Ионный двигатель. Ионные реактивные двигатели


Ионный двигатель — Википедия

Тип Топливо Использование Время эксплуатации Применение Массогабаритныехарактеристики Рабочие характеристики Тяга Потребляемая мощность КПД Скорость истечения
Ионный двигатель
Ионный двигатель NSTAR американской АМС Deep Space 1
электрический ракетный двигатель
ионизированный инертный газ
более 3 лет[1]
управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли; главный тяговый двигатель небольших автоматических космических станций[1]
20—250 мН[1]
1—7 кВт
60—80 %
20—50 км/с
 Ионный двигатель 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).

Принцип действия

Испытания ионного двигателя на ксеноне

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[5], 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.

Работающая модель ионного двигателя, действующая на основе отбрасывания заряженных ионов воздуха с проводящего острия под высоким напряжением, может быть создана в домашних условиях[6][7]

Видео по теме

История

Впервые ионный двигатель появился в фантастике в 1910 году — в романе Дональда В. Хорнера «Аэроплан к солнцу: приключения авиатора и его друзей»[8][9]. 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[10]), 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].

Ионный двигатель является первым хорошо отработанным на практике типом электрического ракетного двигателя. Концепция ионного двигателя была выдвинута в 1917 году Робертом Годдардом[11], а в 1954 году Эрнст Штулингерruen детально описал эту технологию, сопроводив её необходимыми вычислениями[12].

В 1955 году Алексей Иванович Морозов написал, а в 1957 году опубликовал в ЖЭТФ статью «Об ускорении плазмы магнитным полем»[13][14]. 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[15].

Первый американский функционирующий ионный электростатический двигатель (создан в США в НАСА John H. Glenn Research Center at Lewis Field) был построен под руководством Гарольда Кауфманаruen в 1959 году. В 1964 году прошла первая успешная демонстрация ионного двигателя в суборбитальном полёте (SERT I)[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)[16]. 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[17], и другие серийно устанавливались на советские спутники с 1982 года[18].

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[19], 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].

Миссии

Действующие миссии

  • Artemis[19]
  • Dawn
  • LISA Pathfinder (ЕКА) использует ионные двигатели в качестве вспомогательных для точного контроля высоты.
  • BepiColombo. Запущен 20 октября 2018 года. ЕКА использовует ионный двигатель в этой меркурианской миссии, наряду с гравитационными манёврами и химическим двигателем для перехода на орбиту вокруг Меркурия в качестве искусственного спутника[19]. На аппарате работает самые мощные на сегодняшний день 4 ионных двигателя суммарной тягой 290 мН[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)

Планируемые миссии

Нереализованные миссии

Компьютерная модель Прометея-1

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. Landisruen 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]).

См. также

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Choueiri, Edgar Y. (2009) New dawn of electric rocket Scientific American 300, pp. 58-65 DOI:10.1038/scientificamerican0209-58
  2. ↑ Белан Н. В., Ким В. П., Оранский А. И., Тахонов В. Б. Стационарные плазменные двигатели. — Харьк. авиац. ин-т. — Харьков, 1989. — С. 18—20.
  3. ↑ NASA's Dawn Spacecraft Fires Past Record for Speed Change, NASA (7 июня 2010). Проверено 2 октября 2016.
  4. ↑ Marc Rayman. Dawn Journal September 27, 2016 (англ.). NASA (27 September 2016). Проверено 19 ноября 2016.
  5. ↑ Испытан рекордный ионный двигатель (рус.). membrana.ru (12 января 2006). Проверено 22 февраля 2015. Архивировано 24 августа 2011 года.
  6. ↑ Брага Н. Создание роботов в домашних условиях. — М.: НТ Пресс, 2007. — С. 71-79 — ISBN 5-477-00749-4.
  7. ↑ «Собрал летающий ионный двигатель у себя дома» (видео пользователя YouTube KREOSAN, 13 февраля 2017)
  8. ↑ Список публикаций произведения «By Aeroplane to the Sun» в ISFDB  (англ.)
  9. ↑ Peter Nicholls. Ion Drive (англ.). SFE: The Encyclopedia of Science Fiction, online edition, 2011— (DECEMBER 20, 2011). Проверено 1 июля 2018.
  10. ↑ Кочуров, В. Бороздя гиперпространство. Физика и технологии «Звёздных войн». журнал «Мир фантастики» (27 декабря 2005). Проверено 22 февраля 2015.
  11. ↑ Robert H. Goddard: American Rocket Pioneer. Smithsonian Scrapbook. Smithsonian Institution Archives. Проверено 21 февраля 2015.
  12. ↑ Choueiri, E. Y. A Critical History of Electric Propulsion: The First 50 Years (1906–1956). Проверено 21 февраля 2015.
  13. ↑ Морозов А. И. Об ускорении плазмы магнитным полем // ЖЭТФ. — 1957. — Т. 32, вып. 2. — С. 305—310.
  14. ↑ Потомки повелителя ветров: Вместо сердца - плазменный мотор! // Популярная механика. — 2005. — № 12.
  15. ↑ Доктор физико-математических наук А. МОРОЗОВ. КОСМИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОВОЗ. Наука и Жизнь (Сентябрь 1999).
  16. ↑ Innovative Engines - Glenn Ion Propulsion Research Tames the Challenges of 21st Century Space Travel (англ.). Glenn Research Center (20 May 2008). Проверено 22 февраля 2015.
  17. ↑ Стационарный плазменный двигатель СПД-100 (рус.). www.mai.ru. Проверено 19 октября 2017.
  18. ↑ Спутник убийца или благодетель: что запустила Россия в космос?, Slon.ru. Проверено 19 октября 2017.
  19. ↑ 1 2 3 Рахманов, М. Ионные двигатели: от фантастики к реальным пускам (рус.). CNews.ru (30/09/2003). Проверено 22 февраля 2015.
  20. ↑ (2013) "BepiColombo Electric Propulsion Thruster and High Power Electronics Coupling Test Performances" in 33rd International Electric Propulsion Conference. 6–10 October 2013. Washington, D.C... IEPC-2013-133. 
  21. ↑ Jason Mick. Commercially Developed Plasma Engine Soon to be Tested in Space (недоступная ссылка — история). DailyTech (August 11, 2008). Проверено 22 февраля 2015. Архивировано 22 февраля 2015 года.
  22. ↑ The National Academy of Sciences. Launching Science: Science Opportunities Provided by NASA's Constellation System. — Washington, DC : The National Academies Press, 2009. — P. 18. — ISBN 978-0-309-11644-2.
  23. ↑ The National Academy of Sciences. Launching Science: Science Opportunities Provided by NASA's Constellation System. — Washington, DC: The National Academies Press, 2009. — С. 18. — ISBN 978-0-309-11644-2.
  24. ↑ Landis, G. A. звёздный ионный зонд, снабжаемый энергией по лазерному лучу (рус.) (1 сентября 1994). Проверено 22 февраля 2015.
  25. ↑ Ионный двигатель NASA показал новый рекорд производительности (рус.). Hi-News.Ru (14 октября 2017).

Литература

  • Морозов А. И. Физические основы космических электрореактивных двигателей. — М.: Атомиздат, 1978. — 328 с.
  • Плазменные ускорители и ионные инжекторы / Морозов А. И.. — М.: Наука, 1984. — 269 с.
  • Форрестер, Т. А. Интенсивные ионные пучки. — М.: Мир, 1992. — 354 с. — ISBN 5-03-001999-0.
  • A.B. Жаринов, Ю. С. Попов, «Об ускорении плазмы замкнутым холловским током», ЖТФ, 1967, Т.37,вып.2.
  • Kaufman H. R., Robinson R. S. Ion Source Design for Industrial Application (англ.) // AIAA Journal : журнал. — 1982. — Vol. 20, no. 6. — P. 745—760.
  • A. I. Morozov and V. V. Savelyev, "Fundamentals of stationary plasma thruster theory, " in Reviews of Plasma Physics, edited by B. B. Kadomstev

and V. D. Shafranov (Kluwer, Dordecht, 2000), Vol. 21.

  • V. Kim, J. Propul. Power 14, 736 (1998).

Ссылки

www.wikipedia.green

Электрические ракетные ионные двигатели - часть 2

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.):

М2 + Мъ + М4 .

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

M 3 = Ft / v , (1.11)

а массу ЭРД – по формуле

М4 = аМ3 .

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.

3.Сильноточные двигатели.

4. Теплообменные электрические ракетные двигатели.

В соответствии с этим делением и построены следующие разделы книги.

Остановимся на анализе вопроса, какое место могут занять двигатели этого типа среди других перспективных ракетных двигателей.

Химический двигатель, работающий на кислородно-водородном топливе, обеспечивает скорость истечения до 4,69–103 м/с. Наиболее высокоэнергетическое топливо фтор-водород обладает удельной энергией 12,9 кДж/г, что соответствует скорости истечения 5,41–103 м/с.

Еще более высокие скорости истечения можно получить, если использовать в качестве топлива ракетных двигателей свободные радикалы и метастабильное горючее. Например, рекомбинация атомарного водорода в состоянии обеспечить удельную энергию W = 218 кДж/г и соответственно скорость vK = 2,17–104 м/с, распад трехатомного гелия – энергию W = 478 кДж/г и скорость vK = 3,22 – Ю4 м/с. Однако чтобы обеспечить получение, хранение и управление реакцией горения этих перспективных топлив, потребуется решить ряд чрезвычайно трудных технических проблем. Например, атомарный водород необходимо хранить в матрице из твердого водорода при температуре 0,2 К в магнитном поле с индукцией 3 Тл [7].

Твердофазные ядерные энергоустановки могут работать при температурах до 2400–2500 °С, что при использовании водорода в качестве рабочего вещества обеспечит скорость истечения до 9,2–104 м/с. Еще более высокую скорость истечения – до 1,5–104 – 6,1–104 м/с, можно будет получить, перейдя к ядерным двигателям с газофазной активной зоной.

Следующий крупный шаг в этом направлении будет связан с созданием ракетных двигателей, работающих на реакции термоядерного синтеза ( W = 4,2–108 кДж/г, v к = 3-Ю7 м/с).

Следует заметить, что разработка рассмотренных здесь перспективных ракетных двигателей потребует намного больших усилий, чем это было в случае ЭРД. Электрические ракетные двигатели могут работать в составе бортовых энергодвигательных установок, использующих солнечные батареи или ядерные реакторы. Солнечные или ядерные двигательные установки с ЭРД имеют удельную массу 10 – 50 кг/кВт и обеспечивают скорости истечения в весьма широком диапазоне значений (103 – 10s м/с) при достаточно высоком КПД, Весьма широк также диапазон значений тяги, которой могут обладать ЭРД. Все это обеспечивает такому типу двигателей особое место среди всех перспективных ракетных двигателей. Есть поэтому основания ожидать, что в течение ближайших 10–20 лет ЭРД будут широко использоваться при решении различных задач, направленных на индустриальное освоение околоземного космического пространства,

Большие успехи, достигнутые в разработке современных высокоэффективных и экономичных ЭРД разных классов, стали возможными благодаря интенсивным исследованиям, проектным разработкам и натурным испытаниям, которые активно проводились в течение 25 – 30 лет в СССР и за рубежом. Следует особо выделить исследования, выполненные при участии и под руководством A.M. Андрианова, Н.В, Белана, В.И. Гаркуши, B.C. Ерофеева, А.В. Жаринова, В.М. Иевлева, А.В. Квас-никова, Н.П. Козлова, Л.А. Латышева, Е.А. Ляпина, А.И. Морозова, П.М. Морозова, И.Н. Острецова, А.А. Поротникова, В.В. Савичева, Д.Д. Севрука, Р.К. Снарского, Н.А. Хижняка, В.А. Храброва.

Ионные двигатели

Ионный двигатель и его основные элементы

Ионные двигатели составляют один из основных классов электростатических двигателей. Как уже отмечалось, принципиальной особенностью электростатических двигателей по сравнению с магнитоплазменными является то, что в электростатических двигателях разгон тяжелых одноименно заряженных частиц осуществляется в продольном постоянном электрическом поле, создаваемом внешними источниками, в условиях воздействия пространственного заряда ускоряемых частиц. Поэтому в электростатических двигателях возможная плотность тока ограничена, ее предельное значение определяется известным законом Ленгмюра – Богуславского (законом «трех вторых»):

Рис. 2,3. Ионно-оптическая система экспериментального ионного двигателя с газоразрядным источником:

1 – формирующий электрод; 2 – ускоряющий электрод; 3 – замедляющий электрод; 4, 5, 6 – кварцевые державка; 7 – металлические обоймы; 8^ 10 – винты; 9 – передняя крышка разрядной камеры; 11 – плита; 12, 13 – вкладыши, обеспечивающие зазор между электродами

Рис. 2.4. Ионно-оптическая: система экспериментального ионного двигателя с контактным источником:

1 – участок ионизатора без пор; 2 – пористая цилиндрическая канавка; 3 – ускоряющий электрод; 4 – замедляющий электрод

В ионных двигателях с пористыми контактными источникамиформирующим электродом является нагретый пористый ионизатор(рис. 2.4). Его внешняя поверхность обычно образуется чередованиемплоских участков, лишенных пор, и пористых цилиндрических канавок,Ускоряющий и замедляющий электроды располагаются против плоскихучастков, лишенных пор.

Из ускоряющей системы ионного двигателя в окружающее пространство истекают интенсивные пучки ускоренных ионов. В условиях космического пространства (глубокий вакуум, отсутствие внешний электрических полей) непрерывное истечение ионов невозможно без компенсации ионного тока равным ему электронным током. Такая. компенсация необходима для сохранения электрического потенциала; космического аппарата близким к потенциалу окружающего пространства. Если ионный ток превосходит электронный, го потенциал космического аппарата быстро нарастает. Рассмотрим, например, космический аппарат, представляющий собой шар радиусом 1 м, электрической емкостью около 10 10 Ф. Пусть ионный ток, истекающий в окружающее пространство, превышает электронный всего лишь на 0,001 А. Нетрудно подсчитать, что уже через 0,01 с космический аппарат зарядится отрицательным потенциалом 10s В относительно окружающего пространства, Возникающее при этом тормозящее ионы электрическое поле вызовет их обратное движение к аппарату.

Однако для нормальной работы ионных двигателей одной только токовой компенсации недостаточно. Необходимо, чтобы электроны вводились в истекающие ионные пучки на выходе из ионно-оптической системы и компенсировали их пространственный заряд. В пучке с пространственным зарядом, распространяющимся в вакууме при отсутствии внешних полей, возникают локальные электрические поля, приводящие к замедлению ионов и образованию областей с анодным потенциалом (виртуальных анодов), нарушающих истечение ионов в окружающее пространство.

mirznanii.com

Ионные двигатели Википедия

Тип Топливо Использование Время эксплуатации Применение Массогабаритныехарактеристики Рабочие характеристики Тяга Потребляемая мощность КПД Скорость истечения
Ионный двигатель
Ионный двигатель NSTAR американской АМС Deep Space 1
электрический ракетный двигатель
ионизированный инертный газ
более 3 лет[1]
управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли; главный тяговый двигатель небольших автоматических космических станций[1]
20—250 мН[1]
1—7 кВт
60—80 %
20—50 км/с
 Ионный двигатель 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).

Принцип действия

Испытания ионного двигателя на ксеноне

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[5], 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.

Работающая модель ионного двигателя, действующая на основе отбрасывания заряженных ионов воздуха с проводящего острия под высоким напряжением, может быть создана в домашних условиях[6][7]

История

Впервые ионный двигатель появился в фантастике в 1910 году — в романе Дональда В. Хорнера «Аэроплан к солнцу: приключения авиатора и его друзей»[8][9]. 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[10]), 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].

Ионный двигатель является первым хорошо отработанным на практике типом электрического ракетного двигателя. Концепция ионного двигателя была выдвинута в 1917 году Робертом Годдардом[11], а в 1954 году Эрнст Штулингерruen детально описал эту технологию, сопроводив её необходимыми вычислениями[12].

В 1955 году Алексей Иванович Морозов написал, а в 1957 году опубликовал в ЖЭТФ статью «Об ускорении плазмы магнитным полем»[13][14]. 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[15].

Первый американский функционирующий ионный электростатический двигатель (создан в США в НАСА John H. Glenn Research Center at Lewis Field) был построен под руководством Гарольда Кауфманаruen в 1959 году. В 1964 году прошла первая успешная демонстрация ионного двигателя в суборбитальном полёте (SERT I)[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)[16]. 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[17], и другие серийно устанавливались на советские спутники с 1982 года[18].

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[19], 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].

Миссии

Действующие миссии

  • Artemis[19]
  • Dawn
  • LISA Pathfinder (ЕКА) использует ионные двигатели в качестве вспомогательных для точного контроля высоты.
  • BepiColombo. Запущен 20 октября 2018 года. ЕКА использовует ионный двигатель в этой меркурианской миссии, наряду с гравитационными манёврами и химическим двигателем для перехода на орбиту вокруг Меркурия в качестве искусственного спутника[19]. На аппарате работает самые мощные на сегодняшний день 4 ионных двигателя суммарной тягой 290 мН[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)

Планируемые миссии

Нереализованные миссии

Компьютерная модель Прометея-1

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. Landisruen 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]).

См. также

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Choueiri, Edgar Y. (2009) New dawn of electric rocket Scientific American 300, pp. 58-65 DOI:10.1038/scientificamerican0209-58
  2. ↑ Белан Н. В., Ким В. П., Оранский А. И., Тахонов В. Б. Стационарные плазменные двигатели. — Харьк. авиац. ин-т. — Харьков, 1989. — С. 18—20.
  3. ↑ NASA's Dawn Spacecraft Fires Past Record for Speed Change, NASA (7 июня 2010). Проверено 2 октября 2016.
  4. ↑ Marc Rayman. Dawn Journal September 27, 2016 (англ.). NASA (27 September 2016). Проверено 19 ноября 2016.
  5. ↑ Испытан рекордный ионный двигатель (рус.). membrana.ru (12 января 2006). Проверено 22 февраля 2015. Архивировано 24 августа 2011 года.
  6. ↑ Брага Н. Создание роботов в домашних условиях. — М.: НТ Пресс, 2007. — С. 71-79 — ISBN 5-477-00749-4.
  7. ↑ «Собрал летающий ионный двигатель у себя дома» (видео пользователя YouTube KREOSAN, 13 февраля 2017)
  8. ↑ Список публикаций произведения «By Aeroplane to the Sun» в ISFDB  (англ.)
  9. ↑ Peter Nicholls. Ion Drive (англ.). SFE: The Encyclopedia of Science Fiction, online edition, 2011— (DECEMBER 20, 2011). Проверено 1 июля 2018.
  10. ↑ Кочуров, В. Бороздя гиперпространство. Физика и технологии «Звёздных войн». журнал «Мир фантастики» (27 декабря 2005). Проверено 22 февраля 2015.
  11. ↑ Robert H. Goddard: American Rocket Pioneer. Smithsonian Scrapbook. Smithsonian Institution Archives. Проверено 21 февраля 2015.
  12. ↑ Choueiri, E. Y. A Critical History of Electric Propulsion: The First 50 Years (1906–1956). Проверено 21 февраля 2015.
  13. ↑ Морозов А. И. Об ускорении плазмы магнитным полем // ЖЭТФ. — 1957. — Т. 32, вып. 2. — С. 305—310.
  14. ↑ Потомки повелителя ветров: Вместо сердца - плазменный мотор! // Популярная механика. — 2005. — № 12.
  15. ↑ Доктор физико-математических наук А. МОРОЗОВ. КОСМИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОВОЗ. Наука и Жизнь (Сентябрь 1999).
  16. ↑ Innovative Engines - Glenn Ion Propulsion Research Tames the Challenges of 21st Century Space Travel (англ.). Glenn Research Center (20 May 2008). Проверено 22 февраля 2015.
  17. ↑ Стационарный плазменный двигатель СПД-100 (рус.). www.mai.ru. Проверено 19 октября 2017.
  18. ↑ Спутник убийца или благодетель: что запустила Россия в космос?, Slon.ru. Проверено 19 октября 2017.
  19. ↑ 1 2 3 Рахманов, М. Ионные двигатели: от фантастики к реальным пускам (рус.). CNews.ru (30/09/2003). Проверено 22 февраля 2015.
  20. ↑ (2013) "BepiColombo Electric Propulsion Thruster and High Power Electronics Coupling Test Performances" in 33rd International Electric Propulsion Conference. 6–10 October 2013. Washington, D.C... IEPC-2013-133. 
  21. ↑ Jason Mick. Commercially Developed Plasma Engine Soon to be Tested in Space (недоступная ссылка — история). DailyTech (August 11, 2008). Проверено 22 февраля 2015. Архивировано 22 февраля 2015 года.
  22. ↑ The National Academy of Sciences. Launching Science: Science Opportunities Provided by NASA's Constellation System. — Washington, DC : The National Academies Press, 2009. — P. 18. — ISBN 978-0-309-11644-2.
  23. ↑ The National Academy of Sciences. Launching Science: Science Opportunities Provided by NASA's Constellation System. — Washington, DC: The National Academies Press, 2009. — С. 18. — ISBN 978-0-309-11644-2.
  24. ↑ Landis, G. A. звёздный ионный зонд, снабжаемый энергией по лазерному лучу (рус.) (1 сентября 1994). Проверено 22 февраля 2015.
  25. ↑ Ионный двигатель NASA показал новый рекорд производительности (рус.). Hi-News.Ru (14 октября 2017).

Литература

  • Морозов А. И. Физические основы космических электрореактивных двигателей. — М.: Атомиздат, 1978. — 328 с.
  • Плазменные ускорители и ионные инжекторы / Морозов А. И.. — М.: Наука, 1984. — 269 с.
  • Форрестер, Т. А. Интенсивные ионные пучки. — М.: Мир, 1992. — 354 с. — ISBN 5-03-001999-0.
  • A.B. Жаринов, Ю. С. Попов, «Об ускорении плазмы замкнутым холловским током», ЖТФ, 1967, Т.37,вып.2.
  • Kaufman H. R., Robinson R. S. Ion Source Design for Industrial Application (англ.) // AIAA Journal : журнал. — 1982. — Vol. 20, no. 6. — P. 745—760.
  • A. I. Morozov and V. V. Savelyev, "Fundamentals of stationary plasma thruster theory, " in Reviews of Plasma Physics, edited by B. B. Kadomstev

and V. D. Shafranov (Kluwer, Dordecht, 2000), Vol. 21.

  • V. Kim, J. Propul. Power 14, 736 (1998).

Ссылки

wikiredia.ru

Ионный двигатель

ионный двигатель, ионный ракетный двигательИонный двигатель — тип электрического ракетного двигателя, принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле. 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. Рабочим телом, как правило, является ионизированный инертный газ (аргон, ксенон и т. п.), но иногда и ртуть. 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). Недостатком ионного двигателя является ничтожная по сравнению с химическими двигателями тяга. 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.

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.

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.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Принцип действия
  • 3 Миссии
    • 3.1 Действующие миссии
    • 3.2 Планируемые миссии
    • 3.3 Нереализованные миссии
    • 3.4 Проект будущего
  • 4 См. также
  • 5 Примечания
  • 6 Литература
  • 7 Ссылки

История

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), 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).

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

Первый функционирующий ионный электростатический двигатель (создан в США в NASA John H. Glenn Research Center at Lewis Field) был построен под руководством Гарольда Кауфманаruen в 1959 году. В 1964 году прошла первая успешная демонстрация ионного двигателя в суборбитальном полёте (SERT I). 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).

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, и японский аппарат Хаябуса, запущенный к астероиду Итокава в мае 2003 года.

Следующим аппаратом NASA, 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.

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.

Принцип действия

Испытания ионного двигателя на ксеноне

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 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.

В существующих реализациях ионного двигателя в качестве источника энергии, необходимой для ионизации топлива, используются солнечные батареи.

Ионный двигатель использует в качестве топлива ксенон или 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.

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.

Миссии

Действующие миссии

  • SERT
  • Deep Space 1
  • Artemis
  • Hayabusa (вернулся на Землю 13 июня 2010 года)
  • Smart 1
  • Dawn
  • GOCE

Планируемые миссии

  • BepiColombo (2015). ЕКА планирует использовать ионный двигатель в меркурианской миссии BepiColombo, наряду с гравитационными маневрами и химическим двигателем для перехода на орбиту вокруг Меркурия в качестве искусственного спутника.
  • LISA Pathfinder (ЕКА, 2014) будет использовать ионные двигатели в качестве вспомогательных для точного контроля высоты.
  • Международная космическая станция. По состоянию на март 2011 планировалась доставка на МКС электромагнитного двигателя (VASIMR) Ad Astra VF-200 с мощностью в 200 кВт VASIMR. VF-200 представляет собой версию VX-200. 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.

Нереализованные миссии

Компьютерная модель Прометея-1

NASA вело 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. В настоящее время идёт поиск более простого проекта АМС для первого испытания по программе «Прометей».

Проект будущего

Geoffrey A. Landisruen 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.

См. также

  • Плазменный ракетный двигатель
  • Электрический ракетный двигатель
  • Электромагнитный ракетный ускоритель
  • Ионная пушка

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Choueiri, Edgar Y. (2009) New dawn of electric rocket Scientific American 300, pp. 58-65 DOI:10.1038/scientificamerican0209-58
  2. ↑ Белан Н. В., Ким В. П., Оранский А. И., Тахонов В. Б. Стационарные плазменные двигатели. — Харьк. авиац. ин-т. — Харьков, 1989. — С. 18-20.
  3. ↑ Кочуров, В. Бороздя гиперпространство. Физика и технологии «Звёздных войн». журнал «Мир фантастики» (27 декабря 2005). Проверено 22 февраля 2015.
  4. ↑ Robert H. Goddard: American Rocket Pioneer. Smithsonian Scrapbook. Smithsonian Institution Archives. Проверено 21 февраля 2015.
  5. ↑ Choueiri, E. Y. A Critical History of Electric Propulsion: The First 50 Years (1906–1956). Проверено 21 февраля 2015.
  6. ↑ Innovative Engines - Glenn Ion Propulsion Research Tames the Challenges of 21st Century Space Travel (англ.). Glenn Research Center (20 May 2008). Проверено 22 февраля 2015.
  7. ↑ 1 2 3 Рахманов, М. Ионные двигатели: от фантастики к реальным пускам (рус.). CNews.ru (30/09/2003). Проверено 22 февраля 2015.
  8. ↑ Испытан рекордный ионный двигатель (рус.). membrana.ru (12 января 2006). Проверено 22 февраля 2015. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.
  9. ↑ Jason Mick. Commercially Developed Plasma Engine Soon to be Tested in Space. DailyTech (August 11, 2008). Проверено 22 февраля 2015.
  10. ↑ The National Academy of Sciences. Launching Science: Science Opportunities Provided by NASA's Constellation System. — Washington, DC: The National Academies Press, 2009. — P. 18. — ISBN 978-0-309-11644-2.
  11. ↑ The National Academy of Sciences. Launching Science: Science Opportunities Provided by NASA's Constellation System. — Washington, DC: The National Academies Press, 2009. — С. 18. — ISBN 978-0-309-11644-2.
  12. ↑ Landis, G. A. Межзвёздный ионный зонд, снабжаемый энергией по лазерному лучу (рус.) (1 сентября 1994). Проверено 22 февраля 2015.

Литература

  • Kaufman H. R., Robinson R. S. Ion Source Design for Industrial Application (англ.) // AIAA Journal : журнал. — 1982. — Vol. 20, no. 6. — P. 745—760.

Ссылки

  • Евгений Золотов. Небесный тихоход (рус.). Компьютерра (9 ноября 2004). Проверено 22 февраля 2015.
  • Плазменно-ионный ускоритель. веб-портал Plasmaport. Проверено 22 февраля 2015.
  • BepiColombo overview. ESA (19 ноября 2014). Проверено 22 февраля 2015.
п·о·р Двигатели  
Двигатели внутреннего сгорания (кроме турбинных)   Возвратно-поступательные Роторные Комбинированные
Количество тактов Двухтактный двигатель (двигатель Ленуара) • Четырёхтактный двигатель • Шеститактный двигатель
Расположение цилиндров Рядный двигатель (U-образный двигатель) • Оппозитный двигатель • Н-образный двигатель • V-образный двигатель • VR-образный двигатель • W-образный двигатель • Звездообразный двигатель (вращающийся) • X-образный двигатель
Типы поршней Свободно-поршневые • Двигатель со встречным движением поршней (дельтообразный) • Аксиальные
Способ воспламенения Дизельные • Компрессионные карбюраторные • Калильно-компрессионный • Калильные карбюраторные • Батарейное зажигание • Магнето • Дуговые и искровые свечи
Двигатель Ванкеля • Орбитальный двигатель (двигатель Сарича) • Роторно-лопастной двигатель Вигриянова
Гибридные • Двигатель Хессельмана
Воздушно-реактивные   Основные типы Модификациии гибридные системы
Бескомпрессорные Прямоточные • Пульсирующие
Турбореактивные Турбовентиляторные (двухконтурные) • Турбовинтовые • Турбовинтовентиляторные • Турбовальные
Мотокомпрессорный воздушно-реактивный двигатель • Гиперзвуковые прямоточные
См. также: Газотурбинные двигатели
Ракетные двигатели   Химические Ядерные Электрические Другие
Жидкостные Закрытого цикла • Открытого цикла • С фазовым переходом • Двигатель Вальтера
Другие Твердотопливные • Топливно-гибридные
Термоядерные • Газофазно-ядерные • Твёрдофазно-ядерные • Солевые
Плазменные (электромагнитный ускоритель VASIMR) • Ионные • Электротермические • Электростатические
Клиновоздушный • Двигатель Бассарда
Двигатели внешнего сгорания  
Паровая машина • Двигатель Стирлинга • Пневматический двигатель
Турбины и механизмы с турбинами в составе  
По виду рабочего тела
Газовые Газотурбинная установка • Газотурбинная электростанция • Газотурбинные двигатели‎
Паровые Парогазовая установка • Конденсационная турбина
Гидравлические турбины‎ Пропеллерная турбина • Гидротрансформатор
По конструктивным особенностям Осевая (аксиальная) турбина • Центробежная турбина (радиальная • диагональная) • Радиально-осевая турбина (турбина Френсиса) • Поворотно-лопастная турбина (турбина Каплана) • Ковшовая турбина (турбина Пелтона) • Турбина Турго • Ротор Дарье • Турбина Уэльса • Турбина Тесла • Сегнерово колесо
Электродвигатели   Асинхронные Синхронные Другие
Постоянного тока • Переменного тока • Трёхфазные • Двухфазные • Однофазные • Универсальные
Конденсаторный двигатель
Бесколлекторные • Коллекторные • Вентильные реактивные • Шаговые
Линейные • Гистерезисные • Униполярные • Ультразвуковые • Мендосинский мотор
Биологические двигатели   Моторные белки
Актин • Динеин • Кинезин • Миозин • Тропомиозин • Тропонин • Флагеллин
См. также: Вечный двигатель • Мотор-редуктор • Резиномотор

ионный двигатель, ионный ракетный двигатель

Ионный двигатель Информацию О

Ионный двигатель Комментарии

Ионный двигательИонный двигатель Ионный двигатель Вы просматриваете субъект

Ионный двигатель что, Ионный двигатель кто, Ионный двигатель описание

There are excerpts from wikipedia on this article and video

www.turkaramamotoru.com

Атмосферный ионно-топливный реактивный двигатель | owalon.com

Катаргин Рудольф Клавдиевич, инженер - электрик из России предлагает построить ионно-реактивный двигатель оригинального типа на "скрещении" катушки Тесла, высокочастотном химическом катализе, ускорении ионов электростатическим полем и ... химическом горении топлива.Хотя пригодная к практике модель двигателя еще не была ни кем построена, но даже самые первые опыты с такой комбинацией эффектов приятно удивили нас в лаборатории...Приводим существенную часть проекта Карагина:

Выскажем крамольную мысль, - вполне возможно изготовить двигатель легче бензинового при той же мощности и даже более экономичный, но без трущихся механических деталей. Развитие техники на данный момент позволяет это выполнить. А что если в высокочастотном электрореактивном двигателе избавиться от высокой частоты? Она же нужна только для ионизации атомов, чтобы разгонять их сильным электрическим полем, поскольку на обычные не ионизированные атомы газа в силу их нейтральности поле не действует. Для этого разумно применить очень интересный аппарат.

Талантливый Тесла выдал нам оригинальный инструмент способный обеспечить развитие техники на 200 – 300 лет вперёд, однако, из-за своих ограниченных знаний мы не можем до сих пор рационально использовать его конструкцию в технике. Это так называемая катушка Теслы (трансформатор Теслы), которая применяется в основном как декоративное устройство для получения красивых разрядов электричества. Устройство её предельно простое. Состоит из обычных двух медных обмоток без трансформаторного железа или ферромагнетика. Первичная обмотка, имеющая 5 – 30 витков, питается напряжением 1 – 10 киловольт (от аккумулятора с транзисторным преобразователем) и имеет параллельный конденсатор. При прерывании тока первичной обмотки подключённым к её концу разрядником, в ней благодаря конденсатору, как в обычном колебательном контуре, создаётся высокая частота тока, которая передаётся во вторичную обмотку, расположенную внутри первичной. Вторичная обмотка имеет много витков, в ней возникают высокие напряжения, сам Тесла получал до нескольких миллионов вольт. Под действием напряжения, если нижний конец вторичной обмотки заземлить, верхний конец с дополнительной иглой создаёт отличную корону, - разряд происходит просто в воздух. Секрет весь в том, что данная катушка выдаёт очень высокие напряжения, а мы из-за отсутствия нормального понимания электричества (поэтому и нет комнатного сверхпроводника), побаиваемся применять его, хотя на электролиниях успешно достигли напряжения до 1,2 миллионов вольт. Так что в двигателях, при напряжениях 200 – 300 киловольт, можем работать спокойно, опыт работы с большими напряжениями уже накоплен. Корона, образованная таким напряжением, создаёт ионный ветер, т.е. у острия «вторички» катушки Теслы атомы воздуха отдают ему внешние электроны и разгоняются электрическим полем до скоростей в десятки и даже сотни километров в секунду. Это и есть корона. Всё это происходит благодаря высокочастотным пульсациям тока вторичной обмотки и высокому напряжению. Частота тока в сочетании с высоким напряжением аналогично катализатору в топливном элементе бесплатно раскалывает молекулы газов на атомы и ионизирует их. Для большего эффекта можем на верхний конец вторички установить и 5, и 20, и 100 иголок,- всё зависит от той мощности, которая нам необходима. Каждая игла имеет предел по нагреву при ионизации газа, т.е. может пропускать определённую силу тока примерно до 0,3 Ампера (с серебрением).

Рис.1. Принципиальная схема устройства игольчатого движителя.

owalon.com

Ионный двигатель Вики

Тип Топливо Использование Время эксплуатации Применение Массогабаритныехарактеристики Рабочие характеристики Тяга Потребляемая мощность КПД Скорость истечения
Ионный двигатель
Ионный двигатель NSTAR американской АМС Deep Space 1
электрический ракетный двигатель
ионизированный инертный газ
более 3 лет[1]
управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли; главный тяговый двигатель небольших автоматических космических станций[1]
20—250 мН[1]
1—7 кВт
60—80 %
20—50 км/с
 Ионный двигатель 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).

Принцип действия[ | код]

Испытания ионного двигателя на ксеноне

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[5], 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.

Работающая модель ионного двигателя, действующая на основе отбрасывания заряженных ионов воздуха с проводящего острия под высоким напряжением, может быть создана в домашних условиях[6][7]

История[ | код]

Впервые ионный двигатель появился в фантастике в 1910 году — в романе Дональда В. Хорнера «Аэроплан к солнцу: приключения авиатора и его друзей»[8][9]. 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[10]), 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].

Ионный двигатель является первым хорошо отработанным на практике типом электрического ракетного двигателя. Концепция ионного двигателя была выдвинута в 1917 году Робертом Годдардом[11], а в 1954 году Эрнст Штулингерruen детально описал эту технологию, сопроводив её необходимыми вычислениями[12].

В 1955 году Алексей Иванович Морозов написал, а в 1957 году опубликовал в ЖЭТФ статью «Об ускорении плазмы магнитным полем»[13][14]. 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[15].

Первый американский функционирующий ионный электростатический двигатель (создан в США в НАСА John H. Glenn Research Center at Lewis Field) был построен под руководством Гарольда Кауфманаruen в 1959 году. В 1964 году прошла первая успешная демонстрация ионного двигателя в суборбитальном полёте (SERT I)[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)[16]. 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[17], и другие серийно устанавливались на советские спутники с 1982 года[18].

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[19], 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].

Миссии[ | код]

Действующие миссии[ | код]

  • Artemis[19]
  • Dawn
  • LISA Pathfinder (ЕКА) использует ионные двигатели в качестве вспомогательных для точного контроля высоты.
  • BepiColombo. Запущен 20 октября 2018 года. ЕКА использовует ионный двигатель в этой меркурианской миссии, наряду с гравитационными манёврами и химическим двигателем для перехода на орбиту вокруг Меркурия в качестве искусственного спутника[19]. На аппарате работает самые мощные на сегодняшний день 4 ионных двигателя суммарной тягой 290 мН[20].

Завершённые миссии[ | код]

  • 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)

Планируемые миссии[ | код]

Нереализованные миссии[ | код]

Компьютерная модель Прометея-1

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[ | код]

Geoffrey A. Landisruen 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]).

См. также[ | код]

Примечания[ | код]

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Choueiri, Edgar Y. (2009) New dawn of electric rocket Scientific American 300, pp. 58-65 DOI:10.1038/scientificamerican0209-58
  2. ↑ Белан Н. В., Ким В. П., Оранский А. И., Тахонов В. Б. Стационарные плазменные двигатели. — Харьк. авиац. ин-т. — Харьков, 1989. — С. 18—20.
  3. ↑ NASA's Dawn Spacecraft Fires Past Record for Speed Change, NASA (7 июня 2010). Проверено 2 октября 2016.
  4. ↑ Marc Rayman. Dawn Journal September 27, 2016 (англ.). NASA (27 September 2016). Проверено 19 ноября 2016.
  5. ↑ Испытан рекордный ионный двигатель (рус.). membrana.ru (12 января 2006). Проверено 22 февраля 2015. Архивировано 24 августа 2011 года.
  6. ↑ Брага Н. Создание роботов в домашних условиях. — М.: НТ Пресс, 2007. — С. 71-79 — ISBN 5-477-00749-4.
  7. ↑ «Собрал летающий ионный двигатель у себя дома» (видео пользователя YouTube KREOSAN, 13 февраля 2017)
  8. ↑ Список публикаций произведения «By Aeroplane to the Sun» в ISFDB  (англ.)
  9. ↑ Peter Nicholls. Ion Drive (англ.). SFE: The Encyclopedia of Science Fiction, online edition, 2011— (DECEMBER 20, 2011). Проверено 1 июля 2018.
  10. ↑ Кочуров, В. Бороздя гиперпространство. Физика и технологии «Звёздных войн». журнал «Мир фантастики» (27 декабря 2005). Проверено 22 февраля 2015.
  11. ↑ Robert H. Goddard: American Rocket Pioneer. Smithsonian Scrapbook. Smithsonian Institution Archives. Проверено 21 февраля 2015.
  12. ↑ Choueiri, E. Y. A Critical History of Electric Propulsion: The First 50 Years (1906–1956). Проверено 21 февраля 2015.
  13. ↑ Морозов А. И. Об ускорении плазмы магнитным полем // ЖЭТФ. — 1957. — Т. 32, вып. 2. — С. 305—310.
  14. ↑ Потомки повелителя ветров: Вместо сердца - плазменный мотор! // Популярная механика. — 2005. — № 12.
  15. ↑ Доктор физико-математических наук А. МОРОЗОВ. КОСМИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОВОЗ. Наука и Жизнь (Сентябрь 1999).
  16. ↑ Innovative Engines - Glenn Ion Propulsion Research Tames the Challenges of 21st Century Space Travel (англ.). Glenn Research Center (20 May 2008). Проверено 22 февраля 2015.
  17. ↑ Стационарный плазменный двигатель СПД-100 (рус.). www.mai.ru. Проверено 19 октября 2017.
  18. ↑ Спутник убийца или благодетель: что запустила Россия в космос?, Slon.ru. Проверено 19 октября 2017.
  19. ↑ 1 2 3 Рахманов, М. Ионные двигатели: от фантастики к реальным пускам (рус.). CNews.ru (30/09/2003). Проверено 22 февраля 2015.
  20. ↑ (2013) "BepiColombo Electric Propulsion Thruster and High Power Electronics Coupling Test Performances" in 33rd International Electric Propulsion Conference. 6–10 October 2013. Washington, D.C... IEPC-2013-133. 
  21. ↑ Jason Mick. Commercially Developed Plasma Engine Soon to be Tested in Space (недоступная ссылка — история). DailyTech (August 11, 2008). Проверено 22 февраля 2015. Архивировано 22 февраля 2015 года.
  22. ↑ The National Academy of Sciences. Launching Science: Science Opportunities Provided by NASA's Constellation System. — Washington, DC : The National Academies Press, 2009. — P. 18. — ISBN 978-0-309-11644-2.
  23. ↑ The National Academy of Sciences. Launching Science: Science Opportunities Provided by NASA's Constellation System. — Washington, DC: The National Academies Press, 2009. — С. 18. — ISBN 978-0-309-11644-2.
  24. ↑ Landis, G. A. звёздный ионный зонд, снабжаемый энергией по лазерному лучу (рус.) (1 сентября 1994). Проверено 22 февраля 2015.
  25. ↑ Ионный двигатель NASA показал новый рекорд производительности (рус.). Hi-News.Ru (14 октября 2017).

Литература[ | код]

  • Морозов А. И. Физические основы космических электрореактивных двигателей. — М.: Атомиздат, 1978. — 328 с.
  • Плазменные ускорители и ионные инжекторы / Морозов А. И.. — М.: Наука, 1984. — 269 с.
  • Форрестер, Т. А. Интенсивные ионные пучки. — М.: Мир, 1992. — 354 с. — ISBN 5-03-001999-0.
  • A.B. Жаринов, Ю. С. Попов, «Об ускорении плазмы замкнутым холловским током», ЖТФ, 1967, Т.37,вып.2.
  • Kaufman H. R., Robinson R. S. Ion Source Design for Industrial Application (англ.) // AIAA Journal : журнал. — 1982. — Vol. 20, no. 6. — P. 745—760.
  • A. I. Morozov and V. V. Savelyev, "Fundamentals of stationary plasma thruster theory, " in Reviews of Plasma Physics, edited by B. B. Kadomstev

and V. D. Shafranov (Kluwer, Dordecht, 2000), Vol. 21.

  • V. Kim, J. Propul. Power 14, 736 (1998).

Ссылки[ | код]

ru.wikibedia.ru

Ионный двигатель - это... Что такое Ионный двигатель?

Испытания ионного двигателя на ксеноне
Ионный двигатель NSTAR американской АМС Deep Space 1

Ионный двигатель — разновидность электрического ракетного двигателя. Его рабочим телом является ионизированный газ (аргон, ксенон и т. п.).

История

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 29 февраля 2012.

Принцип ионного двигателя довольно давно известен и широко представлен в фантастической литературе, компьютерных играх и кинематографе, но для космонавтики стал доступен только в последнее время.

В 1960 году был построен первый функционирующий широко-лучевой (broad-beam) ионный электростатический двигатель (создан в США в NASA Lewis Research Center). В 1964 году — первая успешная суборбитальная демонстрация ионного двигателя (SERT I) тест на выполнимость нейтрализации ионного луча в космосе.

В 1970 году — испытание на длительную работу ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II). С 1970-х годов ионные двигатели на эффекте Холла использовались в СССР в качестве навигационных двигателей (двигатели СПД-60 использовались в 1970-х годах на «Метеорах», СПД-70 на спутниках «Космос» и «Луч» в 1980-х, СПД-100 в ряде спутников в 1990-х).[1]

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

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

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

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[2] 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.

В существующих реализациях для поддержки работы двигателя используются солнечные батареи. Но для работы в дальнем космосе такой способ неприемлем. Поэтому уже сейчас для этих целей иногда используются ядерные установки.

Источником ионов служит газ, как правило это аргон или водород, бак с газом стоит в самом начале двигателя, оттуда газ подаётся в отсек ионизации, получается холодная плазма, которая разогревается в следующем отсеке посредством ионного циклотронного резонансного нагрева. После нагрева, высокоэнергетическая плазма подается в магнитное сопло, где она формируется в поток посредством магнитного поля, разгоняется и выбрасывается в окружающую среду. Таким образом достигается тяга.

С тех пор плазменные двигатели прошли большой путь и разделились на несколько основных типов, это электротермические двигатели, электростатические двигатели, сильноточные или магнитодинамические двигатели и импульсные двигатели. В свою очередь электростатические двигатели делятся на ионные и плазменные (ускорители частиц на квазинейтральной плазме).

Ионный двигатель использует в качестве топлива ксенон или ртуть. Первый ионный двигатель назывался сетчатый электростатический ионный двигатель. В ионизатор подается ксенон, который сам по себе нейтрален, 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 2 или 3 сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против — 225 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 по двум причинам:

  • чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным;
  • чтобы ионы «нейтрализованные» таким образом не притягивались обратно к кораблю.

Чтобы ионный двигатель работал нужны всего 2 вещи — газ и электричество.

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.

Перспективы

Ионный двигатель с ядерным реактором имеет небольшое ускорение, что делает его непригодным для межзвездного полета[3][4].

Действующие миссии

  • SERT
  • Deep Space 1
  • Artemis
  • Hayabusa
  • Smart 1
  • Dawn
  • GOCE

Планируемые миссии

BepiColombo

ЕКА планирует использовать ионный двигатель в меркурианской миссии BepiColombo. Он будет базироваться на двигателе, основанном на Смарт-1, но станет более мощным (запуск намечен на 2011—2012).

GSAT-4 LISA Pathfinder Международная космическая станция

Нереализованные проекты

NASA вело 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 настоящее время идёт поиск более простого проекта АМС для первого испытания по программе «Прометей».

Примечания

См. также

Ссылки

muller.academic.ru