Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как работает ионный двигатель

Как работает ионный двигатель

X-37B испытает новый ионный двигатель

Ионный двигатель вовсе не фантастика и даже не какое-то далекое будущее. Они работают уже давно, и работают успешно примерно с 1964 года. Это год первой демонстрации такого двигателя в космосе. А сама идея ионного двигателя была выдвинута еще в 1917 году. Единственная проблема такого двигателя, пока работать он может только в космосе.

Как работает ионный двигатель

Принцип работы ионного двигателя

Такой двигатель является реактивным так же как и знакомый ракетный двигатель, только вместо сжигания топлива используется ионизация газа. А в остальном принцип тот же, принцип реактивного движения основанный на Третьем законе Ньютона. А если по-простому, то аппарат двигает вперед поток ионов выбрасываемых из двигателя.

А теперь подробнее о принципе работы ионного двигателя. В «камеру сгорания» подается инертный газ (обычно аргон или ксенон), при помощи потока электронов этот газ ионизируется. Далее электроны улавливаются специальными устройствами, а положительно заряженные ионы двигаются к решеткам с очень большой разницей потенциалов. Из-за разницы потенциалов ионы разгоняются и выбрасываются из сопла создавая реактивную тягу.

Ранее пойманные электроны (отрицательно заряженные, если вы уже забыли) выбрасываются в вдогонку и под углом к потоку ионов, чтобы нейтрализовать их заряд, иначе часть ионов могут притянутся к корпусу двигателя уменьшив его тягу. Принцип работы ионного двигателя на самом деле прост, но всегда есть какое-то «но»…

Достоинства и недостатки

Все довольно просто, но есть некоторые недостатки.

Ионный двигатель создает очень большой удельный импульс но очень маленькую тягу обусловленную массой выбрасываемых частиц. Это значит, что разогнать космический корабль он может, но ускорение будет небольшим и на его создание уйдет очень много времени.

Поэтому сейчас такие двигатели используются только в космосе, где нет сопротивления воздуха и на небольших объектах вроде спутников, либо для пространственной ориентации более крупных объектов.

Ионный двигатель в работе

Но в марте 2015 года на орбиту был запущен космолет X-37B, который должен испытать ионный двигатель на эффекте Холла. Такой двигатель работает по тому же принципу, что и обычный, за исключением того, что ускорение происходит благодаря эффекту Холла, что позволяет несколько увеличить его тягу и не использовать решетки для притяжения и разгона ионов.

В 2003 двигатель на эффекте Холла был впервые использован в качестве основного на автоматической станции SMART-1 весом в 370 кг европейского космического агенства, но сам двигатель был создан в московском КБ «Факел». Теперь ионный двигатель ждет испытание на намного более массивном X-37.

Главным достоинством ионного двигателя является время его работы. Такой двигатель может работать очень долго благодаря низкому потреблению газа и все время своей работы он будет разгонять космический аппарат. Например, двигатель NEXT (NASA’s Evolutionary Xenon Thruster) проработал в космосе рекордное время — 5,5 лет или 48 000 часов, использовав всего 870 кг ксенона, в случае стандартного химического двигателя потребовалось бы 10 тонн топлива.

Рекорд по скорости также принадлежит ионному двигателю. Аппарат Dawn запущенный Nasa для исследования карликовой планеты Цереры, разогнался до скорости 11,46 км/с без использования гравитационных маневров.

Судя по всему, именно у ионных двигателей наибольшие перспективы стать в будущем маршевыми двигателями для межпланетных полетов.

Ионные двигатели «Центра Келдыша» будут испытаны через 5 лет

Ионные двигатели, разработанные в исследовательском центре имени Келдыша, пройдут космические испытания в 2025-2030 годах. Эксперты называют эти работы самыми перспективными для освоения дальнего космоса и осуществления межпланетных перелетов.

Сотрудники унитарного предприятия назвали параметры разработки: мощность от 200 Вт до 35 кВт, срок службы до 15 лет. При этом в исследовательском центре уже планируется система мощностью до 100 кВт. Предполагается, что двигатели малой мощности будут использоваться в низкоорбитальных малых космических аппаратах, высокой мощности — в тяжелых транспортных системах.

Об устройстве и значении ионных двигателей журналу «Новый оборонный заказ. Стратегии» рассказал Председатель Секции истории авиации и космонавтики СПбФ ИИЕТ РАН, заместитель председателя СПбО Русского Космического Общества Виталий Лебедев:

Ионный двигатель — один из типов электрического ракетного двигателя. Его принцип работы основан на создании реактивной тяги истекающим ионизированным газом, который разгоняется до высоких скоростей электрическим полем. То есть ионная двигательная установка (ДУ) характеризуется малой тягой и высоким удельным импульсом.

Достоинства таких двигателей — малый расход рабочего тела (топлива, в основном это инертные газы — аргон, ксенон и т.п.) и продолжительное время функционирования. Недостаток — ничтожная тяга по сравнению с обычными химическими ДУ. Поэтому ионные ДУ не могут применяться для старта с планеты, там, где необходимо преодоление сил гравитации, а используются в безвоздушном пространстве (космосе) для управления космическими аппаратами, рассчитанными на длительное функционирование при ограниченных размерах. В основном, это системы ориентации и положения искусственных спутников на орбите, или на небольших автоматических космических станциях, в качестве основного тягового двигателя.

При достаточно долгой работе, например в ходе межпланетного перелета, ионный двигатель способен разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким другим существующим видам двигательных установок. Переводя на автомобильный язык, это эффективный и экономичный двигатель для крейсерского режима движения. Ресурс работы ионных ДУ составляет от 10 тысяч до 100 тысяч часов, сейчас и у нас, и за рубежом ведутся работы по увеличению мощности таких двигателей.

Впервые идея подобного двигателя была выдвинута фантастами в 1910 году (роман Дональда В.Хорнера «Аэроплан к солнцу: приключения авиатора и его друзей»). Теоретическую базу создания таких ДУ впервые сформулировал Роберт Годдард в 1917 году. Но лишь в 1954 году Эрнст Штулингер сделал необходимые расчёты.

В 1930-х годах в Ленинграде уже велись работы над электроракетными двигателями, разновидностью которых стали ионные ДУ, основной прорыв произошел в конце 1950-х. И уже в 1964-м году на советский КА «Зонд-2» был установлен в том числе плазменно-эрозионный двигатель конструкции А.М. Андрианова. Он работал как двигатель ориентации и питался от солнечных батарей.

Сегодня при планировании дальнейшего освоения космического пространства, а также перспектив межпланетных исследований разработка подобных ДУ вместе с развитием ядерно-энергетических установок становится самым перспективным направлением исследований.

Ионный двигатель

Ионный двигатель

Ионный двигатель NSTAR американской АМС Deep Space 1
Типэлектрический ракетный двигатель
Топливоионизированный инертный газ
Использование
Время эксплуатацииболее 3 лет [1]
Применениеуправление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли; главный тяговый двигатель небольших автоматических космических станций [1]
Массогабаритные
характеристики
Рабочие характеристики
Тяга20—250 мН [1]
Потребляемая мощность1—7 кВт
КПД0,6-0,8 (60-80%)
Скорость истечения20—50 км/с
Медиафайлы на Викискладе

Ионный двигатель — тип электрического ракетного двигателя, принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле [1] . Достоинством этого типа двигателей является малый расход топлива и продолжительное время функционирования (максимальный срок непрерывной работы самых современных образцов ионных двигателей составляет более трёх лет) [1] . Недостатком ионного двигателя является ничтожная по сравнению с химическими двигателями тяга [1] . По сравнению с двигателями с ускорением в магнитном слое ионный двигатель обладает большим энергопотреблением при равном уровне тяги. Ионные двигатели используют повышенные напряжения, обладают более сложной схемой и конструкцией, что усложняет решение задачи обеспечения высокой надёжности и электрической прочности двигателя. [2]

Читать еще:  Что такое двигатель д4д

Сфера применения: управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли (некоторые спутники оснащены десятками маломощных ионных двигателей) и использование в качестве главного тягового двигателя небольших автоматических космических станций [1] .

Ионному двигателю в настоящее время принадлежит рекорд негравитационного ускорения космического аппарата в космосе — Deep Space 1 смог увеличить скорость аппарата массой около 370 кг на 4,3 км/с, израсходовав 74 кг ксенона [1] . Этот рекорд был побит космическим аппаратом Dawn: впервые — 5 июня 2010 года [3] , а к сентябрю 2016 года набрана скорость уже в 39 900 км/ч [4] (11,1 км/с).

Ионный двигатель характеризуется малой тягой и высоким удельным импульсом. Ресурс работы оценивается в диапазоне 10 тысяч — 100 тысяч часов. В настоящее время разрабатывается новое поколение ионных двигателей, рассчитанных на расход 450 килограммов ксенона, чего хватит на 22 тысячи часов работы при максимальном форсаже. Причинами отказа могут стать износ ионной оптики, катодной диафрагмы и держателя для плазмы, истощение рабочего материала в каждой катодной вставке и откол материала в разрядной камере. Согласно проведённым тестам при удельном импульсе больше 2000 s первым произойдёт структурный отказ ионной оптики при использовании 750 килограммов топлива, что в 1,7 раза превышает квалификационные требования. При удельном импульсе меньше 2000 s прототип может удвоить расход потребляемого топлива [5] .

Содержание

  • 1 Принцип действия
  • 2 История
  • 3 Культура
  • 4 Миссии
    • 4.1 Действующие миссии
    • 4.2 Завершённые миссии
    • 4.3 Планируемые миссии
    • 4.4 Нереализованные миссии
    • 4.5 Проект Джефри Лэндиса
  • 5 См. также
  • 6 Примечания
  • 7 Литература
  • 8 Ссылки

Принцип действия [ | ]

Принцип работы двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. При этом, благодаря высокому отношению заряда к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей (вплоть до 210 км/с [6] , по сравнению с 3—4,5 км/с у химических ракетных двигателей). Таким образом, в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса. Это позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа по сравнению с расходом реактивной массы в химических ракетах, но требует больших затрат энергии. Технические характеристики ионного двигателя: потребляемая мощность 1—7 кВт, скорость истечения ионов 20—50 км/с, тяга 20—250 мН, КПД 60—80 %, время непрерывной работы более трёх лет. В существующих реализациях ионного двигателя в качестве источника энергии, необходимой для ионизации топлива, используются солнечные батареи. [1]

Рабочим телом, как правило, является ионизированный инертный газ (аргон, ксенон и т. п.), но иногда и ртуть. В ионизатор подаётся топливо, которое само по себе нейтрально, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом, в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны. Положительные ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из двух или трёх сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 Вольт на внутренней против -225 Вольт на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона. Электроны, пойманные в катодную трубку, выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается, во-первых, для того, чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным, а во-вторых, чтобы ионы, «нейтрализованные» таким образом, не притягивались обратно к кораблю [1] .

Недостаток двигателя в его нынешних реализациях — очень слабая тяга (порядка 50—100 миллиньютонов). Таким образом, нет возможности использовать ионный двигатель для старта с планеты, но, с другой стороны, в условиях невесомости, при достаточно долгой работе двигателя, есть возможность разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих видов двигателей.

История [ | ]

Ионный двигатель является первым хорошо отработанным на практике типом электрического ракетного двигателя. Концепция ионного двигателя была выдвинута в 1917 году Робертом Годдардом [7] , а в 1954 году Эрнст Штулингер ru en детально описал эту технологию, сопроводив её необходимыми вычислениями [8] .

В 1955 году Алексей Иванович Морозов написал, а в 1957 году опубликовал в ЖЭТФ статью «Об ускорении плазмы магнитным полем» [9] [10] . Это дало толчок к исследованиям, и уже в 1964 году на советском аппарате «Зонд-2» первым таким устройством, выведенным в космос, стал плазменно-эрозионный двигатель конструкции А. М. Андрианова. Он работал в качестве двигателя ориентации с питанием от солнечных батарей [11] .

Первый американский функционирующий ионный электростатический двигатель (создан в США в НАСА John H. Glenn Research Center at Lewis Field) был построен под руководством Гарольда Кауфмана ru en в 1959 году. В 1964 году прошла первая успешная демонстрация ионного двигателя в суборбитальном полёте (SERT-1) [1] . Двигатель успешно работал в течение запланированной 31 минуты. В 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II) [12] . Малая тяга и низкий КПД надолго отвадили американских конструкторов от применения электрических и ионных двигателей.

Тем временем в Советском Союзе продолжалась разработка и улучшались характеристики. Были разработаны и применялись различные типы ионных двигателей на различных типах космических аппаратов. Двигатели СПД-25 тягой 25 миллиньютон, СПД-100 [13] , и другие серийно устанавливались на советские спутники с 1982 года [14] .

В качестве основного (маршевого) двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1 (первый запуск двигателя — 10 ноября 1998 г.). Следующими аппаратами стали европейский лунный зонд Смарт-1, запущенный 28 сентября 2003 года [15] , и японский аппарат Хаябуса, запущенный к астероиду Итокава в мае 2003 года [1] .

Следующим аппаратом НАСА, обладающим маршевыми ионными двигателями, стала (после ряда замораживаний и возобновления работ) АМС Dawn, которая стартовала 27 сентября 2007 года. Dawn предназначен для изучения Весты и Цереры и несёт три двигателя NSTAR, успешно испытанных на Deep Space 1 [1] .

Европейское Космическое Агентство установило ионный двигатель на борту спутника GOCE, запущенного 17 марта 2009 года на сверхнизкую околоземную орбиту высотой около 260 км. Ионный двигатель создаёт в постоянном режиме импульс, компенсирующий атмосферное трение и другие негравитационные воздействия на спутник [1] .

Культура [ | ]

Впервые ионный двигатель появился в фантастике в 1910 году — в романе Дональда В. Хорнера «Аэроплан к солнцу: приключения авиатора и его друзей» [16] [17] . Ионный двигатель широко представлен в фантастической литературе, компьютерных играх и кинематографе (так, в «Звёздных войнах» экономичный ионный двигатель развивает скорость до трети световой и используется для перемещения в обычном пространстве на небольшие по космическим меркам расстояния — например, в пределах планетарной системы [18] ), но для практической космонавтики стал доступен только во второй половине XX века. Реальный ионный двигатель по своим техническим характеристикам (и в первую очередь по силе тяги) значительно уступает своим литературным прообразам (так, Эдгард Чуэйри образно сравнивает ионный двигатель с автомобилем, которому нужно двое суток для разгона с 0 до 100 км/ч) [1] .

Читать еще:  Гранта сколько обкатка двигателя

Миссии [ | ]

Действующие миссии [ | ]

  • Starlink — проект компании Илона МаскаSpaceX по выведению спутников на околоземную орбиту для создания глобальной сети интернет. Технология используется для маневрирования спутников и избежания их столкновения с космическим мусором [источник не указан 820 дней] .
  • Artemis[15]
  • Хаябуса-2
  • BepiColombo. Запущен 20 октября 2018 года. ЕКА использует ионный двигатель в этой меркурианской миссии, наряду с гравитационными манёврами и химическим двигателем для перехода на орбиту вокруг Меркурия в качестве искусственного спутника [15] . На аппарате работают самые мощные на сегодняшний день 4 ионных двигателя суммарной тягой 290 мН[19] .
  • Тяньхэ — базовый модуль Китайской космической станции, запущенный 29 апреля 2021, имеет 4 ионных двигателя для коррекции орбиты [20] .

Завершённые миссии [ | ]

  • SERT (англ. Space Electric Rocket Test, рус. Тест Космического Электрического Двигателя — программа NASA, в которой на спутниках впервые был использован ионный двигатель)
  • Deep Space 1
  • Hayabusa (вернулся на Землю 13 июня 2010 года)
  • Smart 1 (завершил миссию 3 сентября 2006 года, после чего был сведён с орбиты)
  • GOCE (после исчерпания запасов рабочего тела сошёл с орбиты)
  • LISA Pathfinder (ЕКА) использовал ионные двигатели в качестве вспомогательных для точного контроля высоты; деактивирован 30 июня 2017.
  • Dawn. 1 ноября 2018 года аппарат исчерпал все запасы топлива для маневрирования и ориентации, его миссия, длившаяся 11 лет, была официально завершена.

Планируемые миссии [ | ]

  • Международная космическая станция. По состоянию на март 2011 года планировалась доставка на МКС электромагнитного двигателя (VASIMR) Ad Astra VF-200 с мощностью в 200 кВт VASIMR. VF-200 представляет собой версию VX-200[21] . Поскольку доступная электрическая мощность на МКС меньше 200 кВт, проект ISS VASIMR включал в себя систему батарей, которая накапливала энергию для 15 минут работы двигателя.
  • Solar Orbiter.

Нереализованные миссии [ | ]

NASA ввело проект «Прометей», для которого разрабатывался мощный ионный двигатель, питающийся электричеством от бортового ядерного реактора. Предполагалось, что такие двигатели в количестве восьми штук могли бы разогнать аппарат до 90 км/с. Первый аппарат этого проекта Jupiter Icy Moons Explorer планировалось от к Юпитеру в 2017 году, однако разработка этого аппарата была приостановлена в 2005 году из-за технических сложностей. В 2005 году программа была закрыта [22] . В настоящее время идёт поиск более простого проекта АМС для первого испытания по программе «Прометей» [23] .

Проект Джефри Лэндиса [ | ]

Geoffrey A. Landis ru en предложил проект межзвёздного зонда с ионным двигателем, получающим энергию через лазер от базовой станции, что даёт некоторое преимущество по сравнению с чисто космическим парусом. В настоящее время данный проект неосуществим из-за технических ограничений — например, он потребует силы тяги от ионных двигателей в 1570 Н при нынешних 20—250 мН [24] (по другим данным рекорд тяги у современных ионных двигателей 5,4 Н [25] ).

Ионный двигатель

Ионный двигатель

Ионный двигатель NSTAR американской АМС Deep Space 1
Типэлектрический ракетный двигатель
Топливоионизированный инертный газ
Использование
Время эксплуатацииболее 3 лет [1]
Применениеуправление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли; главный тяговый двигатель небольших автоматических космических станций [1]
Массогабаритные
характеристики
Рабочие характеристики
Тяга20—250 мН [1]
Потребляемая мощность1—7 кВт
КПД0,6-0,8 (60-80%)
Скорость истечения20—50 км/с
Медиафайлы на Викискладе

Ионный двигатель — тип электрического ракетного двигателя, принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле [1] . Достоинством этого типа двигателей является малый расход топлива и продолжительное время функционирования (максимальный срок непрерывной работы самых современных образцов ионных двигателей составляет более трёх лет) [1] . Недостатком ионного двигателя является ничтожная по сравнению с химическими двигателями тяга [1] . По сравнению с двигателями с ускорением в магнитном слое ионный двигатель обладает большим энергопотреблением при равном уровне тяги. Ионные двигатели используют повышенные напряжения, обладают более сложной схемой и конструкцией, что усложняет решение задачи обеспечения высокой надёжности и электрической прочности двигателя. [2]

Сфера применения: управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли (некоторые спутники оснащены десятками маломощных ионных двигателей) и использование в качестве главного тягового двигателя небольших автоматических космических станций [1] .

Ионному двигателю в настоящее время принадлежит рекорд негравитационного ускорения космического аппарата в космосе — Deep Space 1 смог увеличить скорость аппарата массой около 370 кг на 4,3 км/с, израсходовав 74 кг ксенона [1] . Этот рекорд был побит космическим аппаратом Dawn: впервые — 5 июня 2010 года [3] , а к сентябрю 2016 года набрана скорость уже в 39 900 км/ч [4] (11,1 км/с).

Ионный двигатель характеризуется малой тягой и высоким удельным импульсом. Ресурс работы оценивается в диапазоне 10 тысяч — 100 тысяч часов. В настоящее время разрабатывается новое поколение ионных двигателей, рассчитанных на расход 450 килограммов ксенона, чего хватит на 22 тысячи часов работы при максимальном форсаже. Причинами отказа могут стать износ ионной оптики, катодной диафрагмы и держателя для плазмы, истощение рабочего материала в каждой катодной вставке и откол материала в разрядной камере. Согласно проведённым тестам при удельном импульсе больше 2000 s первым произойдёт структурный отказ ионной оптики при использовании 750 килограммов топлива, что в 1,7 раза превышает квалификационные требования. При удельном импульсе меньше 2000 s прототип может удвоить расход потребляемого топлива [5] .

Содержание

  • 1 Принцип действия
  • 2 История
  • 3 Культура
  • 4 Миссии
    • 4.1 Действующие миссии
    • 4.2 Завершённые миссии
    • 4.3 Планируемые миссии
    • 4.4 Нереализованные миссии
    • 4.5 Проект Джефри Лэндиса
  • 5 См. также
  • 6 Примечания
  • 7 Литература
  • 8 Ссылки

Принцип действия

Принцип работы двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. При этом, благодаря высокому отношению заряда к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей (вплоть до 210 км/с [6] , по сравнению с 3—4,5 км/с у химических ракетных двигателей). Таким образом, в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса. Это позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа по сравнению с расходом реактивной массы в химических ракетах, но требует больших затрат энергии. Технические характеристики ионного двигателя: потребляемая мощность 1—7 кВт, скорость истечения ионов 20—50 км/с, тяга 20—250 мН, КПД 60—80 %, время непрерывной работы более трёх лет. В существующих реализациях ионного двигателя в качестве источника энергии, необходимой для ионизации топлива, используются солнечные батареи. [1]

Рабочим телом, как правило, является ионизированный инертный газ (аргон, ксенон и т. п.), но иногда и ртуть. В ионизатор подаётся топливо, которое само по себе нейтрально, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом, в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны. Положительные ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из двух или трёх сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 Вольт на внутренней против -225 Вольт на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона. Электроны, пойманные в катодную трубку, выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается, во-первых, для того, чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным, а во-вторых, чтобы ионы, «нейтрализованные» таким образом, не притягивались обратно к кораблю [1] .

Читать еще:  Что такое звездочки в двигателе

Недостаток двигателя в его нынешних реализациях — очень слабая тяга (порядка 50—100 миллиньютонов). Таким образом, нет возможности использовать ионный двигатель для старта с планеты, но, с другой стороны, в условиях невесомости, при достаточно долгой работе двигателя, есть возможность разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих видов двигателей.

История

Ионный двигатель является первым хорошо отработанным на практике типом электрического ракетного двигателя. Концепция ионного двигателя была выдвинута в 1917 году Робертом Годдардом [7] , а в 1954 году Эрнст Штулингер ru en детально описал эту технологию, сопроводив её необходимыми вычислениями [8] .

В 1955 году Алексей Иванович Морозов написал, а в 1957 году опубликовал в ЖЭТФ статью «Об ускорении плазмы магнитным полем» [9] [10] . Это дало толчок к исследованиям, и уже в 1964 году на советском аппарате «Зонд-2» первым таким устройством, выведенным в космос, стал плазменно-эрозионный двигатель конструкции А. М. Андрианова. Он работал в качестве двигателя ориентации с питанием от солнечных батарей [11] .

Первый американский функционирующий ионный электростатический двигатель (создан в США в НАСА John H. Glenn Research Center at Lewis Field) был построен под руководством Гарольда Кауфмана ru en в 1959 году. В 1964 году прошла первая успешная демонстрация ионного двигателя в суборбитальном полёте (SERT-1) [1] . Двигатель успешно работал в течение запланированной 31 минуты. В 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II) [12] . Малая тяга и низкий КПД надолго отвадили американских конструкторов от применения электрических и ионных двигателей.

Тем временем в Советском Союзе продолжалась разработка и улучшались характеристики. Были разработаны и применялись различные типы ионных двигателей на различных типах космических аппаратов. Двигатели СПД-25 тягой 25 миллиньютон, СПД-100 [13] , и другие серийно устанавливались на советские спутники с 1982 года [14] .

В качестве основного (маршевого) двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1 (первый запуск двигателя — 10 ноября 1998 г.). Следующими аппаратами стали европейский лунный зонд Смарт-1, запущенный 28 сентября 2003 года [15] , и японский аппарат Хаябуса, запущенный к астероиду Итокава в мае 2003 года [1] .

Следующим аппаратом НАСА, обладающим маршевыми ионными двигателями, стала (после ряда замораживаний и возобновления работ) АМС Dawn, которая стартовала 27 сентября 2007 года. Dawn предназначен для изучения Весты и Цереры и несёт три двигателя NSTAR, успешно испытанных на Deep Space 1 [1] .

Европейское Космическое Агентство установило ионный двигатель на борту спутника GOCE, запущенного 17 марта 2009 года на сверхнизкую околоземную орбиту высотой около 260 км. Ионный двигатель создаёт в постоянном режиме импульс, компенсирующий атмосферное трение и другие негравитационные воздействия на спутник [1] .

Культура

Впервые ионный двигатель появился в фантастике в 1910 году — в романе Дональда В. Хорнера «Аэроплан к солнцу: приключения авиатора и его друзей» [16] [17] . Ионный двигатель широко представлен в фантастической литературе, компьютерных играх и кинематографе (так, в «Звёздных войнах» экономичный ионный двигатель развивает скорость до трети световой и используется для перемещения в обычном пространстве на небольшие по космическим меркам расстояния — например, в пределах планетарной системы [18] ), но для практической космонавтики стал доступен только во второй половине XX века. Реальный ионный двигатель по своим техническим характеристикам (и в первую очередь по силе тяги) значительно уступает своим литературным прообразам (так, Эдгард Чуэйри образно сравнивает ионный двигатель с автомобилем, которому нужно двое суток для разгона с 0 до 100 км/ч) [1] .

Миссии

Действующие миссии

  • Starlink — проект компании Илона МаскаSpaceX по выведению спутников на околоземную орбиту для создания глобальной сети интернет. Технология используется для маневрирования спутников и избежания их столкновения с космическим мусором [источник не указан 820 дней] .
  • Artemis[15]
  • Хаябуса-2
  • BepiColombo. Запущен 20 октября 2018 года. ЕКА использует ионный двигатель в этой меркурианской миссии, наряду с гравитационными манёврами и химическим двигателем для перехода на орбиту вокруг Меркурия в качестве искусственного спутника [15] . На аппарате работают самые мощные на сегодняшний день 4 ионных двигателя суммарной тягой 290 мН[19] .
  • Тяньхэ — базовый модуль Китайской космической станции, запущенный 29 апреля 2021, имеет 4 ионных двигателя для коррекции орбиты [20] .

Завершённые миссии

  • SERT (англ. Space Electric Rocket Test, рус. Тест Космического Электрического Двигателя — программа NASA, в которой на спутниках впервые был использован ионный двигатель)
  • Deep Space 1
  • Hayabusa (вернулся на Землю 13 июня 2010 года)
  • Smart 1 (завершил миссию 3 сентября 2006 года, после чего был сведён с орбиты)
  • GOCE (после исчерпания запасов рабочего тела сошёл с орбиты)
  • LISA Pathfinder (ЕКА) использовал ионные двигатели в качестве вспомогательных для точного контроля высоты; деактивирован 30 июня 2017.
  • Dawn. 1 ноября 2018 года аппарат исчерпал все запасы топлива для маневрирования и ориентации, его миссия, длившаяся 11 лет, была официально завершена.

Планируемые миссии

  • Международная космическая станция. По состоянию на март 2011 года планировалась доставка на МКС электромагнитного двигателя (VASIMR) Ad Astra VF-200 с мощностью в 200 кВт VASIMR. VF-200 представляет собой версию VX-200[21] . Поскольку доступная электрическая мощность на МКС меньше 200 кВт, проект ISS VASIMR включал в себя систему батарей, которая накапливала энергию для 15 минут работы двигателя.
  • Solar Orbiter.

Нереализованные миссии

NASA ввело проект «Прометей», для которого разрабатывался мощный ионный двигатель, питающийся электричеством от бортового ядерного реактора. Предполагалось, что такие двигатели в количестве восьми штук могли бы разогнать аппарат до 90 км/с. Первый аппарат этого проекта Jupiter Icy Moons Explorer планировалось отправить к Юпитеру в 2017 году, однако разработка этого аппарата была приостановлена в 2005 году из-за технических сложностей. В 2005 году программа была закрыта [22] . В настоящее время идёт поиск более простого проекта АМС для первого испытания по программе «Прометей» [23] .

Проект Джефри Лэндиса

Geoffrey A. Landis ru en предложил проект межзвёздного зонда с ионным двигателем, получающим энергию через лазер от базовой станции, что даёт некоторое преимущество по сравнению с чисто космическим парусом. В настоящее время данный проект неосуществим из-за технических ограничений — например, он потребует силы тяги от ионных двигателей в 1570 Н при нынешних 20—250 мН [24] (по другим данным рекорд тяги у современных ионных двигателей 5,4 Н [25] ).

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector