Содержание
Ионные двигатели схемы Кауфмана, двигатели NSTAR, NEXT, NEXIS, T-6 презентация, доклад
Выполнил: Тяпкин Алексей
Группа: Э8-101
Ионные двигатели схемы Кауфмана, двигатели NSTAR, NEXT, NEXIS, T-6
Принципиальная схема электростатического ионного двигателя
Ионный двигатель схемы Кауфмана
1 – катод
2 – анод
3 – разрядная камера
4 – магнитная катушка
5 – ФЭ
6 – УЭ
7 – ЗЭ
8 – КК
Конструкция ИД схемы Кауфмана
10 – Ионный двигатель
12 – Корпус
14 – Задний фланец
16 – Ускоряющая система
18 – Трубопровод
20 – Цилиндрический анод
22 – Стена разрядной камеры
24 – Термокатод
26, 28 – Токоподводы для термокатода
30, 32 – Изоляторы
34 – Кольцевой зазор
36 – Изолятор
38 – Магнитная катушка
Различные варианты подвода р. т.
40, 44 – Сетки
42 – Кольцевая пластина
46, 50, 52 – Центрирующие изоляторы
48 – Крепежная скоба
54, 60 – Кольцевые пластины
56 – Кольцевой выступ
58 – Трубчатый элемент
62 – Электропроводящие стержни
64, 66 – изоляторы
68 – Кольцевая пластина
70 – Фланец
Расчет ионного двигателя
Ионный двигатель NSTAR
В 1998 г. стартовал первый межпланетный проект “Deep Space 1”, в котором использовались ИД схемы Кауфмана в качестве маршевого двигателя. Это был 30-сантиметровый ИД, названный NSTAR (NASA Solar Electric Propulsion Technology Application Readiness). В соответствии с задачами полета, для достижения астероида Брайле двигатель отработал 16 265 часов, создав требуемое приращение характеристической скорости КА.
При этом полный расход ксенона составил только 12 кг.
На орбите Земли максимальная мощность двигателя составляла 2,3 кВт, тяга 92 мН, удельный импульс 33 000 м/с. Полная наработка двигателя в процессе стендовых испытаний составила 26 000 часов.
NSTAR, установленный на “Deep Space 1”
Зависимость тяги от мощности
Радиальное распределение плотности тока
Ионный двигатель NEXT
Двигатель NEXT пришел на замену двигателя NSTAR, как более совершенный по своим характеристикам и более дешевый.
Данный двигатель установил мировой рекорд по продолжительности работы среди космических двигателей любого типа.
Он проработал более 48 000 часов без перерыва. За это время он израсходовал 870 кг Xe.
Диаметр – 50 см.
Тяга – 26 … 237 мН.
Мощность – 0,5 … 6,9 кВт.
Удельный импульс – до 4190 с.
Схема ионного двигателя NEXT
Характеристики двигателя в разных режимах работы
Радиальное распределение плотности тока
(20 мм от двигателя)
Износ сеток двигателя NEXT
Ионный двигатель NEXIS
Данный двигатель был разработан для программы «Прометей».
«Прометей» (Prometheus) — программа НАСА, предусматривавшая разработку ядерной двигательной установки для космических аппаратов. Реализация проекта была прекращена из-за нехватки средств.
В рамках программы предусматривался запуск в 2016 году космического аппарата, который исследовал бы спутники Юпитера.
Диаметр – 65 см.
Тяга – до 600 мН.
Мощность – до 25 кВт.
Удельный импульс – 6000…9000 с.
Конфигурация магнитного поля в ИД NEXIS
Изменение характеристик ИД NEXIS в течение испытаний
Износ частей двигателя после 2000-часовых испытаний
Ионный двигатель T6
Ионный двигатель Т6 был разработан для КА “Bepi Colombo”. Двигательная установка “Bepi Colombo” состоит из 4 ионных двигателей Т6. Космический аппарат “BepiColombo” доставит к Меркурию два отдельных орбитальных аппарата, первый будет выполнять съемку и картографирование поверхности, второй будет заниматься изучением магнитосферы планеты.
Как ожидается, “BepiColombo” доберется до Меркурия в 2019 году и начнет передавать на Землю научные данные о составе планеты.
Тяга – 75 … 145 мН. Диаметр – 22 см.
Мощность – 2,5 … 4,5 кВт.
Удельный импульс – до 4300 с.
Параметры ИД Т6
Зависимость удельного импульса и потребляемой мощности от тяги
Характеристики различных ионных двигателей
Список использованных источников
John R. Brophy, Roy Y. Kakuda, James E. Polk, John R. Anderson, Michael G. Marcucci, David Brinza, Michael D.
Henry, Kenneth K. Fujii, Kamesh R. Mantha, John F. Stocky. “Ion Propulsion System (NSTAR) DS1 Technology Validation Report”
IEPC-2007-033
IEPC-2007-276
IEPC-2009-154
IEPC–2009–163
IEPC-2013-121
AIAA–2008–4812
AIAA–2010–6701
AIAA 2010-7114
JANNAF 1211
Скачать презентацию
Схема плазменно ионного двигателя
Содержание
- Как работает плазменный ракетный двигатель
- Плазма: четвертое состояние материи
- Типы плазменных ракет
- Следующая остановка . Марс?
- Ионный двигатель: невероятная скорость уже в наши дни
Как работает плазменный ракетный двигатель
5. 4. Три. Два. Один. Старт! В небо взлетает ракетный корабль, быстро выходящий за пределы нашей атмосферы и в космос. В последние полвека люди ушли от изумлённого созерцания звезд, мерцающих в ночном небе, и фактически живут месяцами на Международной космической станции среди небесных тел. И пока люди ступили только на Луну, высадка на дальние объекты была зарезервирована только для беспилотных летательных аппаратов и роботов.
Одно люди очень заинтересованы в посещении Марса. Помимо реальных проблем приземления и расходов, на красной планете существует большое препятствие – туда надо добраться. В среднем, до Марса около 225,3 миллиона километров от Земли. Даже в ближайшей точке он все еще находится на расстоянии около 56,3 миллионов километров от нашей планеты. Используя обычные химические ракеты, которые переносят нас в космическое пространство, потребуется не менее семи месяцев, чтобы добраться туда — не совсем короткий промежуток времени. Есть ли способ сделать это быстрее? Да! Войдите в плазменную ракету!
Вместо использования обычного ракетного топлива ученые и инженеры обратились к разработке плазменных ракет, чтобы продвинуть нас к дальнейшим космическим пространствам. В этом типе ракеты используется сочетание электрических и магнитных полей для разрушения атомов и молекул пропеллентов в коллекцию частиц, которые имеют либо положительный заряд (ионы), либо отрицательный заряд (электроны). Другими словами, газ-пропеллент становится плазмой.
Во многих конфигурациях этого двигателя затем применяется электрическое поле для извлечения ионов из задней части двигателя, которые обеспечивают тягу космическому аппарату в противоположном направлении. Благодаря этой технологии, космический корабль мог теоретически достичь скорости 198 000 км/ч.
Плазма: четвертое состояние материи
Мир обычно состоит из веществ в трех состояниях: твердые, жидкие и газообразные. Когда вещество холодное, оно твердое. Когда оно нагревается, то превращается в жидкость. Когда тепла еще больше, вы получаете газ. Однако история не заканчивается. Когда вы добавляете еще больше тепла, вы получаете плазму! Дополнительная энергия и тепло разрывают нейтральные атомы и молекулы в газе в типично положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные электроны. Заряженные частицы придают плазме интересные проводящие свойства, поэтому плазменная технология используется для изготовления всех видов предметов, которые мы используем каждый день. С помощью плазменной технологии создаются компьютерные чипы, неоновые вывески, даже металлическое покрытие на внутренней стороне пакета картофельных чипсов.
И, конечно же, есть плазменный телевизор, который использует плазму для выпуска световых фотонов, что дает вам цветное изображение из пикселей на экране. Фактически, 99% обычной материи во Вселенной находится в состоянии плазмы.
Большинство звезд, включая наше Солнце, сделаны из плазмы. Если это так распространено во Вселенной, почему бы нам не использовать это на Земле? Северное и южное сияние создаются солнечными ветрами. А что такое солнечные ветры? Плазма! Хорошо, не всем посчастливилось увидеть эти впечатляющие световые представления, но вы можете видеть плазму в действии во время еще одного удивительного светового шоу, существующего в природе: гроза. По мере того, как электричество в молнии течет по воздуху, оно обеспечивает столько энергии молекулам на своем пути, что газы на молниеносной тропе фактически превращаются в плазму.
Плазменная технология также используется в ракетах, чтобы помочь нам преодолевать космическое пространство, и она обещает доставить людей в места, о которых мы могли только мечтать.
Эти ракеты должны находиться в вакууме космического пространства для работы, поскольку плотность воздуха вблизи земной поверхности замедляет ускорение ионов в плазме, необходимых для создания тяги, поэтому мы не можем фактически использовать их для старта с Земли. Однако некоторые из этих плазменных двигателей работают в космосе с 1971 года. NASA обычно использует их на Международной космической станции и спутниках, а также для основного источника для движения в глубокое пространство.
Типы плазменных ракет
Все плазменные ракеты работают по одному и тому же принципу: электрические и магнитные поля работают бок о бок, чтобы сначала преобразовать газ — обычно ксенон или криптон — в плазму, а затем ускоряют ионы в плазме из двигателя со скоростью более 72 400 км/ч, создавая тягу в направлении желаемого путешествия. Существует много способов, которыми эта формула может быть применена для создания рабочей плазменной ракеты, но есть три типа, которые выделяются как лучшие и наиболее перспективные.
Двигатель Холла являются одним из двух типов плазменных двигателей, которые в настоящее время используются регулярно в космосе. В этом устройстве электрические и магнитные поля устанавливаются перпендикулярно в камере. Когда электричество посылается через эти дуэльные поля, электроны начинают крутиться. Когда газ-пропеллент проникает в устройство, высокоскоростные электроны выбивают электроны из атомов в газе, создавая плазму, состоящую из свободных электронов (несущих отрицательные заряды) и положительно заряженных атомов (ионов) пропеллента. Эти ионы вырываются из задней части двигателя и создают тягу, необходимую для продвижения ракеты вперед. В то время как два процесса ионизации и ускорения ионов происходят поэтапно, они происходят в одном и том же пространстве в этом двигателе. Холл-двигатели могут генерировать значительное количество тяги для используемой входной мощности, поэтому они могут идти невероятно быстро. Но есть ограничения на их топливную эффективность.
Более экономичен решетчатый ионный двигатель .
В нем обычно располагают электрические и магнитные поля вдоль стен камеры двигателя. При подаче электрической энергии электроны высокой энергии осциллируют в магнитных полях вблизи стен и вдоль них. Подобно движению Холла электроны способны ионизировать газ пропеллента в плазму. Для того чтобы сделать следующий шаг создания тяги, электрические решетки располагаются в конце камеры, чтобы ускорить ионы. В этом двигателе ионизация и ускорение происходят в двух разных пространствах. В то время как двигатель с решетчатым игольчатым двигателем является более экономичным, чем двигатель Холла, недостатком является то, что он не может генерировать столько же тяги на единицу площади. В зависимости от типа работы, ученые и аэрокосмические инженеры выбирают, ищут какой двигатель лучше подходит для миссии.
Наконец, есть третий тип двигателя: VASIMR , сокращение от Magnetoplasma Rocket Variable Specific Impulse . Эта ракета, разработанная бывшим астронавтом Франклин Чангом Диасом, существует только на этапе испытаний.
В этом устройстве ионы создаются с помощью радиоволн, генерируемых антенной для образования плазмы. Другая антенна, расположенная дальше по течению, добавляет энергию, которая заставляет ионы вращаться по кругу очень быстро. Магнитное поле обеспечивает направленность так, что ионы выделяются из двигателя по прямой линии, тем самым обеспечивая тягу. Если это сработает, ракета будет иметь огромный диапазон дроссельной заслонки, то, что двигатель Холла и ионный сетчатый двигатель не могут достичь так же легко.
Следующая остановка . Марс?
Обычные ракеты велики и доставили нас далеко, но у них есть свои ограничения. Эти ракеты также работают на основе тяги: двигатель сжигает топливо, создавая газ высокого давления, который вытесняется из сопла ракеты с высокой скоростью, и ракета получает движение в противоположном направлении. Ракетное топливо, однако, очень тяжелое и супер неэффективное. Он не может обеспечить достаточную мощность для быстрого достижения мест. Ракетное топливо сжигается в попытке сойти с Земли и вылететь на орбиту, а затем космический корабль в основном вынужден просто беречь топливо.
С другой стороны, плазменная ракета использует намного меньше топлива, чем эти обычные двигатели — в 100 миллионов раз меньше топлива, на самом деле. Это настолько экономично, что вы можете перейти с орбиты Земли на орбиту Луны всего на 113 литрах газа. Плазменные ракеты ускоряются постепенно и могут достигать максимальной скорости 55 километров в секунду в течение 23 дней, что в четыре раза быстрее, чем любая химическая ракета. Меньше времени, проведенного в пути, означает меньший риск того, что корабль испытает механические сбои и космонавты, подверженные солнечной радиации, сохранят здоровье. С помощью VASIMR двигатель также теоретически будет доступен на протяжении всей поездки, что означает, что изменения в направлении могут быть возможны в любое время.
Чтобы быть реалистичным, на данный момент путешествие на Марс за короткое время все еще далеко. Достижение этих экстремальных расстояний потребует большой мощности. Большинство ионных двигателей работает примерно на 5 киловаттах мощности.
Чтобы добраться до хорошего уровня, вам нужно добраться до Марса примерно за 40 дней, для этого потребуется как минимум в 200 раз больше. Наиболее жизнеспособным источником энергии для создания такого количества энергии в космосе являются источники ядерной энергии, встроенные в двигатель. В то же время, однако, помещение ядерного источника энергии на ракетный корабль, который мы отправляем с Земли в космос, создает слишком большую угрозу радиационного облучения в случае аварии.
Таким образом, источник энергии для достижения этих расстояний остается серьезной проблемой. Не говоря уже о том, как человеческий организм отреагирует на путешествие в 54 километра в секунду (в отличие от маршрутов астронавтов на скорости 7,5 км в секунду, чтобы добраться до нижней околоземной орбиты на обычных ракетах). Но теоретически, учитывая достаточную мощность, эти двигатели обладают способностью достигать Марса примерно за 40 дней, о чем мы не могли бы и мечтать лет 50 назад.
Источник
Ионный двигатель: невероятная скорость уже в наши дни
Ионный двигатель создает возможность разогнать космический аппарат в условиях невесомости до скоростей, которые и не снились жидкостным и химическим реактивным двигателям.
Этот двигатель основан на создании реактивной тяги ионизированного газа, разогнанного до невероятных скоростей в электрическом поле. Устройство такого двигателя описал русский ученый К.Э. Циолковский в 1906 г. В дальнейшем его теория дорабатывалась и уточнялась. Теперь она находит практическое применение на орбите.
Ионный двигатель работает, используя ионизированный газ и электричество. Рабочим телом, как правило, является ионизированный инертный газ (аргон, ксенон), иногда и ртуть. Газ подается в ионизирующую камеру двигателя, где нейтральные молекулы становятся положительно заряженными ионами. Зажигание двигателя начинается с кратковременной подачи электронов , выбрасываемых в ионизирующую камеру. Для «отсеивания» электронов в камере устанавливается трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны. Положительные ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2 или 3 положительно-заряженной и отрицательно-заряженной сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней и -225 на внешней).
В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, сообщая тягу космическому кораблю. Электроны, пойманные в катодную трубку, выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу.
Для выработки электричества в настоящее время используются солнечные батареи, но в дальнейшем планируется использовать термоядерные установки, которые быстрее появятся в космосе чем на земле. Отдельно про термоядерные двигатели читайте в этой статье .
Использование внешнего магнитного поля в ионном двигателе позволяет повысить энергоэффективность системы.
Итак, преимущества ионного двигателя:
– потенциально высокая конечная скорость разгоняемого крейсера Аврора космического челнока;
– большой удельный импульс. У ионного двигателя он самый высокий из всех существующих двигателей, так как на свою мощность он тратит сопоставимо мало топлива, в отличие от тех же жидкостных движков.
– для функционирования ионного двигателя достаточно небольшой электрической мощности – от 150 до 500 Ватт. Двигатели мощностью от 150 до 500 Ватт могут быть установлены на малые космические аппараты,
– низкая рабочая температура в отличии от обычных реактивных двигателей,
– рабочее тело не требует высокой степени очистки, чего не скажешь о керосине для ЖРД.
– простота конструкции, ремонтопригодность
– ионный двигатель позволит увеличить срок эксплуатации космических аппаратов в 2-3 и более раза,
– для путешествия на Марс (и обратно) достаточно ионного двигателя мощностью порядка 50 кВт.
Перспективы: когда полетим в дальние дали?
Применение ионных двигателей в космических аппаратах открывает новые перспективы развития космонавтики, в частности, запускаемых космических аппаратов.
Современные перспективы таковы, что доля запускаемых тяжелых космических аппаратов массой больше 1 тонны неуклонно снижается и составляет не более 30% от всех запусков. Все более востребованными становятся малые космические аппараты весом от 100 кг до 500 кг, находящиеся на низкой околоземной орбите до 1000 км и функционирующие в течение 5-10 лет. К малым космическим аппаратам относятся спутники и системы мобильной связи и радионавигации, мониторинга Земли, атмосферы и околоземного космического пространства.
Ионные двигатели в ближайшем будущем позволят заменить двигатели орбитального движения малых космических аппаратов, что увеличит срок их эксплуатации в 2-3 раза и продлит срок их жизни до 5-10 лет.
В отдаленной перспективе планируется оснащать все, в том числе тяжелые, космические аппараты ионными двигателями, что позволит совершать путешествия к далеким планетам и звездам, пилотируемые экспедиции к планетам Солнечной системы, тяжелые транспортные перелеты. В данный момент ионные двигатели применяются для управления ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли.
С течением технической проработки концепции двигателя он сможет в ближайшем будущем заменить главный тяговый двигатель тяжелых космических аппаратов.
Характеристики электроракетных двигателей определяются не только скоростью истечения заряженных частиц, но и плотностью тяги — значением силы тяги , приходящимся на единицу площади отверстия, через которое эти частицы истекают. Возможности ионных и аналогичных электростатических двигателей ограничиваются объемным зарядом , который налагает очень низкий предел на достижимую плотность тяги. Дело в том, что по мере прохождения положительных ионов через электростатические сетки двигателя между ними неизбежно накапливается положительный заряд, который уменьшает напряженность электрического поля, ускоряющего ионы.
Из-за этого тяга двигателя зонда Deep Space 1 эквивалентна примерно весу листа бумаги, что очень далеко от тяги двигателей в научно-фантастических фильмах вроде «Интерстеллар». Для разгона тонны веса с помощью такой силы от нуля до сотни при отсутствии сопротивления движению потребовалось бы более двух суток.
В космическом вакууме, который не оказывает сопротивления, придать аппарату большую скорость способна даже очень слабая сила, если она действует достаточно долго.
Ионный, холловский и плазменный — три типа плазменных двигателей, уже нашедших практическое применение. За последние десятилетия исследователями предложено много перспективных вариантов. Разрабатываются двигатели, работающие в импульсном и в непрерывном режиме. В одних плазма создается с помощью электрического разряда между электродами, в других — индуктивным способом с помощью катушки или антенны. Различаются и механизмы ускорения плазмы: с использованием силы Лоренца, путем введения плазмы в создаваемые магнитным способом токовые слои, или с помощью бегущей электромагнитной волны. В одном из типов даже предполагается выбрасывать плазму через невидимые «ракетные сопла», создаваемые с помощью магнитных полей.
Черепаха все равно побеждает
Во всех случаях плазменные ракетные двигатели набирают скорость медленнее обычных.
Тем не менее благодаря парадоксу «чем медленнее, тем быстрее» они позволяют достичь далеких целей в более короткий срок, так как в итоге разгоняют космический аппарат до скорости значительно большей, чем двигатели на химическом топливе при той же массе топлива. Это позволяет избежать траты времени на отклонения к телам, обеспечивающим эффект гравитационной пращи . Как в знаменитой истории о медлительной черепахе, которая в итоге обгоняет зайца, в длительных полетах, которыми будет наполнен наш век, «черепаха» все равно победит.
Еще больше интересных статей — подписывайся!
Источник
Gridded Ion Thrusters — Beyond NERVA
Gridded Ion Thruster NSTAR, изображение предоставлено НАСА
Это самый известный из электрических двигателей любого типа, и его часто сокращают до «ионный двигатель». Здесь двигатель состоит из четырех основных частей: подачи топлива, ионизационной камеры, массива проводящих сеток и излучателя нейтрализующего луча. Топливным топливом может быть все, что может быть легко ионизировано, причем первыми вариантами являются цезий и ртуть, однако они в значительной степени были заменены ксеноном и аргоном.
Схема ионного привода с сеткой, изображение предоставлено НАСА
Тип ионизационной камеры широко варьируется и является основным отличием различных типов ионного привода. Пучки частиц, радиочастотное или микроволновое возбуждение, в дополнение к возбуждению магнитным полем, — все это методы, используемые в различных ионных двигателях с сеткой на протяжении многих лет и у разных производителей. В первых конструкциях использовалось газовое перемешивание для отрыва электронов, но многие более мощные системы используют пучки частиц (в основном электронных), радиочастотное или микроволновое возбуждение или циклотронный резонанс для отрыва электронов от атомов. Эффективность ионизационной камеры и ее емкость определяют, насколько возможен массовый расход топлива, что является одним из основных ограничивающих факторов для общей тяги, возможной для двигателя.
Схема 3-х сеточного ионного двигателя, изображение предоставлено ESA
После ионизации газ и плазма затем разделяются с использованием отрицательно заряженной сетки для извлечения положительно заряженных ионов, оставляя нейтральный газ в ионизационной камере для ионизации.
В большинстве современных конструкций это также начало процесса ускорения. Часто используются две или три сетки, а вместо «сетки» часто употребляется термин «ионная оптика». Это связано с тем, что эти структуры не только извлекают и изменяют ускорение плазмы, но также формируют пучок плазмы. Количество заряда и геометрия этих решеток определяют скорость истечения ионов; и желаемый удельный импульс, создаваемый двигателем, в значительной степени определяется зарядом, подаваемым на эти экраны. Во многих конструкциях США используется более сильно заряженный внутренний экран, чтобы обеспечить лучшее разделение ионов, а разность потенциалов заряда между этой сеткой и второй ускоряет ионы. Из-за этого первую сетку часто называют экстракторной, а вторую — ускорительной сеткой. Потенциал заряда, возможный в каждой сети, является еще одним важным ограничителем возможного уровня мощности и, следовательно, максимальной скорости истечения этих двигателей.
Идеализированный рисунок износа сетки.
Image Sangregorio et al CSAA 2018
Эти экраны также являются одним из основных ограничителей срока службы двигателя, поскольку ионы будут в определенной степени воздействовать на сетку, когда они проходят мимо (хотя разница в потенциале заряда плазмы в ионизационная камера между апертурами и структура сетки минимизирует это). Во многих ранних ионных двигателях с сеткой, в которых использовались высокореактивные материалы, химическое взаимодействие в сетках могло изменить проводимость этих поверхностей, вызвать более быструю эрозию и вызвать другие проблемы; переход на пропелленты из благородных газов сделал эту проблему менее важной. Наконец, геометрия решеток оказывает огромное влияние на направление и скорость самих ионов, поэтому есть множество вариантов, доступных для манипулирования этой частью двигателя.
В конце рабочего цикла, после того как ионы покидают двигатель, к потоку топлива добавляется распыление электронов, чтобы предотвратить отрицательный заряд космического корабля с течением времени и тем самым притягивать часть топлива обратно к двигателю.
космических кораблей из-за того же электростатического эффекта, который использовался для их ускорения в первую очередь. Проблемы с неполной нейтрализацией ионного потока были обычным явлением в первых электростатических двигателях; а с использованием цезиевого и ртутного топлива в этих двигателях химическое загрязнение космического корабля стало проблемой для некоторых миссий. Неполная нейтрализация все еще является проблемой для некоторых конструкций двигателей, хотя эксперименты в 1970-е годы показали, что космический корабль может заземлиться без ионного потока, если дифференциальный заряд станет слишком большим. В системах с тремя сетками (или четырьмя, подробнее об этой концепции позже) окончательная сетка заменяет этот электронный луч и обеспечивает лучшую нейтрализацию плазменного луча, а также большую возможную скорость истечения.
Решетчатые ионные двигатели имеют очень привлекательный удельный импульс в диапазоне 1500-4000 секунд со скоростью истечения примерно до 100 км/с для типовых конструкций.
Другой стороной медали является их низкая тяга, обычно от 20 до 100 мкН (ниже среднего даже для электродвигателей, хотя их удельный импульс выше среднего), что является ограничением при планировании миссии, но не является важным показателем. -пробка для многих применений. Усовершенствованная концепция двигателя Dual Stage 4 Grid (DS4G), разработанная Австралийским национальным университетом и Европейским космическим агентством, позволила достичь гораздо более высоких скоростей истечения за счет использования ступенчатого ионного двигателя с сеткой, до 210 км / с.
Прошлые и современные ионные двигатели с сеткой
Ионный двигатель с сеткой SERT 1, любезно предоставлено НАСА
Эти приводные системы использовались в ряде различных миссий на протяжении многих лет, начиная с миссий SERT, упомянутых в разделе истории электрических двигателей, и продолжается на экспериментальной основе до демонстрационной миссии технологии Deep Space 1 — первого космического корабля, использующего ионный двигатель в качестве основного двигателя.
Тот же самый двигатель, NSTAR, до сих пор используется в миссии Dawn, изучающей малую планету Церера. Компания Hughes Aircraft разработала ряд двигателей для удержания на месте для своей геосинхронной спутниковой шины (двигатель XIPS). 9Зонд 0003 Hayabusa, изображение предоставлено JAXA
JAXA использовала этот тип системы привода для своей миссии Hayabusa к поясу астероидов, но этот двигатель использовал микроволны для ионизации топлива. Этот двигатель успешно работал на протяжении всей миссии и привел в движение первый космический корабль, вернувший образец с астероида обратно на Землю.
ЕКА также использовало различные варианты этого двигателя на нескольких разных спутниках, все из которых были типами радиочастотной ионизации. ArianeSpace RIT-10 использовался в нескольких миссиях, а двигатель Qinetiq T5 успешно использовался в миссии GOCE по картированию магнитного поля Земли.
НАСА определенно не отказалось от дальнейшего развития этой технологии. Двигатель NEXT в три раза мощнее по тяге по сравнению с двигателем NSTAR, хотя он работает по схожим принципам.
Режим испытаний этого двигателя был завершен, продемонстрировав 4150 с импульса впрыска и 236 мН тяги в течение испытательного срока более 48 000 часов, и в настоящее время он ожидает полета для продолжения. Это также был испытательный стенд для использования новых конструкций и материалов для многих компонентов системы привода, включая новый полый катод, изготовленный из LaB6 (сплав лантана и бора), и несколько новых материалов экрана.
HiPEP: ядерная ионная двигательная установка НАСА
HiPEP готовится к испытаниям, изображение предоставлено НАСА
Еще один проект НАСА в области ионного двигателя с сеткой, хотя тот, который с тех пор был отменен, гораздо более уместен для конкретного использования ядерной электрической двигательной установки: Электродвигатель высокой мощности (HiPEP) для миссии Jupiter Icy Moons Observer. JIMO была миссией NEP к Юпитеру, которая была отменена в 2005 году и предназначалась для изучения Европы, Ганимеда и Каллисто (эта миссия будет подробно рассмотрена позже в этой серии блогов о NEP).
В HiPEP использовались два типа ионизационных камер: Электронно-циклотронно-резонансная ионизация, которая сочетает в себе использование небольшого количества свободных электронов, присутствующих в любом газе, путем их движения по кругу с магнитным удержанием ионизационной камеры с микроволнами, которые настроены на резонанс с эти движущиеся электроны для более эффективной ионизации газообразного ксенона; и ионизация постоянным током с использованием полого катода для отрыва электронов, что создает дополнительные проблемы с выходом из строя катода и поэтому является менее предпочтительным вариантом. Отказ катода такого рода — еще одна серьезная проблема для ионных приводов, поэтому возможность его устранения является значительным преимуществом, но микроволновая система в конечном итоге потребляет больше энергии, поэтому в менее энергоемких приложениях она часто не используется.
Схема HiPEP с нейтрализатором, Foster et al. 2004
Одной очень необычной особенностью этой системы является ее форма: вместо типичной круглой разрядной камеры и решеток в этой системе используется прямоугольная конфигурация.
Разработчики отмечают, что это не только делает систему более компактной для объединения нескольких блоков (уменьшая требования к массе конструкции, топлива и электрической подачи для всей системы), но и означает, что плотность тока в сетях может быть ниже. для того же электростатического потенциала, уменьшая эрозию тока в сетях. Это означает, что сеть может поддерживать запас пропускной способности 100 кг/кВт для обеих исследованных конфигураций ISP (6000 и 8000 с ISP). Наибольшее расстояние между двумя поддерживаемыми секциями сетки также может быть уменьшено, что предотвращает такие проблемы, как термическая деформация, повреждение от вибрации при запуске и электростатическое притяжение между сетками и либо топливом, либо задней частью самой ионизационной камеры. Тот факт, что это делает систему более масштабируемой с точки зрения структурной инженерии, является одним из последних преимуществ этой системы.
По мере увеличения мощности двигателя растут и требования к нейтрализации луча.
В этом случае требуется до 9 Ампер непрерывной пропускной способности, что очень много по сравнению с большинством систем. Это означает, что нейтрализующий луч должен быть одновременно мощным и надежным. В то время как команда HiPEP обсуждает использование общей системы нейтрализации для плотно упакованных двигателей, базовая конструкция представляет собой довольно типичный полый катод, аналогичный тому, который использовался на двигателе NSTAR, но с прямоугольным поперечным сечением, а не круглым, чтобы приспособиться к различным геометрия двигателя. Также обсуждались другие концепции, такие как использование нейтрализации микроволнового луча; однако из-за успеха и долгого срока службы этого типа системы на NSTAR разработчики посчитали, что это будет самый надежный способ справиться с высокими требованиями к пропускной способности, которые требуются этой системе.
HiPEP, работающая на мощности 34 кВт, Foster et al. 2004
HiPEP последовательно выполняла свои программные требования как по эффективности тяги двигателя, так и по исследованиям эрозии.
Испытания системы микроволновой ионизации проводились на частотах 2,45 и 5,85 ГГц и завершились успешно. В испытании на частоте 2,45 ГГц с мощностью 16 кВт был достигнут удельный импульс 4500-5500 секунд, что позволило использовать излучатель большей мощности МВт. Ионизационная камера 5,85 ГГц тестировалась при многократных токовых нагрузках от 9,7 до 390,3 кВт, достиг максимального удельного импульса 9620 с и показал явное увеличение тяги почти до 800 мН во время этого испытания.
К сожалению, с отменой JIMO (программа, к которой мы будем часто возвращаться, когда будем продолжать рассматривать NEP), необходимость в мощном ионном двигателе с сеткой (и в средствах его питания) отпала. Подобно судьбе NERVA и почти всех когда-либо созданных атомных космических кораблей, отмена миссии, для которой он предназначался, означала похоронный звон по системе двигателей. Тем не менее, HiPEP остается в книгах как привлекательный, мощный ионный двигатель с сеткой, когда космический корабль NEP станет реальностью.
DS4G: Вдохновленные исследованиями Fusion высокопроизводительные двигатели для путешествий к краю Солнечной системы
Двигатель DS4G, все изображения Bramanti et al. 2006
Ионный привод Dual Stage 4 Grid (DS4G), пожалуй, самый эффективный электрический привод когда-либо предложенная система, предлагающая удельный импульс более 10 000 секунд. Хотя есть некоторые приводные системы с более высоким ISP, они либо являются редкими концепциями (например, ракета на осколках деления, концепция, которую мы рассмотрим в следующем посте), либо имеют трудности в процессе разработки (например, производные Orion, которые идут вразрез с запретами на испытания ядерного оружия и договорными ограничениями, касающимися использования ядерных взрывных устройств в космосе).
Схема DS4G в разрезе с ионизационной камерой вверху
Так как же работает эта конструкция? Традиционные ионные приводы используют либо две сетки (например, привод HiPEP), объединяя этапы вывода и ускорения в этих сетках, а затем используют полый катод или эмиттер электронов для нейтрализации пучка, либо используют три сетки, где вместо третьей используется третья сетка.
полый катод. В любом случае, это очень близко расположенные сетки, что имеет свои преимущества, но также и пару недостатков: комбинация системы извлечения и системы ускорения приводит к компромиссу между эффективностью извлечения и возможностью ускорения, а близкое расстояние ограничивает возможное ускорение порохов. DS4G, как следует из названия, работает немного по-другому: есть две пары решеток, каждая пара находится рядом со своим партнером, но дальше от другой пары, что позволяет увеличить длину ускорительной камеры и, следовательно, более высокую скорость выхлопа. , а расстояние между сеткой извлечения и конечной сеткой ускорения позволяет лучше оптимизировать каждую из них для своих индивидуальных целей. Дополнительным преимуществом является то, что плазменный пучок топлива лучше коллимирован, чем у традиционного ионного двигателя, а это означает, что привод может работать более эффективно с массой топлива, еще больше увеличивая удельный импульс.
Концептуальная схема DS4G (вверху) по сравнению с ионным двигателем с тремя сетками (внизу)
Однако эта конструкция возникла не из ниоткуда.
На самом деле, в большинстве термоядерных реакторов типа токамак используется устройство, очень похожее на ионный двигатель, для ускорения пучков водорода до высоких скоростей, но чтобы пройти через интенсивные магнитные поля, окружающие реактор, атомы не могут быть ионизированы. Это означает, что очень эффективный нейтрализатор должен быть прикреплен к задней части того, что фактически является ионным двигателем… и все эти конструкции используют четыре экрана, а не три. Доктор Дэвид Ферн знал об этих устройствах и решил попытаться адаптировать их к космическим двигателям с помощью ЕКА, что привело к созданию прототипа испытательного стенда в 2005 году в сотрудничестве с Австралийским национальным университетом. Для блока производства плазмы была разработана система радиочастотной ионизации, а для ионной оптики прототипа двигателя — электрическая система на 35 кВ. Это не было оптимизировано для использования в космосе; скорее, он использовался как недорогой испытательный стенд для тестирования геометрии оптики и общего устранения неполадок концепции.
2, которая была замечена на втором этапе испытаний.
В испытательной камере CORONA ЕКА в 2005 и 2006 годах было проведено два цикла очень успешных испытаний, результаты которых можно увидеть в таблицах выше. В первой серии испытаний использовалась конструкция с одной апертурой, которая, хотя и была крайне неэффективной, была достаточно хороша для демонстрации концепции; позже он был модернизирован до конструкции с 37 апертурами. Итоговые результаты испытаний в 2006 г. показали впечатляющие удельный импульс (14000-14500 с), тягу (2,7 мН), электрический, массовый и полный КПД (0,66, 0,96 и 0,63 соответственно). Команда уверена, что общая эффективность этой конструкции может составить около 70% после завершения оптимизации.
Остаются серьезные инженерные проблемы, но нет ничего такого, что невероятно отличалось бы от любого другого мощного ионного двигателя. Действительно, многие сложности, связанные с ионной оптикой и воздействием электростатического поля в плазменной камере, в значительной степени устранены благодаря конструкции с 4 сетками.
К сожалению, в настоящее время нет миссий, которые имеют финансирование, требующее этого типа двигателя, поэтому он остается в книгах как «жизнеспособный, но нуждается в некоторой окончательной доработке для применения», когда есть мощная миссия во внешние области Солнечной системы.
Цезиевые контактные двигатели: ионные двигатели с сеткой на жидкометаллическом топливе
Как мы видели в нашем блоге об истории электрических двигателей, многие из первых двигателей с сеткой ионов работали на цезии (Cs). Эти системы работали хорошо, и преимущества легко хранимого, легко ионизируемого, нелетучего топлива (по крайней мере, в паровом выражении) были значительными. Однако цезий также является химически активным металлом и к тому же токсичен, поэтому к концу 1970-х годов разработка этого типа двигателя была остановлена. В качестве дополнительной проблемы из-за неэффективной и неполной нейтрализации пучка катодами, доступными в то время, загрязнение космического корабля ионами Cs (а также потеря тяги) были серьезной проблемой для двигателей того времени.
Возможно, наиболее полезной частью двигателя этого типа является система подачи топлива, так как она может применяться ко многим различным металлам с низкой температурой плавления. Само топливо хранилось в виде жидкости в пористой металлической губке из никеля, прикрепленной к двум резистивным нагревателям из вольфрама. Регулируя размер пор губки (называемой в документации Feltmetal), скорость потока Cs легко, надежно и просто контролируется. Для подачи Cs в испаритель, изготовленный из пористого вольфрама и нагреваемый двумя резистивными нагревателями, использовались фитили из металлических губок с градуированными порами. Затем его подавали в контактный ионизатор, и после ионизации пропеллент ускоряли с помощью двух экранов.
Как мы увидим в разделе о ракетном топливе, после рассмотрения двигателя на эффекте Холла цезий (а также другие металлы, такие как барий) может сыграть свою роль в будущем электрических двигателей, и посмотрев на решения прошлое может помочь развитию идей в будущем.
Источники
MIT Open Courseware Astronautics Course Notes, Лекция 10-11: Ионные двигатели Кауфмана https://ocw.mit.edu/courses/aeronautics-and-astronautics/16-522-space-propulsion-spring- 2015/lection-notes/MIT16_522S15_Lecture10-11.pdf
Проверка технологии NSTAR, Брофи и др., 2000 г. https://trs.jpl.nasa.gov/handle/2014/13884
Ионный двигатель высокой мощности (HiPEP), Фостер и др., 2004 г. https://ntrs. nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20040139476.pdf
Страница двухступенчатого 4-го сетевого двигателя, ASU: https://physics.anu.edu.au/cpf/sp3/ds4g/
Двухступенчатый ионный двигатель с сеткой Страница ESA: http://www.esa.int/gsp/ACT/projects/ds4g_overview.html
RIT-10 http://www.space-propulsion.com/brochures/electric-propulsion/ электрические двигательные установки.pdf
Ксеноновый двигатель NASA Evolutionary Xenon Thruster: The Next Step for U.S. Deep Space Propulsion, Schmidt et al NASA GRC 2008 https://ntrs.
nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20080047732.pdf
Система цезиевых контактных ионных двигателей с отклоняющимся лучом, Дульгерофф и др., 1971 г. https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19710027900.pdf
Ракетные двигатели космических кораблей бывают разных форм и используют различные виды топлива, но большинство из них основаны на химических реакциях, при которых топливо выбрасывается из сопла, при этом сила реакции толкает космический корабль в противоположном направлении. Эти ракеты обладают высокой тягой, но они относительно неэкономичны по топливу, и поэтому, если вы хотите сильно изменить скорость, вам нужно нести много тяжелого топлива. Доставить это топливо на орбиту тоже дорого!
Ионные двигатели в их различных формах предлагают альтернативное решение – ничтожная тяга, но высокая топливная экономичность. Этот крошечный толчок не оторвет вас от земли на Земле. Однако при длительном применении в космическом вакууме это может привести к огромному изменению скорости или дельта V.
Такой способ работы означает, что ионный двигатель и небольшая масса топлива теоретически могут создать дельта-V намного больше, чем у химических ракет, идеально подходит для дальних космических полетов на Марс и других применений. Давайте посмотрим, как работают ионные двигатели, и рассмотрим их интересные применения в мире космических кораблей!
Все дело в удельном импульсе
Химические ракетные двигатели обеспечивают огромную тягу, но им не хватает топлива.
Ионные двигатели не помогут вам выйти из-под земного притяжения и не работают в атмосфере, но станут полезными, когда вы находитесь в космическом вакууме. Предоставлено: НАСА, общественное достояние
Прежде чем мы погрузимся в мир ионных двигателей, важно понять концепцию удельного импульса и эффективности использования топлива для ракетных двигателей всех типов. Удельный импульс измеряет, насколько эффективно ракетный двигатель создает тягу из массы, которую он выбрасывает назад, будь то химическим или любым другим способом.
Чем выше удельный импульс ракетного двигателя, тем большую тягу он создает на массу топлива.
Импульс — это интеграл силы по времени, измеряемый в ньютон-секундах. Удельный импульс, когда мы смотрим на импульс на вес топлива, таким образом, измеряется в ньютон-секундах, деленных на ньютоны, или просто в секундах. Это немного сбивает с толку, но для новичков просто имейте в виду, что более высокие значения удельного импульса означают большую эффективность использования топлива.
Для сравнения, твердотопливные ракетные ускорители космического корабля «Шаттл» получают удельный импульс всего 250 секунд, в то время как ракетные двигатели на жидком кислороде и жидком водороде могут достигать около 450 секунд. Электростатические ионные двигатели почти на порядок лучше, порядка 2000-3000 секунд, а некоторые в экспериментах приближаются к 10000 секундам, в то время как экспериментальный электромагнитный ионный двигатель VASIMR предсказывает удельный импульс до 12000 секунд.
Повышение топливной экономичности имеет реальные последствия для космических путешествий.
Это означает, что ионный двигатель может достичь заданного изменения скорости космического корабля с гораздо меньшим количеством топлива — в некоторых отношениях на порядок меньше. В заявке, касающейся поддержания орбиты МКС, один расчет предполагал, что ионный двигатель может сократить годовое потребление топлива космической станцией с 7500 кг до всего 300 кг. Это имеет эффект потока, когда ракетам-носителям, доставляющим это топливо на космическую станцию, нужно меньше топлива, чтобы вывести его на орбиту, что повышает эффективность по всем направлениям.
Как работает тяга с помощью электричества
Ионные двигатели бывают разных форм, но основной принцип прост: электричество используется для ускорения ионов до высокой скорости, вытесняя их из двигателя, что приводит к реакции сила, которая приводит в движение сам космический корабль. В качестве топлива используется нейтральный газ, который ионизируется за счет отрыва электронов от атомов, в результате чего образуются положительные ионы, которые можно легко ускорить электростатическими или электромагнитными средствами для создания тяги.
Ксенон, криптон или аргон являются обычным выбором для этих двигателей, хотя в некоторых конструкциях экспериментировались с другими материалами, такими как магний, цинк и йод. Однако в подавляющем большинстве ионных двигателей используется газообразное топливо.
Электростатические двигатели
Схема электростатического ионного двигателя с сеткой. Износ решеток с течением времени ограничивает срок службы этих двигателей. Предоставлено: NASA
Электростатические ионные двигатели используют различные методы ускорения ионов для создания тяги. Электростатические ионные двигатели с сеткой — одна из наиболее популярных конструкций, в которых рабочий газ бомбардируется электронами с образованием ионизированной плазмы. Затем набор электродов с сеткой заряжается разностью потенциалов, ускоряя положительные ионы, выходящие из двигателя. Затем отдельный катод выбрасывает низкоэнергетические электроны в выхлопной поток двигателя, чтобы гарантировать, что космический корабль не получит чистый отрицательный заряд.
Двигатели на эффекте Холла заменяют электроды с сеткой на газораспределительный анод и ограниченное магнитным полем электронное облако, действующее как сам катод. Более тяжелые положительные ионы выбрасываются из двигателя, а более легкие электроны остаются в магнитном поле. Точно так же внешний катод используется для нейтрализации выхлопного потока, как и в конструкциях двигателей с сеткой.
Схема двигателя на эффекте Холла. Сотни таких двигателей использовались для стабилизации советских спутников в 20 веке. Предоставлено: Финли МакУолтер, общественное достояние
Эти конструкции нашли широкое применение в реальных миссиях. Одно из первых применений было в советских спутниках, которые использовали двигатели на эффекте Холла вместо химических ракет для обслуживания станций. Именно здесь спутники должны периодически применять тягу с течением времени, чтобы противодействовать тонкому атмосферному сопротивлению, которое они испытывают. Крошечная тяга, обеспечиваемая двигателями на эффекте Холла, подходит для этой цели, поскольку применяется в течение длительного периода для значительного общего изменения скорости.
Потребляемая мощность этих двигателей составляла порядка 1,35 кВт, создавая тягу 83 мН для удельного импульса около 1500-3000 секунд.
Более поздняя технология применена на китайской космической станции Тяньгун, которая использует четыре двигателя на эффекте Холла для поддержания своей орбиты с течением времени. НАСА также надеется использовать эту технологию на космическом корабле Psyche, который будет использовать четыре двигателя на эффекте Холла SPT-140. Инженеры подсчитали, что загруженный 922 кг ксенонового топлива потребуется в 15 раз больше топлива, если вместо этого Psyche будет полагаться на химические ракеты.
Двигатель на эффекте Холла SPT-140 проходит испытания. Четыре таких двигателя будут установлены на космическом корабле NASA Psyche. Авторы и права: НАСА, общественное достояние
Ионные двигатели с сеткой также нашли широкое применение. Ионный двигатель НАСА NSTAR был установлен на зонде Deep Space 1, который был отправлен в полет к комете и астероиду в конце 1990-х годов.
Ионный двигатель с сеткой выдавал всего 92 мН тяги при мощности 2,1 кВт, но его высокий удельный импульс в 1000–3000 секунд позволил значительно сэкономить массу по сравнению с химической ракетой для межпланетного путешествия. Ионный двигатель, работающий на ксеноне, проработал в общей сложности 16 265 часов во время миссии, обеспечив общее изменение скорости (дельта-V) 4,3 километра в секунду, что является самым большим показателем для любого космического корабля, использующего собственную бортовую двигательную установку.
Другие миссии в дальнем космосе также полагались на эту технологию. Зонд JAXA Hayabusa полагался на ионный двигатель, чтобы помочь ему встретиться с астероидом Итокава. Миссия НАСА Dawn также использовала эту технологию, будучи оснащенной тремя такими же ксеноновыми ионными двигателями, которые использовались в программе Deep Space 1, хотя на практике запускались только по одному. НАСА было более чем готово указать на низкую тягу, доступную от двигательной установки, отметив, что разгон до 60 миль в час займет четыре дня, что плохо сравнимо с 3,5 секундами, достигнутыми средним современным Ferrari.
Электромагнитные двигатели
Прототип магнитоплазмодинамического двигателя (MPD), испытанный НАСА. Предоставлено: НАСА, общественное достояние
Электромагнитные ионные двигатели генерируют свою тягу из нейтральной плазмы, якобы состоящей из равного количества положительных ионов и отрицательных электронов, и часто упоминаются в литературе как «плазменные двигатели». Они бывают разных конструкций, в большинстве из которых используется радиоэнергия для ионизации газа в камере. Затем создается магнитное поле для ускорения в целом нейтральной плазмы из двигателя. Эти конструкции часто имеют то преимущество, что им не нужны специальные электроды нейтрализации для исправления дисбаланса заряда выхлопных газов, а также они не используют электроды в газовом потоке для ускорения ионов, уменьшая источник износа по сравнению с электростатическими конструкциями.
Одним из наиболее хорошо разработанных примеров является двигатель VASIMR VX-200, который с 2008 года разрабатывается в различных формах компанией Ad Astra Rocket.
Цель состоит в том, чтобы запустить двигатель на уровне мощности 100 кВт в течение 100 часов, чтобы показать, как двигатель может генерировать огромную дельта-V для долгосрочных миссий. В июле 2021 года компания достигла рубежа в 82,5 кВт за 28 часов. Двигатель работает со скоростью истечения порядка 50 км/с, с удельным импульсом около 5000 секунд.
Электромагнитные конструкции часто обещают большую тягу, чем электростатические двигатели, хотя большинство из них все еще находятся на стадии исследований. Проблемы с такими конструкциями включают проблемы с потреблением высокой мощности и проблемы с отработанным теплом. Если бы это удалось преодолеть, такие конструкции, как увеличенный электромагнитный двигатель VASIMIR, могли бы доставить космический корабль с Земли на Марс всего за 39 дней по сравнению с шестимесячным путешествием обычной химической ракеты. Единственное, вам понадобится источник питания, способный выдавать от 10 до 20 мегаватт мощности, и поместить его в космический корабль.