Sw-motors.ru

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

Займут ли ионные двигатели главенствующее положение в открытом космосе

Займут ли ионные двигатели главенствующее положение в открытом космосе?

В конце 2011 года НАСА рассказала о планах провести конкурс по разработке концепции систем из ионных двигателей для космических кораблей, которые будут работать от солнечных батарей. Чуть позже космическое агентство заключило пять контрактов с компаниями, обязавшимися за 600 тысяч долларов предоставить через четыре месяца концепцию «буксира», который будет оснащаться ионными двигателями.

В список этих компаний вошли Ball Aerospace & Technologies, Analytical Mechanics Associates, Lockheed Martin, Boeing и Northrop Grumman. После того как они проведут презентации своих концепций, специалистами из НАСА будет проведен анализ возможных путей по преодолению возможных технических трудностей и ряд экспериментов по проверке ключевых технических решений.

Обычные ракеты, оснащенные химическими двигателями, которые используются уже более полувека, могут оторвать от Земли груз и вывести его в космос. Однако стоит это огромных средств, что сдерживает освоение космоса. Напротив, ионные двигатели, которые тоже используют уже несколько десятилетий, сулят другие перспективы. Они обладают сравнительно небольшой тягой, поэтому не могут использоваться для вывода на орбиту грузов. Однако они обладают способностью разогнать продукты сгорания, которые они выбрасывают, до огромных скоростей, в десятки раз превышающие те, что могут достичь химические РД. Из-за этого для того, чтобы создать импульс им необходимо выбросить намного меньше вещества. Поэтому в условиях открытого космоса они экономичнее, чем обычные ракеты.

В планах НАСА обеспечивать обычными носителями вывод груза на околоземную орбиту, где дальнейшей транспортировкой займется буксир, оснащенный ионными двигателями, выведя их на высокие орбиты – геостационарные или первую точку Лагранжа. В дальнейшем аппараты подобного типа можно будет применять для отправления корабля в межпланетное пространство. А на орбитах близких к Земле, ои могут заниматься буксировкой коммерческих спутников, которые близко подошли к атмосфере, увеличивая таким образом срок их жизни.

Такие буксиры могут сыграть решающее значение в освоении Солнечной системы. Достигнув точки Лагранжа, на корабль больше не действует земное притяжение, и ДСБ могут спокойно «тянуть» аппараты в отдаленные районы космоса.

Стоит отметить, что один из участников конкурса, Northrop Grumman сообщил о старте работ по разработке альтернативных источников питания в дополнении к существующим солнечным батареям. Новая концепция, предложенная компанией, может масштабировать данные системы до мощности в 300 кВт, что является выдающимся результатом.

Таким образом, первых результатов коллективного «мозгового штурма» можно ожидать в ближайшие месяцы. Однако уже сейчас можно отметить ключевые проблемы, которые придется решать разработчикам. Первая – это рассеянность солнечной энергии в космосе, что требует создания больших по размеру батарей. А чтобы сохранить возможность движения в тени Земли, ДСБ будут нужны дополнительные аккумуляторы, что еще больше увеличит все аппарата. Это естественно приведет к ограничениям его возможностей по дешевой и быстрой транспортировке различных грузов. Вывод подобного аппарата, используя обычные ракеты, будет довольно затратным. Также проблематично использование солнечных батарей уже за орбитой Марса, так как интенсивность излучения падает.

Ионные двигатели уже довольно длительное время применяются в космических аппаратах для того, чтобы стабилизировать орбиту, проводить небольшое маневрирование. Многие исследовательские зонды, «Хаябус» в том числе, даже использовали их в качестве маршевых. Однако в данный момент использовать ионные двигатели с питанием от солнечных батарей для грузовых машин нецелесообразно. Им попросту не хватит солнечной энергии для создания требуемой тяги.

К слову, именно это и заставило США и СССР рассматривать возможности по использованию ядерных реакторов в космических кораблях. СССР развалился, а в США свернули проект «Прометей» в 2005 году из-за финансовых затруднений. Естественно, что производство подобных кораблей крайне нежелательно, ведь любая авария в атмосфере приведет к выбросам радиоактивных материалов. НАСА сделал ставку на «солнечное» питание, а это значит, что американских разработчикам предстоит проделать непростую работу.

Ионный ракетный двигатель

Ионный ракетный двигатель

Ионный ракетный двигатель – ракетный двигатель, являющийся разновидностью электрических ракетных двигателей, рабочим телом которого является ионизированный газ. Конструктивно состоит из нескольких элементов: ионизатор рабочего тела, электростатическая ускоряющая система, система нейтрализации потока рабочего тела.

Первые идеи о возможности использования заряженных частиц для создания тяги были выдвинуты еще К. Э. Циолковским. Об этом же говорил и Годдард в 1906 г. Уже в 1923 г. была предложена первая конструкция ионного двигателя, после которой последовало еще несколько теоретических разработок. Распространенной является схема, использующая контактную ионизацию, появляющуюся при соприкосновении паров рабочего тела, имеющего низкие значения потенциала ионизации, с металлической поверхностью, разогретой до определенной температуры. Ускоряющая система может представлять собой два электрода с зазором около 5 мм, к которым приложена большая разность потенциалов. Нередко применяется схема, в которой в качестве положительного электрода задействованы ионы, что приводит к их ускорению сразу же после образования. Принцип работы ионного двигателя заключается в разгоне ионизированного газа электростатическим полем, в результате чего можно разогнать ионы до 200 км/с, в сравнении с 4 км/с – параметром, характеризующим химические ракетные двигатели. То есть данный тип ракетных двигателей может дать очень хороший удельный импульс, что позволяет существенно сэкономить на расходе реактивной массы газа.

Недостатком является очень слабая тяга, которая не позволяет использовать ионные двигатели в качестве стартовых, но не запрещает применять их в космическом пространстве, где за счет продолжительной работы можно добиться прекрасных значений скорости. Для использования в дальнем космосе необходимо пересмотреть систему поддержки работы двигателя для замены солнечных батарей на ядерные установки. Первый ионный электростатический двигатель был создан в 1960 г. в американском Lewis Research Centre.

В 1970-х гг. ионные двигатели успешно используются Советским Союзом в качестве навигационных двигателей на спутниках «Космос», «Метеор», «Луч». Аппаратом, обладающим маршевыми ионными двигателями, должна стать американская автоматическая станция Dawn, которая предназначена для изучения астероидов.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Читайте также

Авиационный ракетный двигатель

Авиационный ракетный двигатель Авиационный ракетный двигатель – двигатель прямой реакции, преобразующий какой-либо вид первичной энергии в кинетическую энергию рабочего тела и создающий реактивную тягу. Сила тяги приложена непосредственно к корпусу ракетного

Воздушно-ракетный двигатель

Воздушно-ракетный двигатель Воздушно-ракетный двигатель представляет собой комбинированный воздушно-реактивный и ракетный двигатель. При создании комбинированного двигателя руководствовались возможностью сочетать характеристики обоих типов прямоточных двигателей

Вспомогательный ракетный двигатель

Вспомогательный ракетный двигатель Вспомогательный ракетный двигатель – разновидность ракетных двигателей, используемых для решения каких-либо конкретных задач. Отличается небольшими размерами и маленьким весом, что позволяет добавить полезного груза на борт и

Высокочастотный ракетный двигатель

Высокочастотный ракетный двигатель Высокочастотный ракетный двигатель – разновидность электротермического ракетного

Газовый ракетный двигатель

Газовый ракетный двигатель Газовый ракетный двигатель – ракетный двигатель, который использует в качестве рабочего тела газ. Газ сохраняют под высоким давлением либо могут получать испарением жидких или твердых веществ. Конструктивно может быть предусмотрена

Гелиотермический ракетный двигатель

Гелиотермический ракетный двигатель Гелиотермический ракетный двигатель – разновидность солнечных ракетных двигателей.Использование энергии солнечных лучей в работе ракетных двигателей существенно повышает экономичность космических полетов. Ф. А. Цандер в своих

Жидкостный ракетный двигатель

Жидкостный ракетный двигатель Жидкостный ракетный двигатель – разновидность химического ракетного двигателя.В жидкостном ракетном двигателе химическая энергия топлива в камере сгорания преобразуется в тепловую, после чего в выходном сопле происходит преобразование

Импульсный ракетный двигатель

Импульсный ракетный двигатель Импульсный ракетный двигатель – ракетный двигатель, который сообщает аппарату импульс, обусловленный кратковременным созданием значительной тяги. Режим работы такого двигателя состоит из многочисленных коротких по времени импульсов,

Читать еще:  Что такое турбированный бензиновый двигатель

Индукционный ракетный двигатель

Индукционный ракетный двигатель Индукционный ракетный двигатель – разновидность электротермического ракетного двигателя, в котором нагрев рабочего тела осуществляется посредством воздействия высокочастотного магнитного поля, которое создается индукционной

Ионный ракетный двигатель

Ионный ракетный двигатель Ионный ракетный двигатель – ракетный двигатель, являющийся разновидностью электрических ракетных двигателей, рабочим телом которого является ионизированный газ. Конструктивно состоит из нескольких элементов: ионизатор рабочего тела,

Квантовый ракетный двигатель

Квантовый ракетный двигатель Квантовый ракетный двигатель – ракетный двигатель, в котором реактивная струя образуется квантами излучения, фотонами. Возможно применение в межзвездных

Коллоидный ракетный двигатель

Коллоидный ракетный двигатель Коллоидный ракетный двигатель – разновидность электростатических ракетных двигателей. Рабочее тело в двигателях этого типа исполнено в виде положительно заряженных микроскопических частиц, которые по размерам и массе лишь на 5 порядков

Электрические ракетные ионные двигатели

«Электрические ракетные ионные двигатели»

Общая теория электрических ракетных двигателей (ЭРД)

Общие принципы ЭРД

Основоположник космонавтики К.Э. Циолковский впервые в 1911 г. высказал мысль, что с помощью электричества можно придавать громадную скорость частицам, выбрасываемым из реактивного прибора. Позже класс двигателей, основанных на этом принципе, стали называть электрическими ракетными двигателями [10]. Однако до сих пор не существует общепринятого и вполне однозначного определения ЭРД.

В Физическом энциклопедическом словаре ЭРД – это ракетный двигатель, в котором рабочим телом служит ионизированный газ (плазма), ускоряемый преимущественно электромагнитными полями; в энциклопедии «Космонавтика» – это двигатель, в котором в качестве источника энергии для создания тяги используется электрическая энергия, вырабатываемая бортовой энергоустановкой космического аппарата, в Политехническом словаре приводится третий вариант определения ЭРД: это реактивный двигатель, в котором рабочее тело разгоняется до высоких скоростей с использованием электрической энергии.

Наиболее логично электрическими ракетными двигателями называть двигатели, в которых для разгона рабочего тела используется электрическая энергия, причем источник энергии может находиться как на борту космического аппарата (КА), так и вне его. В последнем случае энергия либо непосредственно подводится к ускоряющей системе от внешнего источника, либо передается на КА с помощью сфокусированного пучка электромагнитного излучения.

Такого взгляда на ЭРД придерживались и пионеры космонавтики – Ю.В. Кондратюк, Г. Оберт, Ф.А. Цандер, В.П. Глушко. В работе Ю.В. Кондратюка 1 рассматривался КА, на который падает сконцентрированный луч света, и электрический реактивный двигатель, основанный на электростатическом ускорении крупных заряженных частиц, например, графитового порошка. В той же работе указаны конкретные способы повышения эффективности электродинамического ускорителя массы (ЭДУМ) в применении плазменного контакта и разгона в вакууме. В 1929 г. Г. Оберт 2 описал ионный двигатель. В 1929–1931 гг. впервые был создан и испытан в лаборатории импульсный электротермический ЭРД, автором которого является основоположник ракетного двигателестроения В.П. Глушко. Им же был предложен и сам термин «электрический ракетный двигатель».

Однако дальнейшего развития в тот период работы по ЭРД не получили из-за отсутствия легких и эффективных источников энергии. Эти работы были возобновлены в СССР и за рубежом после запуска в нашей стране в 1957 г. первого искусственного спутника Земли и первого полета в космос в 1961 г. человека – гражданина СССР Ю.А. Гагарина. В эти годы по инициативе С.П. Королева и И.В. Курчатова была принята, комплексная программа научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по ЭРД разных типов. Одновременно были развернуты работы по созданию эффективных источников энергии для КА (солнечные батареи, химические аккумуляторы, топливные элементы, ядерные реакторы, радиоизотопные источники). Основное направление исследований, сформулированных в этой программе, состояло в разработке научных основ и создании высокоэффективных образцов ЭРД, предназначенных для решения задач промышленного освоения околоземного космического пространства и обеспечения научных исследований Солнечной системы.

Наиболее важное значение для формирования современной теории ЭРД имели следующие научно-технические идеи.

Принцип электродинамического ускорения, предложенный в 1957 г. Л.А. Арцимовичем и его сотрудниками [2], был положен в основу ускорителей разных классов – импульсных ЭРД на газообразном и твердом рабочем веществе, стационарных сильноточных ЭРД.

Принцип бездиссипативного ускорения ионов в замагниченной плазме самосогласованным электрическим полем. Этот механизм реализуется в плазменных двигателях с азимутальным дрейфом электронов, в торцевых холловских двигателях, в определенной степени в импульсных двигателях с электромагнитным разгоном плазмы. В наиболее последовательной форме этот метод ускорения реализован в двигателе с анодным слоем (ДАС) – оптимальном варианте двигателей с азимутальным дрейфом электронов. В первоначальной форме идея ДАС была сформулирована А.В. Жариновым в конце 50-х годов; позже на основе этой идеи, дополненной рядом изобретений, были разработаны высокоэффективные двух- и одноступенчатые двигатели с азимутальным дрейфом.

В США Г. Кауфман предложил принцип плазменно-ионного двигателя (ПИД), в котором ионы также разгоняются продольным электрическим полем, однако в отличие от ДАС они предварительно вытягиваются из плазменного разряда с электронами, осциллирующими в продольном магнитном поле. Плазменно-ионный двигатель обладает высоким КПД и ресурсом, но проигрывает ДАС в универсальности и диапазоне регулирования рабочих характеристик.

В связи с проводившимися в последние годы проектными исследованиями космических солнечных электростанций возродился интерес к схемам ЭРД с подводом энергии от внешнего источника. Развивая идеи К.Э. Циолковского и Ю.В. Кондратюка, Г.И. Бабат 1 в 1943 г. предложил использовать энергию, передаваемую на летательный аппарат в виде хорошо сфокусированного пучка СВЧ-излучения с земли или космического аппарата. В 1971 г. А. Кантровиц для тех же целей рассматривал лазерное излучение.

В 1975 г. Дж О’Нейл предложил использовать электродинамический ускоритель массы (ЭДУМ) для транспортировки в космос с поверхности Луны материалов, предназначенных для строительства космических солнечных электростанций. Очевидно, эти проекты ориентированы на решение задач отдаленной перспективы, строительства орбитальных объектов околоземной энергопроизводственной инфраструктуры.

Особенности двигательных установок с малой тягой

Разделение в ЭРД источника энергии и рабочего вещества позволяет преодолеть ограничение, присущее химическим двигателям, – относительно невысокую скорость истечения. Но, с другой стороны, если используется бортовой источник энергии, неизбежно возникает другое ограничение – сравнительно малая тяга. Поэтому, если не рассматривать пока особых случаев, например, световых двигателей, ЭРД следует отнести к классу двигателей малой тяги, которые способны обеспечить лишь небольшое ускорение, а потому пригодны дан выполнения различных транспортных операций непосредственно в космическом пространстве. ЭРД, как правило, – это космические ракетные двигатели малой тяги.

Если, например, двигатель развивает тягу 10 Н,; масса КА 10 т, то создаваемое им ускорение составит 10» 3 м/с 2 , т.е. примерно 10» 4 g (go – ускорение свободного падения на поверхности Земли). Разумеется, такой двигатель не пригоден для выведения космических аппаратов с Земли на орбиты искусственных спутников.

Эта ситуация может измениться, когда будут соз1аны эффективные лазерные двигатели или электродинамические ускорители массы, отличительная особенность которых состоит в том, что источник энергии не обязательно находится на борту КА. В этом случае должно говорить об ЭРД, который обеспечивает высокую скорость истечения и большое ускорение одновременно.

Чтобы выявить другие специфические особенности ЭРД как космических двигателей, рассмотрим задачу перехода между двумя околоземными круговыми орбитами. Обратимся к уравнению Циолковского

(1.1)
(1.1)

(1.1)

где и’ и v – приращение скорости КА и скорость истечения рабочего вещества соответственно; Мо – начальная масса КА; Мк = Мо – mt – масса К А на конечной орбите. Здесь t – время перехода между орбитами; т – расход массы рабочего вещества. Из (1.1) приращение скорости

(1.2)

Изменение кинетической энергии КА при полете происходит со скоростью

После подстановки значения w в последнее выражение из формулы 1.2

(1.3)

(1.5)

Траектория перехода между двумя круговыми орбитами имеет вид разворачивающейся спирали. При полете в гравитационном поле Земли вследствие работы двигательной установки происходит превращение тяги ЭРД постоянно совпадает по направлению со скоростью КА; сила тяготения при этом всегда перпендикулярна вектору скорости.

Читать еще:  Ядерный реактивный двигатель принцип работы

Потенциальная энергия КА при его движении по круговой траектории в центральном поле Земли равна

где М и Мз – масса КА и Земли соответственно; у – гравитационная постоянная.

Обозначая радиус начальной круговой орбиты через Ro, а конечной – через R, потенциальную энергию К А при переходе между этими орбитами определяем по формуле

(1.6)

Когда двигатель малой тяги работает непрерывно, происходит постоянное превращение кинетической энергии в потенциальную. Приравнивая на этом основании выражения (1.5) и (1.6), находим

(1.7)

а время перелета

(1.8)

На рис. 1.1 для сравнения показаны соответствующие зависимости для двух типов двигательных установок – с большой и малой тягой соответственно, В случае малой тяги величина Мк оказывается в несколько раз больше, время перелета при этом, однако, значительно увеличивается. Это отличает ЭРД от других типов ракетных двигателей.

Наличие в составе электроракетной двигательной установки (ЭРДУ) кроме двигателя также и источника энергии приводит к тому, что этот тип двигательных установок характеризуется еще одной важной отличительной особенностью – существованием оптимальной скорости истечения. Покажем это.

Рис. 1.1. Зависимость относительной массы транспортного корабля

от удельного импульса при переходе на геостационарную орбиту:

1 – двигатели большой тяги; 2 – двигатели малой тяги

Начальной масса КА – на исходной орбите складывается из массы полезной нагрузки М, массы бортовой энергоустановки М2, массы рабочего вещества М3 и массы ЭРД М4 (ускоритель, система подачи рабочего вещества, узлы крепления и т.д.):

Если тяга двигателя остается постоянной в течение всего времени перелета t, то массу рабочего тела можно определить по формуле

а массу ЭРД – по формуле

Объединяя (1.9) – (1.11),

массу КА на начальной околоземной орбите определяем из выражения

Произведя дифференцирование, находим оптимальное значение скорости, соответствующее при заданной массе полезной нагрузки М минимальному значению стартовой массы Мо:

(1.12)

Например, при

Подводя итоги, сформулируем еще раз основные отличительные особенности ЭРД как самостоятельного класса космических двигателей: разделение источника энергии и рабочего вещества, возможность получения высоких скоростей истечения, малая величина ускорений, длительное время перелета при использовании ЭРД в качестве маршевых двигателей, оптимальная скорость истечения.

Рабочие характеристики ЭРД

Тяга двигателя в случае постоянного расхода равна

Электрические ракетные двигатели и перспективные двигательные установки других типов

Электрические ракетные двигателя представляют собой чрезвычайно гибкие системы, рабочие процессы в которых весьма чувствительны Даже к небольшому изменению параметров. В ЭРД различных типов в зависимости от поставленной конкретной задачи могут по-разному сочетаться различные механизмы ускорения рабочего вещества. Поэтому разработчики ЭРД должны иметь ясные представления об эффективных способах организации рабочих процессов и научиться творчески использовать их при решении конкретных задач.

Укажем лишь основные классы ЭРД, рабочие процессы в которых различаются принципиальным образом.

1.Ионные, или электростатические, ЭРД.

2.Двигатели с азимутальным дрейфом электронов.

Ионный двигатель

Ионный двигатель является двигателем , который производит его движущую силу за счетом ускорения ионов до очень высокой скорости. На практике этот термин обозначает ионный двигатель, использующий поляризованные решетки, и противоположен другой основной категории ионных двигателей: двигателю на эффекте Холла . Ионный двигатель относится к семейству электрических двигателей, то есть двигателей, энергия которых имеет электрическое происхождение и питается от внешнего источника (солнечных панелей), в отличие от обычных ракетных двигателей, которые используют энергию химических реакций или топлива . Это электромагнитное топливо, потому что ускорение ионов достигается с помощью электрического поля .

Тяга очень низкая (от 0,05 до 5 ньютонов в 2018 году) , и поэтому его использование зарезервировано для космической отрасли. Очень высокая скорость выброса ионов (до 50 км / с ) обеспечивает эффективность ( удельный импульс ) в 10 раз выше, чем у химических двигателей, что позволяет значительно уменьшить массу космического корабля за счет уменьшения количества отбираемого топлива.

Основные физические принципы были открыты в 1910-х годах, но первые достижения в виде прототипов появились только в 1950-х годах, в начале космической эры . Объем первоначально резервируется для малых поправок орбитального пути или направления был продлен до конца XX — го века , для приведения в движение космического аппарата межпланетных ( Deep Space 1 , Рассвет , Hayabusa ) и поставить на геостационарную орбиту с низкой орбиты ( телекоммуникационный спутник ).

Резюме

  • 1 Работа ионного двигателя
  • 2 Физические принципы
  • 3 Техническое описание
  • 4 Производство ионов
  • 5 Возможности и приложения
  • 6 Сравнение с обычными ракетными двигателями
  • 7 приложений
    • 7.1 Исследовательская работа в НАСА
    • 7.2 Первое испытание в 1998 году
    • 7.3 Спутники
    • 7.4 Космические зонды
    • 7.5 Космическая станция
    • 7.6 Будущие космические полеты очень далеко от Солнца
  • 8 Примечания и ссылки
    • 8.1 Библиография
  • 9 См. Также
    • 9.1 Статьи по теме
    • 9.2 Внешние ссылки

Как работает ионный двигатель

Ионный двигатель использует не « топливо », как другие ракетные двигатели, а нейтральный газ ( ксенон ), который никоим образом не является источником энергии и который используется только для «массы опоры», которую он представляет (ее инерционной массы). . Таким образом, этот нейтральный газ не сжигается (не горит), а просто ионизируется . Эти ионы затем высвобождается через проход двух сильно электрически заряженных ворот и , таким образом пройти ускорение . Ускоряющая сила ионов вызывает силу реакции в противоположном направлении: это движущая сила ионного двигателя.

Ионы восстанавливают свои электроны непосредственно перед выходом из двигателя, чтобы поддерживать электрическую нейтральность транспортного средства и выбрасываемого нейтрального газа. В отсутствие нейтрализующей электронной пушки ионы, покидающие ионный двигатель малой тяги, притягиваются к главному отсеку кулоновским притяжением из-за их ионного характера. Таким образом, нейтрализуя их, атомы перемещаются к внешней стороне устройства без притяжения в направлении, противоположном их смещению.

Это ксенон ( благородный газ ), который используется в качестве «топлива» (а точнее, в качестве опорной массы ). В прошлом были проверены цезий , натрий и ртуть , но эти материалы разрушают двигатель [см. необходимо] . Согласно американскому исследованию 1998 года, ртуть слишком токсична, что усложняет операции, а цезий не подходит, поскольку приводит к деградации поверхности.

Электрическая энергия , необходимая для ионизации нейтрального газа и ускорения ионов высвобожденных получаются панелями солнечных батарей . Планируется использовать ядерные реакторы для выработки достаточной энергии либо на большом расстоянии от Солнца, либо с целью получения большей тяги.

Физические принципы

Заряженная частица в электростатическом поле испытывает силу, пропорциональную электрическому полю и ее электрическому заряду.

F знак равно q E < Displaystyle mathbf = д mathbf >

Эта сила ускоряет частицу.

в знак равно q м E < displaystyle mathbf = < frac > mathbf >

Помимо простоты этого принципа, ионная силовая установка усложняет получение действительно эффективного двигателя.

Техническое описание

Ионное топливо по существу состоит из трех элементов:

  • источник ионов, то есть устройство ионизации, позволяющее отделить ионы от электронов. Основная цель — получить образование больших количеств ионов с однородным зарядом благодаря различным процессам:
    • контактная ионизация;
    • электрическая дуга ;
    • или высокочастотнаяиндукция ;
  • ускоряющая и фокусирующая часть: ускоряет и формирует образующийся пучок ионов;
  • система нейтрализации: полые катоды, позволяющие рекомбинировать электроны и ионы, чтобы предотвратить появление электрического заряда на двигателе малой тяги и космической системе, с которой он связан (спутник, зонд и т. д.);

Основное топливо, которое можно использовать, — это цезий , натрий , литий , платина или ксенон . Имея характерный голубоватый цвет, последний чаще всего используется из-за своей химической нейтральности, в то время как натрий, например, разъедает двигатель.

Читать еще:  Двигатели bmw x5 e53 характеристики

Производство ионов

Два основных метода получения ионов:

  • контактная ионизация: топливо испаряется и циркулирует в металлической структуре, нагретой до высокой температуры. Контакт с металлом, который имеет высокую рабочую функцию, оторвет электроны от атомов газа.
  • ионизация путем генерации плазмы: источником HF или электрической дугой.

Затем ионы будут сфокусированы в форме луча с использованием первой серии электродов. Затем другая серия электродов или решетка будет ускорять их вне двигателя. Наконец, за нейтрализацию луча отвечает электронная эмиссионная система.

Возможности и приложения

По самому своему принципу ионизации порохового газа эти двигатели работают только в вакууме (космос или испытательная камера).

Эти типы двигателей имеют большие удельные импульсы : от 5000 до 25000 с .

Двигатели этого типа хорошо подходят для автоматических исследовательских миссий (зонд) и сначала очень серьезно рассматриваются для удаленных пилотируемых миссий, таких как Марс .

Выходной ионный ток — важный параметр в этом типе двигателя. Его можно рассчитать в первом приближении как сумму (интеграл на поверхности) нагрузок, пересекающих выходную плоскость, на среднюю скорость нагрузок. Тяга двигателя может быть легко рассчитана по выходному ионному току.

Сравнение с обычными ракетными двигателями

В обычных двигателях вы должны загрузить массу, которую нужно выбросить, и энергию, чтобы выбросить ее. В то время как с ионными двигателями на борту находится только масса, которая должна быть выброшена, энергия выброса может быть получена на месте с помощью солнечных батарей или поступать от радиоизотопного термоэлектрического генератора .

Обычные ракетные двигатели обеспечивают значительное ускорение за короткое время, но для этого используют большое количество топлива . Ракетные двигатели должны выдерживать огромные нагрузки давления и температуры , что делает их тяжелыми. Кроме того, сам резерв топлива должен быть продвинут так же, как и космический корабль ; в результате космический корабль должен забрать с собой еще больше топлива (см . уравнение Циолковского ).

Ионные двигатели, которые создают низкую движущую силу, но в течение очень длительного периода времени, особенно экономичны. На килограмм нейтрального газа на борту в качестве опорной массы они производят гораздо больше работы, чем у обычных ракетных двигателей. Следовательно, через некоторое время, которое, по общему признанию, нельзя не отметить, они могут придать космическому аппарату такую ​​же скорость за счет гораздо меньшего расхода поддерживающей массы . Тогда этот автомобиль сможет нести меньшую опорную массу . Ионные двигатели также намного легче (около десяти кг), что обеспечивает дополнительную экономию тяги.

Приложения

Ионные двигатели из-за малой тяги не подходят для запуска космических аппаратов. Для этого по-прежнему нужны обычные ракетные двигатели. Но в принципе, как только космический корабль достиг космоса , его может взять на себя ионный двигатель.

Ионный двигатель может работать без остановки очень долго, а при необходимости — годами. С его помощью можно намного быстрее добраться до очень далеких пунктов назначения, таких как Юпитер .

НАСА исследования

Разработка ионных двигателей началась в НАСА в 1950-х годах. Доктор Гарольд Кауфман из Исследовательского центра Льюиса (учреждение НАСА) построил первый двигатель этого типа в 1959 году. В 1964 году был создан небольшой экспериментальный спутник Space Electric Rocket Test 1 ( SERT 1), запускается ракетой Scout . Один из двух моторов успел проработать 31 минуту. SERT 2, также оснащенный двумя ионными двигателями, был выведен на орбиту в 1970 году: один из двух двигателей проработал 5 месяцев (3871 час непрерывно), другой — 3 месяца. Эти ранние двигатели используются либо цезий или ртуть в качестве ракетного топлива . Но у этих двух химических элементов есть недостатки, и инженеры выбирают для следующих двигателей ксенон , который проще в использовании. В начале 1960-х исследовательский центр HRL Laboratories, расположенный в Малибу ( Калифорния ), дочерняя компания производителя авиакосмической техники Hughes , также работал над ионным двигателем. Первый экспериментальный двигатель этого производителя был испытан на борту космического корабля «Зарядка на большой высоте» военного спутника Геофизической лаборатории, запущенного в 1979 году. В августе 1997 года на борту телекоммуникационного спутника PanAmSat 5 была установлена ​​рабочая версия : ионный двигатель использовался для обслуживания спутника. на его геостационарном положении и проверьте его ориентацию. В начале 1990-х Лаборатория реактивного движения и Исследовательский центр Льюиса совместно разработали ионный двигатель NSTAR для использования в межпланетных космических кораблях. Центр Льюиса запускает двигатель в вакуумной камере в течение 8000 часов. Испытания, завершившиеся в сентябре 1997 года, увенчались успехом, и НАСА решило совместно с Хьюзом разработать действующий ионный двигатель для миссии Deep Space 1 .

Первое испытание в 1998 г.

Ионный двигатель впервые прошел тщательные испытания на беспилотном космическом корабле Deep Space 1 . Последний был запущен НАСА на 24 октября 1998 г. . Его основной целью было испытание ряда новых космонавтических технологий, включая ионный двигатель.

Спутники

В следующие телекоммуникационные спутники оснащены ионных двигателей:

В различные силы притяжения от Луны и Солнца требуют регулярной корректировки курса , которые будут сделаны для того , чтобы сохранить этот тип спутника в правильной орбите. Количество нейтрального газа (или поддерживающей массы ), которое может быть перенесено, ограничено, но из-за того, что ионные двигатели очень экономичны, продолжительность полета может быть увеличена.

В 2018 году ЕКА разработало прототип ионного двигателя, работающего с окружающим воздухом, который может использоваться для спутников с орбитой на высоте от 150 до 200 км над уровнем моря. Однако эта модель, которая все еще находится в разработке, не готова к использованию в реальных условиях полета.

Космические зонды

Японский космический зонд » Хаябуса» , запущенный на 9 мая 2003 г. , оснащен ионным двигателем. Это первый иметь (почти) удалось посадки на астероид Итокава , то 19 ноября 2005 г. . Его ионная силовая установка позволила ему вернуться на Землю в воскресенье. 13 июня 2010 г. в 13:51 UT, с образцами астероида, пройдя около 300 миллионов километров и проведя в общей сложности более 31 000 часов работы.

Зонд НАСА Dawn , запущенный в 2007 году в направлении пояса астероидов , имеет три ксеноновых ионных двигателя, улучшенную версию NSTAR. Ионная силовая установка использовалась 70% времени пути к первой цели, Весте . После вывода на орбиту 16 июля 2011 г. , Рассвет оставил Весту на 5 сентября 2012 г. добраться до Сереса в февраль 2015 .

Миссия BepiColombo , запущенная 20 октября 2018 , заключается в отправке на планету Меркурий двух наблюдательных модулей, разработанных ЕКА и JAXA . Все зонды, с начальной массой 4121 кг , приводятся в движение 4 ионных двигателей опираясь на резерв 580 кг в ксеноне со сроком службы 880 дней. Зонды прибудут на орбиту вокруг Меркурия в Декабрь 2025 г. , а продолжительность наблюдательной миссии составит 1-2 года.

У миссии Hayabusa 2 также есть ионный двигатель, чтобы достичь астероида Риогу.

Космическая станция

По данным Китайской академии наук, первый модуль второй китайской космической станции, запущенный в апреле 2021 года и получивший название Tianhe , использует четыре ионных двигателя, что позволяет потреблять в 10 раз меньше топлива, чем МКС. Этот тип двигателя также следует использовать для полетов на Марс, чтобы сократить время полета с 9 месяцев до 39 дней.

Будущие космические полеты на большом расстоянии от солнца

НАСА работает над разработкой ионного двигателя, который будет приводиться в действие ядерным реактором. Это сделало бы возможным использование ионного двигателя для космических полетов на больших расстояниях от Солнца, где фотоэлектрические панели больше не могут обеспечивать достаточно энергии.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector