В НАСА преступили к тестированию революционной технологии E-sail

В Космическом центре Маршалла НАСА в Хантсвилле (NASA's Marshall Space Flight Center) штата Алабама,  началось тестирование концепции революционной двигательной системы, которая могла бы отправить космический аппарат к краю нашей Солнечной системы быстрее, чем когда-либо.

Результаты испытаний предоставят данные для моделирования "гелиопаузной электростатической быстрой транзистной системы" (Heliopause Electrostatic Rapid Transit System — HERTS). Предложенная HERTS E-Sail концепция двигательной системы, использующая меньше топлива, будет использовать солнечный ветер для путешествия в межзвездном пространстве.

"Солнце высвобождает протоны и электроны в солнечный ветер при очень высоких скоростях — 400-750 км/с", — сказал Брюс Вигманн, — инженер из "Передовых концепций управления" при центре Маршалла и главный исследователь проекта HERTS E-Sail. Технология E-Sail воспользуется этими протонами для приведения в движение космического аппарата.

Прохождение от центра космического аппарата и во вне, 10-20 электрически заряженных, голых алюминиевых шин создало бы большой, круговой парус, который электростатически отталкивал бы быстро движущиеся протоны солнечного ветра. Импульсный обмен производится в тот момент, когда протоны отталкиваются от положительно заряженных проводов, создавая таким образом тягу космического аппарата. Каждый трос — очень тонкий, всего 1 мм (толщина проволоки стандартной скрепки) и очень длинный — почти 12,5 миль (~20 км или протяженность 219 футбольных полей). По мере того, как космический аппарат медленно вращается со скоростью один оборот в час, центробежные силы будут вытягивать тросы в рабочее положение.

Испытание, которое будет проводится в системе солнечной среды высокой интенсивности, предназначено для изучения скорости столкновения протонов и электронов с положительно заряженными шинами. В контролируемой плазменной камере, имитирующей плазму в пространстве, команда использует стальной нержавеющий провод в качестве аналога легкой алюминиевой шины. Несмотря на большую плотность алюминия, нержавеющие стали неагрессивных свойств сымитируют алюминий в пространстве, что даст возможность большего числа испытаний без потерь.

Инженеры замерят отклонения протонов от активной заряженной шины внутри камеры для улучшения моделирования данных, которые будут совершенствоваться и применяться для будущего развития технологии E-Sail. В испытаниях также замерят количество электронов, притянутых к шине. Эта информация будет использоваться для разработки спецификаций требуемой электронной пушки или эмиттера электронов, который будет выбивать избыточные электроны из космического аппарата для поддержания шинами положительного напряжения смещения, которое имеет решающее значение в его функционирование в качестве двигательной системы.

Эта концепция опирается на изобретенный доктором Пеккой Янхуненом из Финского метеорологического института электрический парус, а также на современные технологии, необходимые для E-Sail интегрированной двигательной системы, находящиеся пока на низкотехнологичном уровне готовности. Если результаты тестирования плазмы, моделирования и исследований развертывания шины покажутся многообещающими после текущего двухлетнего исследования, то останется еще очень много работы необходимой для проектирования и строительства нового типа двигательной системы. Фактически, технология использовалась уже ранее — по крайней мере, десятилетие назад.

HERTS E-Sail концепция изучалась в ответ на Гелиофизический опрос 2012-го года, проходящий каждые 10 лет в Национальной академии наук. Он проводился специалистами из НАСА, промышленности, научных кругов и государственных учреждений, которые определили передовое направление в качестве основного технического барьера для будущего освоения гелиосферы. Опрос, который предложил агентству дорожную карту приоритетов Гелиофизического сообщества на 2013-2022 годы, подчеркнул необходимость двигательных систем, доходящих до края нашей Солнечной системы значительно быстрее, чем было в прошлом.

Для того, чтобы отправить научный зонд в дальнее космическое путешествие, парус должен был бы иметь большую эффективную площадь. Космические путешествия, как правило, измеряются в астрономических единицах или расстоянием от Земли до Солнца. На 1 а.е. E-Sail будет иметь эффективную площадь около 232 кв. миль (~600 кв.км) — чуть меньше, чем город Чикаго. Эффективная площадь увеличилась бы до более чем 463 кв. миль (~1200 кв.км) — как Лос-Анджелес или на 5 а.е.

Это увеличение площади привело бы к длительному ускорению — намного превышающему сопоставимые с ним двигательные технологии. Например, когда солнечный парус космического корабля достигнет пояса астероидов на 5 а.е., энергия солнечных фотонов рассеется и ускорение остановится. Вигманн считает, что E-Sail продолжит ускоряться далеко за рамки этого.

"То же самое касается протонов в солнечном ветре", — сказал он. С непрерывным потоком протонов, а также увеличенной площадью, E-Sail продолжит ускоряться до 16-20 а.е. — по крайней мере, в три раза дальше, чем солнечный парус. Это позволит создать более высокую скорость.

В 2012 году Voyager 1 стал первым космическим кораблем НАСА, который когда-либо пересекал гелиопаузу и достигал межзвездного пространства. Запущенному в 1977 году, Voyager 1 потребовалось почти 35 лет, чтобы совершить путешествие в 121 а.е. Целью HERTS является разработка E-Sail, который мог бы совершить то же самое путешествие за менее чем 1/3 того времени.

"Наше исследование показало, что межзвездная миссия зонда осуществляемая с помощью E-Sail может достичь гелиопаузы менее чем за 10 лет", — сказал он. Это может революционизировать научную отдачу подобных типов миссий.

Разработка и тестирование HERTS E-Sail концепции финансируется Директоратом миссии космических технологий НАСА через инновационные программы передовых концепций НАСА, который поощряет воображаемые идеи, которые могли бы трансформировать будущие миссии с созданием принципиально лучших или совершенно новых аэрокосмических концепций. Проекты НИАЦ изучают инновационные, технически надежные, передовые концепции, которые могли бы изменить в один прекрасный день аэрокосмическую отрасль.

Выбранный в 2015 году в качестве Phase II NIAC Fellow, команда HERTS была награждена еще $500 тыс. для дальнейшего тестирования E-Sail, что, возможно, изменит не только путешествие к гелиопаузе, но и в пределах нашей Солнечной системы.

"По мере того, как команда изучила эту концепцию, стало ясно, что конструкция является гибкой и адаптируемой", — сказал Вигманн. Миссия и конструкторы транспортных средств смогут сбалансировать длину провода, количество шин и уровней напряжения в соответствии со своими потребностями — внутрипланетарные, внешнепланетарные или гелиопауза. E-Sail — очень масштабируем.

Рулевое управление может быть достигнуто путем модуляции напряжения шин по отдельности, — в зависимости от того, как повернется космический аппарат. Воздействие на разницу в силе, приложенную к разным участкам E-Sail, даст инженерам возможность управлять космическим аппаратом, подобно парусу лодки.