Традиционные химические двигатели на всяких нитрометанах и гидразинах очень мощны, но тратят на разгон очень много топлива. Это приемлемо, если мы хотим взлететь на орбиту, но для набора скорости вне её — уже не очень. Ракете попросту не хватит горючего, чтобы достичь высоких скоростей.
Тут-то и приходят на помощь новые разработки.
Как несложно (наверное) догадаться, это такой двигатель, который ускоряет ракету за счёт электроэнергии.
Однако в космосе это несколько сложнее, чем на земле, где можно поставить на машину асинхронный электродвигатель и не париться, используя для разгона сцепление колеса с дорогой, а крутящий момент получая с помощью вращающегося магнитного поля. В космосе единственным доступным способом остаётся реактивное движение, таким образом, общий принцип ракетного электрического двигателя построен на разгоне рабочего тела с помощью магнитного поля, получая таким образом ускорение.
Обычно в качестве топлива выступает ксенон: он ионизируется в специальной камере, после чего положительные ионы газа разгоняются, ускоряя корабль, а электроны утилизируются. Выглядит это приблизительно вот так:
Классификация двигателей зависит от того, переходит ли рабочее тело в состояние плазмы или нет, какое поле используется для разгона и так далее.
Электрические двигатели бесполезны для подъёма ракеты на орбиту. В перспективе они смогут достичь тяги в несколько ньютонов — для сравнения, тяга одного спейс-иксовского «Мерлина» — 730тысяч ньютонов, а один Falcon 9 поднимают девять таких «Мерлинов». Однако плазменный или ионный двигатель могут работать очень долго, тратя при этом крохи топлива, и когда ЖРД давно потухнет, они будут работать. И в конечном итоге разгонят корабль до куда более высоких скоростей.
Другими словами, упомянутые выше любители цветочков будут ждать целыми сутками, пока их лайнер разгонится до приличной скорости, а вы-пилот сможете спокойно пить кофе и обжиматься в кабине со стюардессой — напряжённых космических погонь не будет. Если представить, что ракета с ЖРД тягой 730 килоньютонов — это Ламборгини Диабло, разгоняющаяся с нуля до сотни за 4 секунды, то ракета с электрическим двигателем — это драндулет, достигающий той же сотни за 4 дня (собственно, у АМС «Dawn» примерно такое ускорение и было во время полёта). Само собой разумеется, что для мочилова в космосе, отчаянных манёвров и радиопередач в духе «АААА ВАСЯ ВРАГ У МЕНЯ НА ХВОСТЕ БДЫЩЬ БУ-БУХ» подобный способ передвижения не особо годится, хотя, к примеру, в Звёздных войнах на кораблях стоят именно ионные двигатели. И, естественно, к настоящим они имеют очень мало отношения, впрочем, то же самое можно сказать практически обо всём в мире франшизы.
Что у нас там в реальности? В реальности всё сложно. АМС «Dawn» поставила рекорд скорости, используя три ионных двигателя на ксеноне. Каждый двигатель обладал тягой менее 0,1 ньютона, но и весил всего 9 кг, а сам аппарат на старте — чуть больше тонны. Разгонялся он несколько лет, имея на борту 425 кг ксенона. Однако технологии не стоят на месте: электрические двигатели сейчас активно развиваются, так что всё у них ещё впереди.
Пример очередного и пока крайнего шага в их развитии — это Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR), он же магнитоплазменный двигатель. Ионизация рабочего тела в нём производится с помощью радиоволн, после чего полученная плазма разгоняется электромагнитным полем. Плазма при этом не контактирует с конструкцией двигателя (а это увеличивает срок его службы на порядки), сам же двигатель способен выдавать тягу в десятки раз большую, чем ионный. Кроме того, вместо ксенона VASIMR использует гораздо более дешёвый и доступный аргон.
Что будет дальше? Трудно сказать. Лично я предполагаю создание гибридных двигателей с возможностью использовать как обычную химическую или ядерную тягу для сложных манёвров, в том числе и в термосфере, так и плазменный режим для штатного разгона в космосе. Скорее всего, никуда не денутся и гравитационные манёвры — если отправить наш лайнер на Нептун, будет очень удобно получить при случае дополнительный разгон у, например, Юпитера. Заодно и туристы насладятся видами гигантской планеты. Однако о регулярных рейсах в современных условиях говорить не приходится: чтобы уверенно летать хотя бы с Земли на Марс, пусть даже за полтора месяца, нужны гораздо более эффективные двигатели, чем VASIMR.