Возможности ионного двигателя. Космический ионный двигатель


Освоение космоса: с чем едят ионные двигатели?

В научно-популярной литературе мне всегда было интересно читать статьи на тему освоения космоса. Да и в научной фантастике произведения на эту тему мною любимы более всего. Если нам не удастся расселиться за пределы Земли, смысла в существовании человеческой цивилизации будет не больше, чем в существовании динозавров. В самом деле — планете около 4 миллиардов лет, а разумному человечеству в лучшем случае около 100 тысяч. Если представить, что наша звезда с ее планетами — одна из триллионов звезд, составляющих нашу галактику (Млечный путь), а таких галактик во Вселенной еще больше, чем в нашей звезд… ну, Вы поняли. И здесь главным препятствием на пути к исследованию ближнего и дальнего космоса являются расстояния, отделяющие нас, землян, от всего остального.

Миссии по исследованию удаленных планет Солнечной системы занимают годы только на то, чтобы исследовательский аппарат долетел до своей цели. На пример, чтобы добраться до Сатурна, аппарту Cassini потребовалось около 8 лет (запущен в 1997, достиг планеты и ее лун в 2004) и он до сих пор продолжает работать. А ведь за несколько лет технический прогресс рождает все более совершенные устройства и то,что казалось вершиной достижений науки и техники еще вчера, через два года оказывается безнадежно устаревшим. В общем, проблема преодоления огромных расстояний будет актуальной всегда и здесь намечается нечто интересное.

Одним из перспективных устройств, обеспечивающих перемещение космических летательных аппаратов непосредственно в космосе считаются ионные двигатели. Есть и другие перспективные технологии, но именно ионные двигатели получили более-менее широкое распространение на всех типах космических аппаратов — от спутников связи на низких земных орбитах до дальних исследовательских зондов. Что же представляет из себя ионный двигатель? Если коротко, принцип его работы выглядит так: рабочее тело (как правило, инертный газ) ионизируется под воздействием электрического поля либо радиоволн. Полученные ионы (положительно заряженные частицы) затем разгоняются в сопле электростатическим либо электромагнитным способом. Струя вырывающихся из сопла ионов и создает тягу в ионном двигателе. По скольку такая реактивная струя в чистом виде представляла бы из себя поток необычайно активных положительно заряженных частиц (ионов), это привело бы к быстрому разрушению материала как сопла, так и корабля. Для предотвращения такого разрушения (ионной коррозии) в струю добавляют электроны (отрицательно заряженные частицы) так, чтобы на выходе она имела нейтральный заряд. Конструкция в сборе и представляет из себя ионный двигатель, отличаясь разными способами получения и ускорения ионов и электронов. Ах, да — всем двигателям, не зависимо от их конструкции, нужен очень мощный источник электроэнергии.

По сути, ионный двигатель представляет из себя устройство по преобразованию электрической энергии в кинетическую. И здесь мы наблюдаем интересную картину — потребляя в постоянном режиме 25 кВт электрической мощности, советские ионные двигатели развивали максимальную тягу приблизительно в 95 грамм! Американские при мощности потребления от 2 до 20 кВт — от 9 до 40 грамм! Понятно, что толкать многотонные аппараты с усилием в 10 грамм даже в условиях невесомости и вакуума можно очень долго, а 2 кВт это не мало.

В целом, ионные двигатели рассчитаны на длительную непрерывную работу неделями, месяцами и даже годами, обеспечивая постоянное ускорение аппарата. Скажем, двигатель аппарата Dawn способен ускорить его от 0 до 97 км/ч за…4 дня. Но зато в следующие 4 дня скорость возрастет до 194 км/ч и так пока не кончится источник ионов — рабочее тело, либо источник электроэнергии.

Чтобы долететь до ближайшего к нам Марса последнему аппарату (NASA Phoenix Mars lander) потребовалось чуть менее года. А новый тип ионного двигателя от американской компании Ad Astra Rocket обещает нам покрыть это расстояние за 39 дней! Правда, ценой энергозатрат примерно до 20 МВт/час! Двадцать мегаватт электроэнергии на борту космического корабля уже сами по себе звучат внушительно. Пока, правда, компания испытала прототип своего нового двигателя с потребляемой мощностью 201 кВт и максимальной тягой 500 грамм. Простое соотношение потребления мощности к тяге показывает, что двигатель принципиального прорыва не обещает, но вот возможность использования такой мощности в одном устройстве, а также ряд конструктивных особенностей делают его интересным.

Ионный двигатель нового типа VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) работает по принципу ускорения ионизированного газа (аргона) в магнитном поле, или проще — ускоряет плазму. При этом сама плазма получается в воздействием на газ радиоволн — примерно как в микроволновой печи. Полученная плазма удерживается и ускоряется в магнитных ловушках. Это исключает ее контакт с материальными частями двигателя и корабля: струя плазмы контактирует только с магнитными полями, что резко уменьшает ионную (плазменную) эрозию. Преимущества двигателя в дешевизне рабочего тела — газа аргона и потенциально неограниченной потребляемой электрической мощности — сколько есть на борту, всю можно пустить на генерацию и разгон плазмы. Вариант двигателя в 201 кВт расходует 30 кВт на создание плазмы и 150 на ее разгон… остальное идет на работу магнитов и других систем двигателя.

Перспектива этого двигателя лежит в его масштабируемости — можно делать как маломощные движки на десятки или сотни киловатт, так и мощные двигатели на десятки мегаватт для межпланетных летательных аппаратов. При этом вес двигателя составляет примерно 1.5 кг на кВт, а вес рабочего тела — сотые доли от веса ракетного топлива, потребовавшегося бы для перемещения на расстояние от Земли до Марса. Запаса «бака с горючим» весом в 425 кг ему хватит на 2100 дней работы на средней мощности ускорения. Меньший вес означает больше полезной нагрузки и научного оборудования, длительное время работы — более высокую скорость и дальность полета.

NASA уже заказало пробные образцы для установки на МКС, а ты? для выполнения операций по коррекции орбиты станции. В дальнейших планах — доставка грузов с орбиты Земли на орбиту Луны. Правда вопрос — где взять 20 МВт электроэнергии на борту космического корабля остается открытым. Атомные реакторы на космических кораблях могли бы предоставить такую мощность, но из-за страха перед зелеными врагами человечества (зелеными человечками??!!) ни один действительно ядерный реактор в космос не полетел. Кстати, не понимаю, почему бы не использовать в космосе небольшие реакторы по типу тех, что используются в атомных подводных лодках, авианосцах, крейсерах? За 50 лет эксплуатации сотен таких установок флотами мировых государств на боевых и коммерческих кораблях не было ни одной серьезной утечки или аварии. А ведь море — оно не космос, там волны, и акулы, и можно утонуть…И еще ни разу не слышал о зеленых, протестующих против атомных авианосцев или ракетных крейсеров.

<

p align=»center»>

В общем, ионные двигатели едят с ядерными реакторами.

itc.ua

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

dvc.academic.ru

Возможности ионного двигателя

Ионный двигатель относится к классу электрических ракетных двигателей и обладает высокой удельной тягой и экономичностью. Его применение для полета на планеты Солнечной системы позволит увеличить скорость космического корабля в десятки раз.

Человечество подошло к тому рубежу, когда имеющиеся в его распоряжении технологии космических двигателей себя исчерпали. Начиная с первых полетов в космос и до настоящего времени в космических аппаратах используются жидкостные ракетные двигатели. Несмотря на технический прогресс, их характеристики мало изменились, – по сути, они достигли своего предела. Поэтому ученые ищут возможности для реализации более совершенных типов ракетных двигателей. Одной из наиболее перспективных разработок сегодня считается ионный двигатель. В отличие от жидкостного двигателя, которому требуется гигантское количество топлива для достижения требуемой скорости, ионный двигатель очень экономичен. Пока его нельзя использовать для старта с Земли, так как он не обладает требуемой тягой, зато его удельная тяга очень велика. Такой двигатель позволит плавно разогнать космический корабль до сотен км/c, что для современных ЖРД невозможно в принципе. Для этого потребовалось такое количество топлива, что на полезную нагрузку не осталось бы места.

Ионный двигатель относится к электрореактивным ракетным двигателям. Принцип его работы следующий. Ионы проходят через электрическую решетку и вылетают через сопло двигателя, разгоняясь магнитным полем. В современных разработках, таких, как проект VASIMR для повышения эффективность ионного двигателя повышается за счет нагрева частиц до состояния плазмы. Для этого, в частности применяется радиочастотный генератор. Температура плазмы достигает миллионов градусов, что сопоставимо с температурой внутри Солнца. В результате достигается высокий КПД, что открывает широкие возможности для исследования как ближних, так и дальних планет Солнечной системы.

Чтобы дать наглядное представление о возможностях ионного двигателя, достаточно привести несколько цифр. Для полета на Марс с традиционным жидкостным двигателем космическому кораблю потребовалось бы от 2 до 4 лет полета в одну сторону, в то время как ионный двигатель позволит преодолеть это расстояние менее, чем за 40 дней. Это открывает возможность для пилотируемых экспедиций, поскольку время пребывания в пути становится приемлемым для экипажа. Важной проблемой, которую требуется решить при создании мощных ионных двигателей, является обеспечение силовой установки электроэнергией, которой для большого космического аппарата требуется немало. Солнечные батареи могут быть использованы лишь частично и лишь при условии близкого нахождения к Солнцу. Кардинально решить вопрос может решить ядерный реактор, который в данный момент разрабатывается Россией. Считается, что это будет ядерный ракетный двигатель. Но он может работать на разных принципах: как создавая тягу, непосредственно разгоняя рабочее вещество, так и в качестве энергоустановки. Подробности этого проекта не разглашаются, однако, в случае его успешного создания он сможет обеспечить энергией любую электрореактивную силовую установку, в частности ионный двигатель. Авторы российского проекта планируют завершить разработку к 2018 году.

Солнечно-электрический двигатель позволит непосредственно преобразовывать солнечную энергию в электричество, которое, в свою очередь, даст возможность ускорять ионы тяжелых элементов до огромных скоростей. Прототипы подобных двигателей уже используются в космосе. С помощью одного из них в настоящее время осуществляется перевод спутника связи Artemis на его штатную орбиту, которая вследствие неполадок с ракетой-носителем оказалась значительно более низкой, чем расчетная.

В ряде проектов ESA по исследованию космического пространства с помощью автоматических аппаратов предусматривается использование ионного двигателя в качестве основной двигательной установки.

В начале 2003 года с космодрома Куру во Французской Гвиане выведен на орбиту небольшой аппарат SMART-1, который с помощью ионного двигателя должен добраться до Луны. В ходе полета SMART-1 пройдут испытания новые методы маневрирования космическим аппаратом, которые позволят аппарату европейского космического агентства BepiColombo, с помощью ионного двигателя и маневра в гравитационном поле Луны добраться до Меркурия.

"С помощью химической двигательной установки можно либо пролететь мимо, либо вывести аппарат на очень вытянутую орбиту вокруг планеты. Достичь же орбиты Меркурия и исследовать его можно лишь с помощью электрической двигательной установки", - пояснил Джузеппе Ракка, руководитель проекта SMART-1.

Солнечно-электрический двигатель планируется использовать также в автоматической исследовательской станции Solar Orbiter, которому предстоит выйти из плоскости эклиптики и изучить строение Солнца в области высоких широт.

В связи с тем, что ионному двигателю не требуется большое количество рабочего вещества, удастся взять на борт значительно больше научной аппаратуры. Правда, в полной мере его преимущества могут быть использованы лишь при исследовании небесных тел во внутренней части Солнечной системы, где достаточное количество электроэнергии можно получать с помощью солнечных батарей. Для изучения более удаленных от Солнца областей космического пространства применение ионного двигателя станет возможным в сочетании с другим источником энергии - возможно, ядерным генератором.

Американское аэрокосмическое агентство NASA закончило длившиеся пять лет испытания ионных двигателей NEXT. Это стало окончанием самого длительного непрерывного теста космических двигательных установок в наземных условиях. Испытания показали, что новые двигатели не только достаточно надежны и способны проработать без поломок пять лет подряд, но и тратят в десять раз меньше топлива для ускорения космического аппарата. Подробности приводит официальный сайт агентства.

Экспериментальный двигатель был смонтирован в вакуумной камере. Далее его подключили к источнику электроэнергии и баку с ксеноном. В рабочую камеру устройства поступали атомы ксенона, туда же направлялся пучок электронов и затем электроны вызывали ионизацию атомов инертного газа. При столкновении ксеноновых атомов с электронами получалось уже два электрона и тяжелый положительный ион, который подхватывался электрическим полем. Электрическое поле создавало поток ионов ксенона, ускоренных до сорока километров в секунду и выбрасывало через сетчатый электрод наружу. Через отдельное сопло выбрасывались электроны: при включении за двигателем возникало голубое свечение созданной им плазмы.

Обратите внимание на сетку, которой закрыто сопло: это ускоряющий ионы ксенона электрод. Сверху можно заметить маленькое сопло, вокруг которого видно фиолетовое свечение: через него выходят электроны.

Тяга, как показали испытания, соответствовала расчетной и при этом небольшой в абсолютном выражении. NEXT развивал тягу всего в 236 миллиньютонов, то есть на Земле такой силы хватило бы только на то, чтоб удержать в воздухе массу около 24 грамм. Однако при этом за все время работы двигатель мог бы придать тому аппарату, на котором установлен, такой импульс, который возможно получить лишь при помощи ракетного двигателя, сжигающего более десяти тонн топлива. Ксенона, для сравнения, ушло лишь 800 килограмм, а электрическая мощность опытной установки в семь киловатт допускает питание от солнечных батарей с площадью в несколько десятков квадратных метров: что вполне реально для автоматических межпланетных станций, АМС.

Экономичность ионных двигателей как таковых является главным их преимуществом, поэтому сам факт малого расхода рабочего вещества NEXT не стал неожиданностью. Основным результатом испытаний, как утверждают разработчики NEXT, стало подтверждение того, что двигатель существенно превосходит предыдущие образцы. Он намного совершеннее двигателей NSTAR, которые были установлены на АМС Deep Space: как по абсолютной величине тяги, так и по эффективности.

В настоящее время инженеры NASA рассматривают NEXT как возможный двигатель для установки на АМС к Титану или Энцеладу, спутникам газовых планет-гигантов. Расчеты показывают, что применение ионного ускорителя может сэкономить в таких перелетах до нескольких тонн топлива и за счет этого увеличить массу научных приборов.

Ионные двигатели: от фантастики к реальным пускам

Минувшая неделя ознаменовалась успешным стартом первой в мире исследовательской станции, оснащенной ионным двигателем в качестве основного. SMART 1 – первая европейская экспедиция для исследования Луны. В то же время, это уникальная исследовательская станция нового типа, первая в новой программе ESA под названием Small Missions for Advanced Research in Technology, в ходе которой запланирована апробация целого ряда новых технологий.

Спутник создан по заказу ESA Шведской космической корпорацией при участии почти 30 субподрядчиков из 11 европейских стран и США. Общая стоимость проекта составила 110 млн. евро.

SMART 1 — первая автоматическая станция ESA для исследования Луны. В то же время, это уникальная исследовательская станция нового типа, первая в новой программе ESA под названием Small Missions for Advanced Research in Technology. В ходе выполнения программы запланирована апробация целого ряда новых технологий, например, связь в Ка-диапазоне и лазерная связь, автономная навигация и многое другое.

Solar Orbiter

При достаточно большом количестве аппаратуры, SMART 1 отличается малым весом и компактностью. Со сложенными солнечными батареями он представляет собой прямоугольник размером в метр. Стоимость SMART 1 примерно раз в пять меньше, чем типичной межпланетной станции ESA. Но самая главная особенность нового космического аппарата в том, что впервые в истории космонавтики ионный двигатель будет использован в качестве основного. В ближайших планах ESA — запуск еще двух аппаратов, оснащенных ионной двигательной установкой. Это BepiColombo для исследования Меркурия и Solar Orbiter — для изучения Солнца.

BepiColombo

Установленный на SMART 1 ионный двигатель потребляет 1350 Ватт электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями, и развивает тягу в 0,07 Ньютон, что примерно соответствует весу почтовой открытки. Рабочим веществом служит ксенон . При этом для выхода на эллиптическую полярную орбиту вокруг Луны станции потребуется 16 месяцев. Выведение SMART 1 на расчетную орбиту представляет собой сложный многоступенчатый процесс, состоящий из нескольких этапов.

За последние годы в связи с созданием мощных ускорителей заряженных частиц и плазменных преобразователей тепла непосредственно в электричество начались разработки так называемых ионных реактивных двигателей для ракет.

Главным соблазном здесь является возможность сначала превратить в низкотемпературную плазму, т. е. ионизировать, газообразное топливо, а затем ускорить полученные ионы до скоростей, сопоставимых со скоростью света, а тем самым увеличить тягу двигателей во столько раз по сравнению с обычными видами топлива, во сколько раз скорость истечения ионов превышает скорость истечения газообразных продуктов сжигания химического топлива, если брать их одинаковые количества. Отсюда повышенные грузоподъемность, скорость и дальность полета ракет, больший за-пас поднимаемого ими топлива и другие столь же решающие преимущества.

Естественно, что при применении ионных двигателей ничего не дается даром. Для того чтобы иметь возможность ионизировать огромное количество атомов газообразного топлива, а затем разогнать полученную массу заряженных частиц до скоростей порядка десятков и сотен тысяч километров в секунду, необходимо устанавливать на ракете мощные источники энергии, вес и объем которых «съедят» значительную долю преимуществ, приобретенных за счет огромного выигрыша в скорости истечения реактивной струи. Однако подсчеты, проведенные учеными, показали, что игра, безусловно, стоит свеч. В результате длительных исследований плазменные двигатели, созданные советскими учеными, впервые были применены на автоматической межпланетной станции «Зонд-2» в 1964 г.

Устройство ионного двигателя исключительно просто. Основная его часть — электрический генератор, создающий сильное электрическое поле высокого напряжения. Источником положительно заряженных ионов могут быть газообразные вещества, например водород и гелий, легкий металл цезий или другие вещества, ионизирующиеся, т. е. теряющие свои электроны уже при сравнительно невысоких температурах — порядка двух — пяти тысяч градусов. Попадая в электрическое поле мощного ускорителя, ионы разгоняются до космических скоростей и выбрасываются из хвостовой части двигателя, создавая таким образом тягу.

X-37B испытает новый ионный двигатель на эффекте Холла

Беспилотный космический самолет X-37B, который является одной из секретных технологий ВВС США, готовится к очередному запуску в рамках миссии Orbital Test Vehicle 4. Как обычно запуск будет производиться с космодрома на мысе Канаверал и когда этот небольшой космический корабль выйдет на околоземную орбиту он произведет "боевые" испытания нового ионного двигателя на основе эффекта Холла.

Космический корабль X-37B, который напоминает Шаттл в миниатюре, является одним из двух идентичных аппаратов, построенных компанией Boeing Phantom Works. В настоящее время эти два космических корабля совершили три длительных космических полета, пробыв на околоземной орбите 1367 суток в общей сложности. Задачи, которые решали эти аппараты в космосе, покрыты тайной, а руководства американских ВВС отделывается лишь отговорками об испытаниях технологий космических аппаратов многократного использования.

Ионные двигатели Холла, которые помогут кораблю X-37B выполнить его миссию, являются ионными двигателями, весьма похожими на ионные двигатели, которые позволили исследовательскому космическому аппарату Dawn побывать возле астероида Веста, добраться до карликовой планеты Церера, установив по пути рекорд скорости перемещения в космическом пространстве. Ионные двигатели используют электроны для ионизации атомов инертного газа, ксенона, которые затем ускоряются при помощи электрических полей и вырабатывают реактивную тягу. Хотя вырабатываемая ионным двигателем сила тяги эквивалентна весу листа бумаги, двигатель чрезвычайно эффективнее и может непрерывно работать в течение многих лет, разгоняя космический аппарат до очень высоких скоростей.

Экспериментальный ионный двигатель Холла был разработан совместными усилиями специалистов Научно-исследовательской лаборатории ВВС США, центра Space and Missile Systems Center и управления Rapid Capabilities Office. Он, в сущности, является модернизированным вариантом двигателей, используемых на первых трех спутниках системы военной космической связи Advanced Extremely High Frequency.

Когда, находясь на околоземной орбите, космический корабль X-37B включит ионный двигатель, начнется передача на Землю потока телеметрических данных, которые будут содержать информацию о функционировании и режимах работы двигателя, о силе вырабатываемой им тяги и о многом другом. Собранные в ходе экспериментального запуска данные будут использоваться для улучшения конструкции очередных ионных двигателей, которые уже будут предназначаться для фактической работы на орбите.

Источники: www.objectiv-x.ru, www.nkau.gov.ua, gizmod.ru, www.cnews.ru, www.scientificlife.ru, texnomaniya.ru

Это интересно

Загадочный дом

Во многих московских театрах, домах культуры и старинных особняках живут приведения. Этот факт ни для кого ...

Многоразовый космический корабль Orion

Ракета-носитель Delta IV с многоразовым космическим кораблем Orion стартовала 5 декабря 2014 года с космодрома на мысе ...

Осирис - бог Египта

До того, как бог Египта Осирис и Исида стали во главе Та-Камет, Египтяне были безграмотны, науками не ...

Последствия извержения вулкана Йеллоустоун

В соответствии с полученной компьютерной моделью, мощное вулканическое извержение обрушит на территорию США до 1000 куб. км пепла. ...

Ковчег Завета - тайна исчезновения

 Библия: Ковчег Завета Ковчег Завета, или ковчег Откровения… Согласно Библии — это ковчег, в котором хранились камен­ные скрижали Завета ...

Строительство из реголита

Инженеры из Европейского Космического Агентства разработали и испытали 3D-принтер, печатающий реголитом с помощью солнечного света. Для создания космической ...

Френ. Часть1

В давние времена жили в Бретани два рыцаря. Они были со­седями и близкими друзьями. Оба они были ...

  • Валькирии в скандинавских мифах

    Слух о волшебнице Медее скоро распространился по всему го­роду. Говорили, будто бы она может возвращать людям молодость. И Медея...

  • Опасные обитатели морей

    Долго скитался рыцарь по стране, пока не дошел до города Корбеник. Жители разрешили ему заночевать под стенами замка. В те дни посвящали в...

objective-news.ru

Космос: Ионный двигатель - что это такое?

Ионный двигатель — хорошо отработанная на практике и исторически первая разновидность электрического ракетного двигателя. Недостатком ионного двигателя является малая тяга (например, разгон космического аппарата с весом автомобиля от 0 до 100 км/ч требует больше двух суток непрерывной работы ионного двигателя), которую невозможно увеличить из-за ограничений объёмного заряда.

Однако малый расход топлива (точнее, рабочего тела) и продолжительное время функционирования ионного двигателя (максимальный срок непрерывной работы самых современных образцов ионных двигателей составляет более пяти лет) позволяет за длительный промежуток времени разогнать космический аппарат небольшого веса до приличных скоростей. 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 небольшой автоматической космической станции. Характеристики ионного двигателя: потребляемая мощность 1-7 кВт, скорость истечения 20-50 км/с, тяга 20-250 мН, КПД 60-80 %. Рабочим телом является ионизированный газ (аргон, ксенон и т. п.).

Ионному двигателю в настоящее время принадлежит рекорд негравитационного ускорения космического аппарата в космосе без использования жидкостного ракетного двигателя — Deep Space 1 смог увеличить скорость на 4,3 км/с, израсходовав 74 кг ксенона (этот рекорд скорости в ближайшее время планируется превзойти на 10 км/с космическим аппаратом Dawn). Однако ионный двигатель не является самым перспективным типом электроракетного двигателя, поэтому данный рекорд скорости, скорее всего, будет превзойдён холловским или магнитоплазмодинамическим двигателем.Существует проект межзвёздного зонда с ионным двигателем, получающим энергию через лазер от базовой станции, что дает некоторое преимущество по сравнению с чисто космическим парусом (в настоящее время данный проект неосуществим из-за технических ограничений

История

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. Однако реальный ионный двигатель по величине тяги оказался намного хуже фантастических моделей.

Прообраз ионного двигателя был создан в 1917 году Робертом Годдардом, а в 1954 году Эрнст Штулингер улучшил его характеристики.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 прошла первая успешная суборбитальная демонстрация ионного двигателя (SERT I) в тесте на выполнимость нейтрализации ионного луча в космосе.

В 1970 году прошло 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 гг., СПД-100 — в ряде спутников в 1990-х гг.).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 г. и японский аппарат Хаябуса, запущенный к астероиду в мае 2003 г.

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 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

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 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, 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 подаётся в магнитное сопло, где она формируется в поток магнитным полем, разгоняется и выбрасывается в окружающую среду. Таким образом достигается тяга.

С тех пор плазменные двигатели прошли большой путь и разделились на несколько основных типов — электротермические, электростатические, сильноточные или магнитодинамические 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 подаётся 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-х или 3-х 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 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. Однако разрабатываются более совершенные и мощные типы электроракетных двигателей (холловский и магнитоплазмодинамический), превосходящие ионный двигатель по величине тяги и, как следствие, конечной скорости космического аппарата.

cosmoss1.blogspot.com