Как устроены ионные двигатели и почему они не работают в атмосфере Земли
Ионные двигатели создают реактивную тягу, выбрасывая из сопла пучок разогнанных до высоких скоростей ионов. Ионы разгоняются электрическим полем, и за счет их импульса корабль движется в обратную от выброшенных частиц сторону. Скорость истечения рабочего тела из сопла может у таких установок достигать 50 км/с.
Несмотря на такую высокую скорость истечения, современные ионные двигатели имеют очень низкую тягу. Масса ионов, выбрасываемых из сопла, достаточно мала, из-за чего установка не может обеспечить достаточный импульс даже при очень высоких скоростях ионов. Тяга даже самых мощных на сегодня ионных двигателей не превышает сотни ньютонов, тогда как, например, советский жидкостный ракетный двигатель РД-170 имеет тягу на уровне 8 миллионов ньютонов.
Кроме того, даже при равном уровне тяги использовать ионные двигатели будет не очень выгодно: их энергопотребление окажется выше, чем у химических аналогов. К тому же создавать такие установки сложнее и дороже. Малая тяга — одна из причин, по которым аппарат на ионных двигателях не сможет взлететь в земной атмосфере.
Другая причина — необходимость использования в качестве рабочего тела двигателя разряженного газа. Обычно в качестве рабочего тела используют атомы тяжелых благородных газов, таких как ксенон. Однако если попытаться запустить ионный двигатель в плотной земной атмосфере, никакого разгона ионов не получится — ионизироваться будут атмосферные газы, и между электродами появится дуга. Вместо разгона ионов будет греться окружающий воздух, и электроэнергия потратится впустую.
Эти установки разгоняют ионы до высоких скоростей и ускоряются за счет их выброса из сопла. Но в земной атмосфере существующие ионные двигатели работать не смогут. И на то есть несколько причин