тогда как плазменные двигатели не обладают такой характеристикой. Их преимущества раскрываются в вакууме, где они могут развивать большие скорости и сокращать время на перелеты.

Работы по улучшению плазменных двигателей в России активно продолжаются. В последние годы разрабатываются и тестируются несколько установок с различными назначениями: одни для повышения эффективности малых спутников, другие для межпланетных полетов.

Особенно интересен прототип плазменного реактивного двигателя, созданный Троицким институтом инновационных и термоядерных исследований. Разработка началась в 2021 году, а в 2025-м ученые объявили о создании лабораторного прототипа. Ожидается, что летный образец будет готов к 2030 году.

Средняя мощность этого двигателя достигает трехсот киловатт, что позволяет разгонять космический аппарат до недоступных для традиционных химических двигателей скоростей. Эффективное использование топлива значительно сокращает его потребность.

Разработку мощных плазменных двигателей ведут все космические державы. Заместитель директора Научного института «Росатома» Константин Гуторов подчеркивает, что аналогов их разработки за рубежом нет, хотя существуют конкурирующие технологии.

Известным конкурентом является двигатель VASIMR компании Ad Astra Rocket, который демонстрирует тягу до 5,4 Н и мощность 200 кВт. Однако прототип «Росатома» превосходит его по характеристикам — тяга 6 Н и удельный импульс 100 км/с.

Ключевым преимуществом разработки является высокий энергетический КПД, превышающий 80%. Двигатель может работать без остановки минимум сто дней, а скорость истечения плазменного потока значительно превышает скорость струи при сгорании химического топлива.

Ожидается, что такая установка позволит сократить время полета к Марсу до тридцати-шестидесяти дней. На текущих технологиях такая миссия может занять почти год в одну сторону, что создает риски для здоровья космонавтов.

Евгений Степин подтверждает, что плазменные двигатели открывают новые горизонты в освоении Солнечной системы, включая Луну, Марс и Венеру. В будущем они также могут использоваться для исследования спутников Юпитера и пояса астероидов.

Гонка за пилотируемым полетом на Марс становится все активнее. Основатель SpaceX Илон Маск заявил о планах отправить беспилотные корабли к планете через два года, а экипаж — через четыре года. Он рассчитывает на создание самодостаточного города на Марсе через двадцать лет.

В России также ведутся работы по созданию плазменного двигателя для межпланетных перелетов. В НИЦ «Курчатовский институт» тестируется безэлектродный плазменный двигатель, который также может быть использован для полетов к другим планетам.

Для успешных пилотируемых полетов необходимо решить множество технических задач, таких как защита от радиации и организация жизнеобеспечения. Также требуется обеспечить электропитание для маршевой плазменной установки, что может потребовать использования компактных ядерных установок.

Работы по созданию плазменных двигателей, которые можно использовать в ближайшем будущем, также продолжаются. Эти установки помогут повысить эффективность работы малых спутников, что особенно важно для многоспутниковых группировок и решения проблемы космического мусора.

Плазменные двигатели для наноспутников разрабатываются в НИЯУ МИФИ. В феврале 2023 года успешно завершились испытания установки VERA, которая прошла проверку в составе наноспутника «Святобор-1». Специалисты МАИ также создали маломощный плазменный двигатель для работы с низкоорбитальными спутниками.

Российские ученые продолжают совершенствовать плазменные двигатели. Успех новых разработок поможет укрепить позиции страны в космической отрасли и оставить конкурентов позади. Россия первой в мире запустила электрореактивный плазменный двигатель на автоматической межпланетной станции и остается одним из лидеров в разработке таких устройств.