Ионный двигатель: Как работает ионный двигатель и где он применяется |

Содержание

Как работает ионный двигатель и где он применяется

Ученые уже придумали или готовятся придумать много новых типов двигателей для космических кораблей. Самые смелые предположения даже говорят про варп-двигатель, который должен разгонять корабль до скоростей, в несколько раз превышающих скорость света за счет искривления пространства в мощном гравитационном поле. Пока это только фантастика, которая скоро может стать перспективой. Зато ионные двигатели уже существуют и даже применяются. Они уже на данном этапе могут развивать скорости в несколько раз выше тех, что предлагают традиционные ракетные двигатели. Правда, они не могут отправить ракету в космос. Вот такие противоречия. Но как же тогда работает ионный двигатель и почему на данном этапе это действительно является технологией будущего?

Такой двигатель может разгоняться до очень больших скоростей.

Содержание

1 Как работает ионный двигатель
2 Преимущества ионного двигателя для космического корабля
3 Недостатки ионных двигателей
4 Где используются ионные двигатели
5 Когда изобрели ионный двигатель

Как работает ионный двигатель

Принцип работы ионного двигателя простой и сложный одновременно. Он заключается в ионизации газа, который разгоняется электростатическим полем для получения реактивной тяги и разгона космического корабля согласно третьему закону Ньютона.

Топливом или рабочим телом такого двигателя является ионизированный инертный газ (гелий, аргон, неон, ксенон, криптон, оганесон, радон). Впрочем, не все инертные газы стоит использовать в качестве топлива, поэтому, как правило, выбор ученых и исследователей падает на ксенон. Также рассматривается вариант использования ртути в качестве рабочего тела ионного двигателя

Во время работы двигателя в камере образуется смесь из отрицательных электронов и положительных ионов. Так как электроны являются побочным продуктом, их надо отфильтровать. Для этого в камеру вводится трубка с катодными сетками для того, чтобы она притягивала к себе электроны.

Положительные ионы, наоборот, притягиваются к системе извлечения. После чего разгоняются между сетками, разница электростатических потенциалов которых составляет примерно 1 200 Вольт, и выбрасываются в качестве реактивной струи в пространство.

Схематичное изображение работы ионного двигателя.

Электроны, которые попали в катодную ловушку, должны быть удалены с борта корабля, чтобы он сохранял нейтральный заряд, а выброшенные ионы не притягивались обратно, снижая эффективность установки. Выброс электронов осуществляется через отдельное сопло под небольшим углом к струе ионов. Таким образом, что произойдет в их взаимодействии после покидания двигателя, уже не так важно, ведь они не мешают движению корабля.

Преимущества ионного двигателя для космического корабля

Ионы на выходе из двигателя разгоняются до очень высоких скоростей. В своем максимуме они могут достигать 210 км/с. При этом, химические ракетные двигатели не способны достигать и 10 км/с, находясь в диапазоне 3-5 км/с.

Как работает самый совершенный ракетный двигатель. Но не ионный.

В нашем Telegram-чате все говорят про варп-двигатель, но давайте сначала с ионным разберемся.

Возможность достижения большого удельного импульса позволяет очень сильно сократить расход реактивной массы ионизированного газа в сравнении с аналогичным показателем для традиционного химического топлива. А еще, ионный двигатель может непрерывно работать более трех лет. Энергия, которая нужна для ионизации топлива берется от солнечных батарей — в космосе с этим проблем нет.

Если спешить с ускорением некуда, то ионный двигатель станет отличным вариантом.

Недостатки ионных двигателей

Возможность продолжительной работы ионного двигателя очень важна, так как он не способен развивать высокую тягу и моментально разгонять корабль до больших скоростей. В нынешних реализациях тяга ионных двигателей с трудом достигает 100 миллиньютонов.

Из-за такой конструктивной особенности, как минимум пока, такой двигатель не дает возможности стартовать с другой планеты, даже если у нее очень маленькая гравитация.

Получается, что использование таких двигателей для дальних путешествий пока невозможно без традиционных тяговых установок на химическом топливе. Зато, их совместное использование позволит гораздо более гибко пользоваться ускорением. Например, за счет обычного двигателя разгонять аппарат до более менее высокой скорости, а потом ускоряться еще больше за счет ионного двигателя.

Покорение дальнего космоса без новых технологий невозможно.

По сути, малая тяга на данный момент является главным недостатком таких двигателей, но ученые работают в этом направлении и в перспективе повысят его мощность, так как определенного прогресса удалось добиться уже сейчас.

NASA: Россия сможет отправлять своих космонавтов в космос на Crew Dragon

Еще одной, пусть и не такой существенной, проблемой является надежность. В целом ионные двигатели достаточно надежны, но надо понимать, что их задача заключается в том, чтобы унести аппарат очень далеко и очень быстро. То есть работать он должен долго, чтобы не ставить под удар всю миссию. Поэтому, пока идут работы над увеличением мощности, разработчики стараются не забывать и о надежности.

Где используются ионные двигатели

Вам могло показаться, что ионные двигатели существуют только на бумаге и в лабораториях, но это не так. Они уже использовались, как минимум, в семи завершившихся миссиях и используются минимум в четырех действующих.

В том числе такие двигатели используются в рамках миссии BepiColombo, запущенной 20 октября 2018 года. В этой меркурианской миссии используются 4 ионных двигателя суммарной мощностью 290 миллиньютонов. Кроме этого, аппарат оснащен и химическим двигателем. Оба они в сочетании с гравитационными маневрами должны обеспечить выход корабля на орбиту Меркурия в качестве искусственного спутника.

Космический аппарат BepiColombo.

Использованием этих двигателей не брезгует и Илон Маск в своей программе Starlink, за счет этих двигателей корабль должен совершать небольшие маневры и уклоняться от космического мусора.

Сейчас планируется доставка на МКС ионной тяговой установки, которая позволит управлять положением станции в автоматическом режиме. Ее мощность подобрана исходя из доступной электрической мощности станции. Для большей надежности планируется так же доставка батарей, которые обеспечат 15 минут автономной работы двигателя.

Астрономы открыли новый тип взрывов в космосе

Но самым необычным проектом был ”Прометей”. Корабль в рамках этого проекта планировалось отправить к Юпитеру со скорость 90 км/c. Ионный двигатель корабля должен бал работать от ядерного реактора, но из-за технических трудностей в 2005 году проект закрыли.

Когда изобрели ионный двигатель

При всей перспективности ионного двигателя, первый раз его концепцию предложил еще в 1917 году Роберт Годдард. Только спустя почти 40 лет Эрнст Штулингер сопроводил концепцию необходимыми расчетами.

Роберт Годдард.

В 1957 году вышла статья Алексея Морозова под названием ”Об ускорении плазмы магнитным полем”, в которой он описал все максимально подробно. Это и дало толчок к развитию технологии и уже в 1964 году на советском аппарате ”Зонд-2” стоял такой двигатель для маневров на орбите.

Первый аппарат в космосе с ионным двигателем.

По сути, ионный двигатель является первым электрическим космическим двигателем, но его надо было дорабатывать и совершенствовать. Этим и занимались долгие годы, а в 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе. Показанный тогда малый КПД и низкая тяга надолго отбили желание американской космической промышленности пользоваться такими двигателями.

Ученые поймали очередной сигнал из космоса, но теперь он регулярно повторяется

В СССР разработки продолжались и после этого времени. И европейское, и американское космические агентства вернулись к этой идее. Сейчас исследования продолжаются, а выведенные на орбиту образцы двигателей, хоть и не могут быть главным тяговым элементом управления, но зато проходят ”проверку боем”. Собранная информация позволит увеличить мощность ионного двигателя. По разной информации, так удалось увеличить тягу самого мощного подобного двигателя более чем до 5 Н. Если это так, то все действительно не зря.

Ион в деле: ученые РФ создают двигатель для дальних космических миссий | Статьи

Российские ученые разработали схему ионного двигателя с улучшенными характеристиками. После создания прототипа устройства его производством займутся ведущие ракетно-космические предприятия РФ. Ионные двигатели применяются, например, для коррекции орбиты спутников. Они имеют огромный потенциал для использования на космических аппаратах, выполняющих миссии в дальнем космосе, таких как российский ядерный буксир «Зевс», который полетит к другим планетам Солнечной системы, пояснили эксперты.

Гори огнем

Ионные двигатели — одни из самых перспективных и широко используемых устройств в космосе. Сейчас их в основном применяют для коррекции положения и поддержания рабочей орбиты геостационарных спутников.

Ученые из МАИ исследуют возможность увеличения эффективности работы высокочастотного ионного двигателя за счет изменения геометрии его элементов. Такие устройства работают за счет разгона ионов рабочего газа электрическим полем: поток ускоренных заряженных частиц вылетает из двигателя, создавая тягу — силу, которая «толкает» аппарат. Однако для того, чтобы появились ионы, газ сначала нужно ионизировать — убрать у атомов рабочего газа электрон, превратив их в положительно заряженные частицы. Газ, который состоит из электронов, ионов и атомов, называется плазмой.

Плазма генерируется внутри разрядной камеры — с одной ее стороны располагается подвод газа, а со второй — электроды ионно-оптической системы. Это две или три тонкие пластины, расположенные на расстоянии порядка миллиметра друг от друга, со множеством отверстий. Между ними приложено электрическое поле, ускоряющее положительное ионы из плазменного разряда. Из отверстий в электродах выходит направленный поток ионов, обеспечивающий движение космического аппарата.

Ион в деле

Ионный двигатель T6

Фото: ESA

— Мы исследуем метод повышения тяги двигателя за счет изменения геометрии основных элементов конструкции высокочастотного ионного двигателя, — рассказал «Известиям» руководитель проекта, ведущий научный сотрудник НИИ прикладной механики и электродинамики МАИ Вартан Абгарян. — В частности, мы рассматриваем влияние формы разрядной камеры и электродов ионно-оптической системы на характеристики двигателя. Кроме этого мы будем изучать эффективность применения магнитной защиты стенок разрядной камеры от выпадения заряженных частиц из плазмы.

Такая постановка задачи определения облика высокочастотного ионного двигателя ранее нигде в мире не применялась.

— Мы ожидаем улучшения эксплуатационных характеристик двигателя, в частности увеличения тяги на 10–15%, и эффективности использования рабочего газа, — сообщил Вартан Абгарян. — После создания устройства «в железе» появятся рекомендации для прототипа двигателя, который можно будет представить ведущим ракетно-космическими предприятиям РФ.

Для проведения вычислений используется инженерная модель плазменного разряда в высокочастотном ионном двигателе. Она позволяет оценить распределение различных параметров плазмы по объему разрядной камеры.

Ион в деле

Фото: РИА Новости/Илья Питалев

— Эти параметры в высокочастотном индуктивном разряде зависят от большого количества различных факторов, в том числе и от формы разрядной камеры и электродов ионно-оптической системы, — рассказал заместитель начальника лаборатории НИИ прикладной механики и электродинамики МАИ Андрей Мельников. — Рассчитав распределение этих параметров, мы можем оценить характеристики двигателя. Таким образом, рассматривая различные конфигурации камеры и электродов ионно-оптической системы, появляется возможность определить их оптимальные формы, которые могут обеспечить повышение тяги и коэффициента полезного действия двигателя.

Далеко смотрю

Практически все ведущие космические страны рассматривают применение ионных двигателей на борту космических аппаратов, предназначенных для миссий в дальнем космосе. В частности, российский ядерный буксир «Зевс», который сможет доставить к Юпитеру десятки тонн полезной нагрузки, будет использовать именно подобные технологии.

— Ионные двигатели были разработаны в СССР, и Россия до сих пор остается лидером в этом направлении, — сообщил член-корреспондент Российской академии космонавтики Андрей Ионин. — Главное преимущество таких двигателей — долгое время работы в противоположность химическим, которые «выгорают» крайне быстро. Главные недостатки — небольшая тяга и необходимость огромной энергии для работы. На спутниках последняя проблема решается за счет использования солнечных батарей. Но если аппарату нужно повысить тягу, придется собирать двигатели в целые блоки, и энергии им потребуется намного больше. Отсюда необходимость ядерного источника энергии, как на «Зевсе».

Эксперты отмечают, что химические жидкостные ракетные двигатели в любом случае намного больше подходят для выведения космических аппаратов на низкие околоземные орбиты. Однако для дальнейших операций в космосе во многих случаях более эффективны ионные.

Ион в деле

Космический буксир «Зевс»

Фото: АО «Конструкторское бюро «Арсенал»»

— При этом даже небольшой прирост величины тяги ионного двигателя — то, за что стоит бороться. 15% — это хороший результат, — считает ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН Натан Эйсмонт. — Это означает, что скорость аппарата будет на 15% больше при той же массе топлива. Если получится воплотить конструкцию «в железе», можно будет поздравить коллег с заметным достижением, хотя, конечно, предстоит большая работа по установке двигателей на космический аппарат.

Проект поддержан грантом Российского научного фонда. В будущем ученые планируют повысить тягу двигателя на 40% за счет дальнейшей работы с его конструкцией.

Ионные двигатели для космических миссий – Учительская газета

Команда российских ученых и инженеров на базе НИИ прикладной механики и электродинамики Московского авиационного института (МАИ) занялась разработкой ионных двигателей нового поколения. Они предназначены как для орбитальных космических аппаратов, так и для полетов на другие планеты, в том числе и в дальний космос. Одной из причин, ограничивающих перемещение космических аппаратов по Вселенной, является недостаточная мощь их двигателей. Даже самые совершенные из них не позволяют добраться к месту назначения за короткий срок, а порой и выполнять намеченную исследовательскую программу. Тем более это касается потенциальных пилотируемых полетов. Никого не прельщает перспектива проводить в космосе годы, и поэтому разработчики космической техники постоянно ищут способы увеличить мощность двигателей за счет введения различных передовых новшеств.

Так выглядит ионный двигатель

Так, еще в 50‑х годах прошлого столетия NASA разрабатывало проект «Орион», предусматривавший строительство гигантского космического корабля, запускавшегося посредством взрыва находящейся внизу ядерной бомбы. По расчетам разработчиков, корабль, летящий на ядерном импульсе, должен был добраться до Марса всего за три месяца. Проект был заморожен по понятным причинам: во-первых, радиация, которая подействовала бы и на астронавтов, во-вторых, электромагнитный импульс, возникший при запуске, уничтожил бы всю технику на борту корабля… Правда, позднее ядерная энергия, возникающая при распаде плутония, была все же использована для полетов «Вояджера-1», «Вояджера-2» и «Кассини». Однако запасы плутония на земном шаре ограниченны.

В 1988 году аэрокосмический инженер Леик Мирабо предложил идею использования лазерного излучения для космических аппаратов. Аппарат должен был иметь коническую форму, причем лазерный луч должен был выстреливать с узкого конца конуса, где находился параболический отражатель. Это нагревало бы воздух внутри двигателя до 30000 градусов, в результате происходил бы взрыв, создающий тягу.

Что же касается ионной технологии, то именно ее использовал зонд Dawn, запущенный в сентябре 1997 года для изучения карликовых планет Весты и Цереры. Работа таких двигателей основана на бомбардировке атомов ксенона электронами, что приводит к образованию ионов. Их испускают металлические сетки, расположенные в задней части двигателя и заряженные на 1000 вольт. Максимальная скорость, которую удавалось набрать зонду, составила 38600 километров в час. При этом ионные двигатели требуют минимального количества топлива, так как питаются от солнечных батарей. Правда, для перевозки людей скорость остается слишком медленной. Способ больше подходит для транспортировки оборудования и припасов. Это весьма пригодится, если все-таки появятся колонии на Луне и Марсе.

В прошлом году было объявлено о том, что в рамках космической миссии «Психея» впервые будет задействован инновационный двигатель Холла. Космический аппарат, разработанный для NASA спутниковой компанией Maxar, должен был послужить основой для роботизированного корабля, которому предстоит исследовать металлический астероид, возможно, представляющий собой остатки протопланеты, существовавшей на заре образования Солнечной системы. Такой тип ускорителя, как двигатель Холла, впервые использовался для полетов в открытый космос. Эффектом Холла называют возникновение в электрическом проводнике разности напряжений на краях образца, помещенного в поперечное магнитное поле, при протекании тока перпендикулярно этому полю.

Впервые двигатели, работающие на основе данного эффекта, начали применять в 70‑х годах прошлого столетия в СССР. Они относятся к электростатическим ракетным двигателям, но обладают большей тягой, чем стандартные ионные, будучи одного размера с последними. В частности, каждый такой ускоритель способен генерировать в три раза больше тяги, чем ионный двигатель межпланетной станции Dawn. Сегодня их используют для выведения спутников на целевые орбиты, причем не только в России, но и за рубежом. По словам экспертов, без подобной технологии путешествие на Психею вообще стало бы невозможным, так как использование традиционных химических двигателей требует колоссальных объемов финансирования. Новая же разработка позволяет провести исследование астероида сравнительно дешево и уложиться в «бюджетный» миллиард долларов. Как сообщают авторы нового проекта, разрабатываемого сотрудниками МАИ, принцип работы ионных двигателей основан на разгоне ионов полями, когда ускоренные заряженные частицы вылетают из двигателя, тем самым создавая тягу, заставляющую аппарат лететь.

По словам ведущего научного сотрудника НИИ прикладной механики и электродинамики Вартана Абгаряна, ранее никем не изучалась возможность увеличения тяги высокочастотных ионных двигателей «путем изменения геометрии основных элементов конструкции».

В настоящее время члены команды исследуют, как изменение разрядной камеры и электронов ионно-оптической схемы может воздействовать на характеристики двигателя. В частности, речь идет об «эффективности использования магнитной защиты стенок разрядной камеры от осаждения заряженных частиц из плазмы». Тяга в таком случае может возрасти на 10-15%, а далее и на 40%. Все расчеты проводятся на инженерной модели плазменного разряда в высокочастотном ионном двигателе. Внутри разрядной камеры формируется плазма, состоящая из атомов, ионов и электронов. Все эти заряженные частицы проходят через электроды ионно-оптической системы, представляющие собой 2-3 тонкие пластины с множеством отверстий, расположенных на расстоянии миллиметра друг от друга. Газы, вылетающие из двигателя, и создают необходимую тягу.

По словам специалистов, у таких проектов огромный потенциал. Например, подобная аппаратура сможет корректировать работу спутников на орбите. Но куда более интересная перспектива – использование двигателя такого типа в ядерном буксире «Зевс», который планируется запустить к другим планетам Солнечной системы.

Основной же вопрос, который сейчас всех волнует: а что будет с международными космическими программами и сотрудничеством России и других стран в области космоса при нынешней обостренной геополитической ситуации? Будет ли сотрудничество продолжено или эти программы станут сворачиваться? И смогут ли отдельные государства вести автономные разработки и исследования? Пока ответить нечего. Но очень хочется надеяться, что высокомощные двигатели, тем более отечественного производства, станут реальностью, а не останутся в проекте.

Ида ШАХОВСКАЯ

Ионный двигатель показал новый рекорд производительности

Привет, Гость!

Войти

Главная »
Блоги Экспертов И ИТ-Компаний »
Ионный двигатель показал новый рекорд производительности

Возможность размещать посты на проекте остановлена

Редакция CNews готова принять пресс-релизы компаний на адрес news@cnews. ru.

Приглашаем вас делиться комментариями о материалах CNews на наших страницах платформ Facebook, Telegram и Twitter.

Разрабатываемый Мичиганским университетом и ВВС США новый ионный двигатель X3 для аэрокосмического агентства NASA установил новый рекорд эффективности. На фоне этих новостей у некоторых экспертов загорелись глаза, и все они как один предполагают, что такая технология однажды будет использоваться для доставки людей на Марс.
Двигатель X3 относится к так называемому типу ускорителей Холла. Для создания двигательного импульса такая установка создает направленный поток ионов. Генерируемая внутри специальной камеры плазма, которая выбрасывается за пределы корабля, по словам NASA, позволит придать космическому кораблю больший уровень ускорения по сравнению с более традиционными химическими ракетными двигателями.
Самые эффективные химические ракетные двигатели (ХРД) позволяют разгонять космический аппарат до скорости около 5 километров в секунду, в свою очередь, ускоритель Холла способен придавать ускорение до 40 километров в секунду. Такая эффективность будет крайне полезной для потенциально продолжительных космических полетов, как, например, на Марс. И по мнению людей, занимающихся проектом ионного двигателя, благодаря этой технологии в течение ближайших 20 лет мы сможем открыть дорогу к пилотируемым полетам к Красной планете.
Считается, что ионные двигатели могут быть гораздо эффективнее обычных ХРД, а также экономичнее, так как требуют использования меньшего объема топлива для перевозки аналогичного числа членов экипажа и оборудования на дальние дистанции. Как прокомментировал руководитель проекта разработки ионного двигателя Алек Галлимор порталу Space.com, ионное ускорение способно обеспечить до 10 раз большее покрытие расстояния при использовании одинакового с ХРД объема топлива.
Конечно же, помимо ионных двигателей, есть и другие виды перспективных технологий, дальнейшая разработка которых может вывести человечество на новый виток покоренных космических расстояний. Пожалуй, самым главным недостатком тех же традиционных ХРД является необходимость в доставке в космос огромного объема химического топлива, что, разумеется, повышает и общую массу космического корабля. Дополнительная масса требует дополнительного топлива, дополнительное топливо повышает массу, ну и так далее. Есть вариант прямоточного ускорителя Буссарда, являющегося по своей сути термоядерным ракетным двигателем, использующим водород космического пространства в качестве топлива. В теории двигатель способен придавать ускорение практически до скорости света, но его крайне низкая эффективность ввиду особенности самой конструкции космического корабля пока оставляет проект под очень большим вопросом. А что же электромагнитный двигатель, который у всех на слуху последнее время? Вокруг него сейчас возникает больше вопросов, чем ответов. И пока мы не разберемся, как он вообще способен работать, а ученые действительно понятия не имеют как, то на лучшее надеяться не приходится.
Фанаты научной фантастики наверняка с энтузиазмом предложили бы использовать идею, которая позволит осуществлять космические путешествия быстрее скорости света – варп. Однако общая теория относительности говорит нам о том, что ничто не способно передвигаться быстрее скорости света. Тем не менее, если мы найдем способ каким-то образом сжимать и расширять ткань пространства-времени впереди и позади нас, то в теории мы действительно сможем двигаться быстрее скорости света. Но пока современная наука солидарна с тем, что мы даже близко не подобрались к подобным технологиям.
Вернемся к ионным двигателям. Недавние испытания ускорителя X3 показали, что установка способна работать при мощности более 100 кВт и генерировать 5,4 ньютона силы, что на данный момент стало высшим показателем эффективности для любого ионного плазменного двигателя. Он также побил рекорд выходной мощности и показателей рабочего тока. Подобный успех заставил некоторых предположить, что технология в течение ближайших 20 лет начнет использоваться для доставки людей на Марс. Но так ли все замечательно? Пожалуй, лишь только отчасти.
По сравнению с теми же ХРД, ионные двигатели способны создавать очень малый объем ускорения. Другими словами, чтобы достичь того же показателя скорости, что демонстрирует химический ракетный двигатель, ионному требуется гораздо дольше работать. Это, в свою очередь, не позволяет использовать ионные двигатели, например, в качестве стартовых, при запуске ракеты с Земли.
Инженеры предпринимают попытки решить эти проблемы с новым ионным двигателем X3, где вместо одного канала для выброса ускоряющей плазмы предлагается использование сразу нескольких. Текущей задачей проекта является разработка одновременно достаточно мощного и компактного двигателя. Дело в том, что изначальный прототип получился весьма габаритным. В то время как большинство созданных ускорителей Холла можно вручную переносить по лаборатории, X3 приходится передвигать с помощью небольшого крана.
В 2018 году инженеры собираются провести новую серию тестов и в конечном итоге посмотреть на работу двигателя, который будет оперировать в течение 100 часов без перерыва. Инженеры также ведут разработку системы экранирования, которая защитит стенки ускорителя от воздействия раскаленной плазмы, что позволит двигателю работать гораздо дольше, возможно, даже в течение нескольких лет. Взято с hi-news.ru

Источник: https://portaltele.com.ua/news/technology/ionnyj-dvigatel-pokazal-novyj-rekord-proizvoditelnosti.html

Данный материал является частной записью члена сообщества Club.CNews.
Редакция CNews не несет ответственности за его содержание.

4 года назад
| тэги:
Технології

Комментарии

Другие публикации

Редакция CNews готова принять пресс-релизы компаний на адрес [email protected].

Приглашаем вас делиться комментариями о материалах CNews на наших страницах платформ Facebook, Telegram и Twitter.

Ion thruster — Wikipedia

This article is about a kind of reaction engine. For the air propulsion concept, see ionocraft.

The 2.3 kW NSTAR ion thruster of the NASA for the Deep Space 1 spacecraft during a hot fire test at the Jet Propulsion Laboratory.

NEXIS ion engine test (2005)

A prototype of a xenon ion engine being tested at NASA’s Jet Propulsion Laboratory

An ion thruster, ion drive, or ion engine is a form of electric propulsion used for spacecraft propulsion. It creates thrust by accelerating ions using electricity.

An ion thruster ionizes a neutral gas by extracting some electrons out of atoms, creating a cloud of positive ions. These ion thrusters rely mainly on electrostatics as ions are accelerated by the Coulomb force along an electric field. Temporarily stored electrons are finally reinjected by a neutralizer in the cloud of ions after it has passed through the electrostatic grid, so the gas becomes neutral again and can freely disperse in space without any further electrical interaction with the thruster. By contrast, electromagnetic thrusters use the Lorentz force to accelerate all species (free electrons as well as positive and negative ions) in the same direction whatever their electric charge, and are specifically referred to as plasma propulsion engines, where the electric field is not in the direction of the acceleration.^[1]^[2]

Ion thrusters in operation typically consume 1–7 kW of power, have exhaust velocities around 20–50 km/s (I_sp 2000–5000 s), and possess thrusts of 25–250 mN and a propulsive efficiency 65–80%^[3]^[4] though experimental versions have achieved 100 kW (130 hp), 5 N (1. 1 lb_f).^[5]

The Deep Space 1 spacecraft, powered by an ion thruster, changed velocity by 4.3 km/s (2.7 mi/s) while consuming less than 74 kg (163 lb) of xenon. The Dawn spacecraft broke the record, with a velocity change of 11.5 km/s (7.1 mi/s), though it was only half as efficient, requiring 425 kg (937 lb) of xenon.^[6]

Applications include control of the orientation and position of orbiting satellites (some satellites have dozens of low-power ion thrusters) and use as a main propulsion engine for low-mass robotic space vehicles (such as Deep Space 1 and Dawn).^[3]^[4]

Ion thrust engines are practical only in the vacuum of space and cannot take vehicles through the atmosphere because ion engines do not work in the presence of ions outside the engine; additionally, the engine’s minuscule thrust cannot overcome any significant air resistance. Moreover, notwithstanding the presence of an atmosphere (or lack thereof) an ion engine cannot generate sufficient thrust to achieve initial liftoff from any celestial body with significant surface gravity. For these reasons, spacecraft must rely on other methods such as conventional chemical rockets or non-rocket launch technologies to reach their initial orbit.

1 Origins
2 General working principle
3 Electrostatic thrusters
- 3.1 Gridded electrostatic ion thrusters
- 3.2 Hall-effect thrusters
- 3.3 Field-emission electric propulsion
4 Electromagnetic thrusters
- 4.1 Pulsed inductive thrusters
- 4.2 Magnetoplasmadynamic thruster
- 4.3 Electrodeless plasma thrusters
- 4.4 Helicon double layer thrusters
- 4.5 Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR)
- 4.6 Microwave electrothermal thrusters
5 Radioisotope thruster
6 Comparisons
7 Lifetime
- 7.1 Gridded thruster life
- 7.2 Hall-effect thruster life
8 Propellants
9 Energy efficiency
10 Missions
- 10.1 Demonstration vehicles
  - 10. 1.1 SERT
- 10.2 Operational missions
  - 10.2.1 In Earth orbit
    - 10.2.1.1 Tiangong space station
    - 10.2.1.2 Starlink
    - 10.2.1.3 GOCE
  - 10.2.2 In deep space
    - 10.2.2.1 Deep Space 1
    - 10.2.2.2 Hayabusa and Hayabusa2
    - 10.2.2.3 Smart 1
    - 10.2.2.4 Dawn
  - 10.2.3 LISA Pathfinder
  - 10.2.4 BepiColombo
  - 10.2.5 Double Asteroid Redirection Test
- 10.3 Proposed missions
  - 10.3.1 International Space Station
  - 10.3.2 Lunar Gateway
  - 10.3.3 MARS-CAT
  - 10.3.4 Interstellar missions
11 Popular culture
12 See also
13 References
- 13.1 Bibliography
14 External links
- 14.1 Articles

Origins[edit]

SERT-1 spacecraft

The first person who wrote a paper introducing the idea publicly was Konstantin Tsiolkovsky in 1911. ^[7] The technique was recommended for near-vacuum conditions at high altitude, but thrust was demonstrated with ionized air streams at atmospheric pressure. The idea appeared again in Hermann Oberth’s «Wege zur Raumschiffahrt» (Ways to Spaceflight), published in 1929,^[8] where he explained his thoughts on the mass savings of electric propulsion, predicted its use in spacecraft propulsion and attitude control, and advocated electrostatic acceleration of charged gasses.^[9]

A working ion thruster was built by Harold R. Kaufman in 1959 at the NASA Glenn Research Center facilities. It was similar to a gridded electrostatic ion thruster and used mercury for propellant. Suborbital tests were conducted during the 1960s and in 1964, the engine was sent into a suborbital flight aboard the Space Electric Rocket Test-1 (SERT-1).^[10]^[11] It successfully operated for the planned 31 minutes before falling to Earth.^[12] This test was followed by an orbital test, SERT-2, in 1970. ^[13]^[14]

An alternate form of electric propulsion, the Hall-effect thruster, was studied independently in the United States and the Soviet Union in the 1950s and 1960s. Hall-effect thrusters operated on Soviet satellites from 1972 until the late 1990s, mainly used for satellite stabilization in north–south and in east–west directions. Some 100–200 engines completed missions on Soviet and Russian satellites.^[15] Soviet thruster design was introduced to the West in 1992 after a team of electric propulsion specialists, under the support of the Ballistic Missile Defense Organization, visited Soviet laboratories.

General working principle[edit]

Ion thrusters use beams of ions (electrically charged atoms or molecules) to create thrust in accordance with momentum conservation. The method of accelerating the ions varies, but all designs take advantage of the charge/mass ratio of the ions. This ratio means that relatively small potential differences can create high exhaust velocities. This reduces the amount of reaction mass or propellant required, but increases the amount of specific power required compared to chemical rockets. Ion thrusters are therefore able to achieve high specific impulses. The drawback of the low thrust is low acceleration because the mass of the electric power unit directly correlates with the amount of power. This low thrust makes ion thrusters unsuited for launching spacecraft into orbit, but effective for in-space propulsion over longer periods of time.

Ion thrusters are categorized as either electrostatic or electromagnetic. The main difference is the method for accelerating the ions.

Electrostatic ion thrusters use the Coulomb force and accelerate the ions in the direction of the electric field.
Electromagnetic ion thrusters use the Lorentz force to move the ions.

Electric power for ion thrusters is usually provided by solar panels. However, for sufficiently large distances from the sun, nuclear power may be used. {2}} }, the standard gravitational acceleration of Earth, and noting that F=ma⟹a=F/m{\displaystyle F=ma\implies a=F/m}, this can be analyzed. An NSTAR thruster producing a thrust force of 92 mN^[17] will accelerate a satellite with a mass of 1 ton by 0.092 N / 1000 kg = 9.2×10⁻⁵ m/s² (or 9.38×10⁻⁶ g). However, this acceleration can be sustained for months or years at a time, in contrast to the very short burns of chemical rockets.

Where:

F is the thrust force in N,
η is the efficiency
P is the electrical power used by the thruster in W, and
I_sp is the specific impulse in seconds.

The ion thruster is not the most promising type of electrically powered spacecraft propulsion, but it is the most successful in practice to date.^[4] An ion drive would require two days to accelerate a car to highway speed in vacuum. The technical characteristics, especially thrust, are considerably inferior to the prototypes described in literature,^[3]^[4] technical capabilities are limited by the space charge created by ions. This limits the thrust density (force per cross-sectional area of the engine).^[4] Ion thrusters create small thrust levels (the thrust of Deep Space 1 is approximately equal to the weight of one sheet of paper^[4]) compared to conventional chemical rockets, but achieve high specific impulse, or propellant mass efficiency, by accelerating the exhaust to high speed. The power imparted to the exhaust increases with the square of exhaust velocity while thrust increase is linear. Conversely, chemical rockets provide high thrust, but are limited in total impulse by the small amount of energy that can be stored chemically in the propellants.^[18] Given the practical weight of suitable power sources, the acceleration from an ion thruster is frequently less than one-thousandth of standard gravity. However, since they operate as electric (or electrostatic) motors, they convert a greater fraction of input power into kinetic exhaust power. Chemical rockets operate as heat engines, and Carnot’s theorem limits the exhaust velocity.

Electrostatic thrusters[edit]

Gridded electrostatic ion thrusters[edit]

Main article: Gridded ion thruster

A diagram of how a gridded electrostatic ion engine (multipole magnetic cusp type) works

Gridded electrostatic ion thrusters development started in the 1960s^[19] and, since then, it has been used for commercial satellite propulsion^[20]^[21]^[22] and scientific missions.^[23]^[24] Their main feature is that the propellant ionization process is physically separated from the ion acceleration process.^[25]

The ionization process takes place in the discharge chamber, where by bombarding the propellant with energetic electrons, as the energy transferred ejects valence electrons from the propellant gas’s atoms. These electrons can be provided by a hot cathode filament and accelerated through the potential difference towards an anode. Alternatively, the electrons can be accelerated by an oscillating induced electric field created by an alternating electromagnet, which results in a self-sustaining discharge without a cathode (radio frequency ion thruster).

The positively charged ions are extracted by a system consisting of 2 or 3 multi-aperture grids. After entering the grid system near the plasma sheath, the ions are accelerated by the potential difference between the first grid and second grid (called the screen grid and the accelerator grid, respectively) to the final ion energy of (typically) 1–2 keV, which generates thrust.

Ion thrusters emit a beam of positively charged ions. To keep the spacecraft from accumulating a charge, another cathode is placed near the engine to emit electrons into the ion beam, leaving the propellant electrically neutral. This prevents the beam of ions from being attracted (and returning) to the spacecraft, which would cancel the thrust. ^[12]

Gridded electrostatic ion thruster research (past/present):

NASA Solar Technology Application Readiness (NSTAR), 2.3 kW, used on two successful missions
NASA’s Evolutionary Xenon Thruster (NEXT), 6.9 kW, flight qualification hardware built
Nuclear Electric Xenon Ion System (NEXIS)
High Power Electric Propulsion (HiPEP), 25 kW, test example built and run briefly on the ground
EADS Radio-frequency Ion Thruster (RIT)
Dual-Stage 4-Grid (DS4G)^[26]^[27]

Hall-effect thrusters[edit]

Main article: Hall-effect thruster

Schematic of a Hall-effect thruster

Hall-effect thrusters accelerate ions by means of an electric potential between a cylindrical anode and a negatively charged plasma that forms the cathode. The bulk of the propellant (typically xenon) is introduced near the anode, where it ionizes and flows toward the cathode; ions accelerate towards and through it, picking up electrons as they leave to neutralize the beam and leave the thruster at high velocity.

The anode is at one end of a cylindrical tube. In the center is a spike that is wound to produce a radial magnetic field between it and the surrounding tube. The ions are largely unaffected by the magnetic field, since they are too massive. However, the electrons produced near the end of the spike to create the cathode are trapped by the magnetic field and held in place by their attraction to the anode. Some of the electrons spiral down towards the anode, circulating around the spike in a Hall current. When they reach the anode they impact the uncharged propellant and cause it to be ionized, before finally reaching the anode and completing the circuit.^[28]

Field-emission electric propulsion[edit]

Main article: Field-emission electric propulsion

Field-emission electric propulsion (FEEP) thrusters may use caesium or indium propellants. The design comprises a small propellant reservoir that stores the liquid metal, a narrow tube or a system of parallel plates that the liquid flows through and an accelerator (a ring or an elongated aperture in a metallic plate) about a millimeter past the tube end. Caesium and indium are used due to their high atomic weights, low ionization potentials and low melting points. Once the liquid metal reaches the end of the tube, an electric field applied between the emitter and the accelerator causes the liquid surface to deform into a series of protruding cusps, or Taylor cones. At a sufficiently high applied voltage, positive ions are extracted from the tips of the cones.^[29]^[30]^[31] The electric field created by the emitter and the accelerator then accelerates the ions. An external source of electrons neutralizes the positively charged ion stream to prevent charging of the spacecraft.

Electromagnetic thrusters[edit]

This article or section appears to contradict the article Electrically powered spacecraft propulsion. Please see the talk page for more information. (April 2018)

Main article: Plasma propulsion engine

Pulsed inductive thrusters[edit]

Main article: Pulsed inductive thruster

Pulsed inductive thrusters (PIT) use pulses instead of continuous thrust and have the ability to run on power levels on the order of megawatts (MW). PITs consist of a large coil encircling a cone shaped tube that emits the propellant gas. Ammonia is the gas most commonly used. For each pulse, a large charge builds up in a group of capacitors behind the coil and is then released. This creates a current that moves circularly in the direction of jθ. The current then creates a magnetic field in the outward radial direction (Br), which then creates a current in the gas that has just been released in the opposite direction of the original current. This opposite current ionizes the ammonia. The positively charged ions are accelerated away from the engine due to the electric field jθ crossing the magnetic field Br, due to the Lorentz Force.^[32]

Magnetoplasmadynamic thruster[edit]

Main article: Magnetoplasmadynamic thruster

Magnetoplasmadynamic (MPD) thrusters and lithium Lorentz force accelerator (LiLFA) thrusters use roughly the same idea. The LiLFA thruster builds on the MPD thruster. Hydrogen, argon, ammonia and nitrogen can be used as propellant. In a certain configuration, the ambient gas in low Earth orbit (LEO) can be used as a propellant. The gas enters the main chamber where it is ionized into plasma by the electric field between the anode and the cathode. This plasma then conducts electricity between the anode and the cathode, closing the circuit. This new current creates a magnetic field around the cathode, which crosses with the electric field, thereby accelerating the plasma due to the Lorentz force.

The LiLFA thruster uses the same general idea as the MPD thruster, with two main differences. First, the LiLFA uses lithium vapor, which can be stored as a solid. The other difference is that the single cathode is replaced by multiple, smaller cathode rods packed into a hollow cathode tube. MPD cathodes are easily corroded due to constant contact with the plasma. In the LiLFA thruster, the lithium vapor is injected into the hollow cathode and is not ionized to its plasma form/corrode the cathode rods until it exits the tube. The plasma is then accelerated using the same Lorentz force.^[33]^[34]^[35]

In 2013, Russian company the Chemical Automatics Design Bureau successfully conducted a bench test of their MPD engine for long-distance space travel.^[36]

Electrodeless plasma thrusters[edit]

Main article: Electrodeless plasma thruster

Electrodeless plasma thrusters have two unique features: the removal of the anode and cathode electrodes and the ability to throttle the engine. The removal of the electrodes eliminates erosion, which limits lifetime on other ion engines. Neutral gas is first ionized by electromagnetic waves and then transferred to another chamber where it is accelerated by an oscillating electric and magnetic field, also known as the ponderomotive force. This separation of the ionization and acceleration stages allows throttling of propellant flow, which then changes the thrust magnitude and specific impulse values.^[37]

Helicon double layer thrusters[edit]

Main article: Helicon double-layer thruster

A helicon double layer thruster is a type of plasma thruster that ejects high velocity ionized gas to provide thrust. In this design, gas is injected into a tubular chamber (the source tube) with one open end. Radio frequency AC power (at 13.56 MHz in the prototype design) is coupled into a specially shaped antenna wrapped around the chamber. The electromagnetic wave emitted by the antenna causes the gas to break down and form a plasma. The antenna then excites a helicon wave in the plasma, which further heats it. The device has a roughly constant magnetic field in the source tube (supplied by solenoids in the prototype), but the magnetic field diverges and rapidly decreases in magnitude away from the source region and might be thought of as a kind of magnetic nozzle. In operation, a sharp boundary separates the high density plasma inside the source region and the low density plasma in the exhaust, which is associated with a sharp change in electrical potential. Plasma properties change rapidly across this boundary, which is known as a current-free electric double layer. The electrical potential is much higher inside the source region than in the exhaust and this serves both to confine most of the electrons and to accelerate the ions away from the source region. Enough electrons escape the source region to ensure that the plasma in the exhaust is neutral overall.

Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR)[edit]

Main article: Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket

The proposed Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR) functions by using radio waves to ionize a propellant into a plasma, and then using a magnetic field to accelerate the plasma out of the back of the rocket engine to generate thrust. The VASIMR is currently being developed by Ad Astra Rocket Company, headquartered in Houston, Texas, with help from Canada-based Nautel, producing the 200 kW RF generators for ionizing propellant. Some of the components and «plasma shoots» experiments are tested in a laboratory settled in Liberia, Costa Rica. This project is led by former NASA astronaut Dr. Franklin Chang-Díaz (CRC-USA). A 200 kW VASIMR test engine was in discussion to be fitted in the exterior of the International Space Station, as part of the plan to test the VASIMR in space – however plans for this test onboard ISS were canceled in 2015 by NASA, with a free flying VASIMR test being discussed by Ad Astra instead. ^[38] An envisioned 200 megawatt engine could reduce the duration of flight from Earth to Jupiter or Saturn from six years to fourteen months, and Mars from 7 months to 39 days.^[39]

Microwave electrothermal thrusters[edit]

Under a research grant from the NASA Lewis Research Center during the 1980s and 1990s, Martin C. Hawley and Jes Asmussen led a team of engineers in developing a Microwave Electrothermal Thruster (MET).^[40]

In the discharge chamber, microwave (MW) energy flows into the center containing a high level of ions (I), causing neutral species in the gaseous propellant to ionize. Excited species flow out (FES) through the low ion region (II) to a neutral region (III) where the ions complete their recombination, replaced with the flow of neutral species (FNS) towards the center. Meanwhile, energy is lost to the chamber walls through heat conduction and convection (HCC), along with radiation (Rad). The remaining energy absorbed into the gaseous propellant is converted into thrust.

Radioisotope thruster[edit]

A theoretical propulsion system has been proposed, based on alpha particles (He²⁺
_{or ⁴
₂He²⁺
_{indicating a helium ion with a +2 charge) emitted from a radioisotope uni-directionally through a hole in its chamber. A neutralising electron gun would produce a tiny amount of thrust with high specific impulse in the order of millions of seconds due to the high relativistic speed of alpha particles.^[41]}}

A variant of this uses a graphite-based grid with a static DC high voltage to increase thrust as graphite has high transparency to alpha particles if it is also irradiated with short wave UV light at the correct wavelength from a solid state emitter. It also permits lower energy and longer half life sources which would be advantageous for a space application. Helium backfill has also been suggested as a way to increase electron mean free path.

Comparisons[edit]

Test data of some ion thrusters
Thruster	Propellant	Input power (kW)	Specific impulse (s)	Thrust (mN)	Thruster mass (kg)	Notes
NSTAR	Xenon	2. 3	1700–3300^[42]	92 max.^[17]	8.33 ^[43]	Used on the Deep Space 1 and Dawn space probes
PPS-1350 Hall effect	Xenon	1.5	1660	90	5.3
NEXT^[17]	Xenon	6.9^[44]	4190^[44]^[45]^[46]	236 max.^[17]^[46]	<13.5 ^[47]	To be used in DART mission
X3^[48]	Xenon or Krypton^[49]	102^[48]	1800–2650^[50]	5400^[48]	230^[50]^[48]
NEXIS^[51]	Xenon	20.5
RIT 22^[52]	Xenon	5
BHT8000^[53]	Xenon	8	2210	449	25
Hall effect	Xenon	75^{[citation needed]}
FEEP	Liquid caesium	0006″>6×10⁻⁵–0.06	6000–10000^[30]	0.001–1^[30]
NPT30-I2	Iodine	0.034–0.066 ^[54]	1000–2500^[54]	0.5–1.5^[54]	1.2
AEPS^[55]	Xenon	13.3	2900	600	25	To be used in Lunar Gateway PPE module.

Experimental thrusters (no mission to date)
Thruster	Propellant	Input power (kW)	Specific impulse (s)	Thrust (mN)	Thruster mass (kg)	Notes
Hall effect	Bismuth	1.9^[56]	1520 (anode)^[56]	143 (discharge)^[56]
Hall effect	Bismuth	25^{[citation needed]}
Hall effect	Bismuth	140^{[citation needed]}
Hall effect	Iodine	0. 2^[57]	1510 (anode)^[57]	12.1 (discharge)^[57]
Hall effect	Iodine	7^[58]	1950^[58]	413^[58]
HiPEP	Xenon	20–50^[59]	6000–9000^[59]	460–670^[59]
MPDT	Hydrogen	1500^[60]	4900^[60]	26300^{[citation needed]}
MPDT	Hydrogen	3750^[60]	3500^[60]	88500^{[citation needed]}
MPDT	Hydrogen	7500^{[citation needed]}	6000^{[citation needed]}	60000^{[citation needed]}
LiLFA	Lithium vapor	500	4077^{[citation needed]}	12000^{[citation needed]}
FEEP	Liquid caesium	0006″>6×10⁻⁵–0.06	6000–10000^[30]	0.001–1^[30]
VASIMR	Argon	200	3000–12000	Approximately 5000^[61]	620^[62]
CAT^[63]	Xenon, iodine, water^[64]	0.01	690^[65]^[66]	1.1–2 (73 mN/kW)^[64]	<1^[64]
DS4G	Xenon	250	19300	2500 max.	5
KLIMT	Krypton	0.5^[67]			4^[67]
ID-500	Xenon^[68]	32–35	7140	375–750^[69]	34.8	To be used in TEM

Lifetime[edit]

Ion thrusters’ low thrust requires continuous operation for a long time to achieve the necessary change in velocity (delta-v) for a particular mission. Ion thrusters are designed to provide continuous operation for intervals of weeks to years.

The lifetime of electrostatic ion thrusters is limited by several processes.

Gridded thruster life[edit]

In electrostatic gridded designs, charge-exchange ions produced by the beam ions with the neutral gas flow can be accelerated towards the negatively biased accelerator grid and cause grid erosion. End-of-life is reached when either the grid structure fails or the holes in the grid become large enough that ion extraction is substantially affected; e.g., by the occurrence of electron backstreaming. Grid erosion cannot be avoided and is the major lifetime-limiting factor. Thorough grid design and material selection enable lifetimes of 20,000 hours or more.

A test of the NASA Solar Technology Application Readiness (NSTAR) electrostatic ion thruster resulted in 30,472 hours (roughly 3.5 years) of continuous thrust at maximum power. Post-test examination indicated the engine was not approaching failure. ^[70]^[3]^[4] NSTAR operated for years on Dawn.

The NASA Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) project operated continuously for more than 48,000 hours.^[71] The test was conducted in a high vacuum test chamber. Over the course of the 5.5+ year test, the engine consumed approximately 870 kilograms of xenon propellant. The total impulse generated would require over 10,000 kilograms of conventional rocket propellant for a similar application.

Hall-effect thruster life[edit]

Hall-effect thrusters suffer from strong erosion of the ceramic discharge chamber by impact of energetic ions: a test reported in 2010 ^[72] showed erosion of around 1 mm per hundred hours of operation, though this is inconsistent with observed on-orbit lifetimes of a few thousand hours.

The Advanced Electric Propulsion System (AEPS) is expected to accumulate about 5,000 hours and the design aims to achieve a flight model that offers a half-life of at least 23,000 hours^[73] and a full life of about 50,000 hours. ^[74]

Propellants[edit]

Ionization energy represents a large percentage of the energy needed to run ion drives. The ideal propellant is thus easy to ionize and has a high mass/ionization energy ratio. In addition, the propellant should not erode the thruster to any great degree to permit long life; and should not contaminate the vehicle.^[75]

Many current designs use xenon gas, as it is easy to ionize, has a reasonably high atomic number, is inert and causes low erosion. However, xenon is globally in short supply and expensive. (~$3,000/kg in 2021^[76])

Some older ion thruster designs used mercury propellant. However, mercury is toxic, tended to contaminate spacecraft, and was difficult to feed accurately. A modern commercial prototype may be using mercury successfully.^[77] Mercury was formally banned as a propellant in 2022 by the Minamata Convention on Mercury.^[78]

Since 2018, krypton is used to fuel the Hall-effect thrusters aboard Starlink internet satellites, in part due to its lower cost than conventional xenon propellant. ^[79]

Other propellants, such as bismuth and iodine, show promise both for gridless designs such as Hall-effect thrusters,^[56]^[57]^[58] and gridded ion thrusters.^[80]

Iodine: For the first time in space, Iodine was used as a propellant for electric propulsion on the NPT30-I2 gridded ion thruster by ThrustMe, on board the Beihangkongshi-1 mission launched in November 2020,^[81]^[82]^[83] with an extensive report published a year later in the journal Nature.^[84] The CubeSat Ambipolar Thruster (CAT) used on the Mars Array of Ionospheric Research Satellites Using the CubeSat Ambipolar Thruster (MARS-CAT) mission also proposes to use solid iodine as the propellant to minimize storage volume.^[65]^[66]

VASIMR design (and other plasma-based engines) are theoretically able to use practically any material for propellant. However, in current tests the most practical propellant is argon, which is relatively abundant and inexpensive.

Energy efficiency[edit]

Plot of instantaneous propulsive efficiency and overall efficiency for a vehicle accelerating from rest as percentages of the engine efficiency. Note that peak vehicle efficiency occurs at about 1.6 times exhaust velocity.

Ion thruster efficiency is the kinetic energy of the exhaust jet emitted per second divided by the electrical power into the device.

Overall system energy efficiency is determined by the propulsive efficiency, which depends on vehicle speed and exhaust speed. Some thrusters can vary exhaust speed in operation, but all can be designed with different exhaust speeds. At the lower end of specific impulse, I_sp, the overall efficiency drops, because ionization takes up a larger percentage energy and at the high end propulsive efficiency is reduced.

Optimal efficiencies and exhaust velocities for any given mission can be calculated to give minimum overall cost.

Missions[edit]

Ion thrusters have many in-space propulsion applications. The best applications make use of the long mission interval when significant thrust is not needed. Examples of this include orbit transfers, attitude adjustments, drag compensation for low Earth orbits, fine adjustments for scientific missions and cargo transport between propellant depots, e.g., for chemical fuels. Ion thrusters can also be used for interplanetary and deep-space missions where acceleration rates are not crucial. Ion thrusters are seen as the best solution for these missions, as they require high change in velocity but do not require rapid acceleration. Continuous thrust over long durations can reach high velocities while consuming far less propellant than traditional chemical rockets.

Demonstration vehicles[edit]

SERT[edit]

Ion propulsion systems were first demonstrated in space by the NASA Lewis (now Glenn Research Center) missions Space Electric Rocket Test (SERT)-1 and SERT-2A.^[23] A SERT-1 suborbital flight was launched on 20 July 1964, and successfully proved that the technology operated as predicted in space. These were electrostatic ion thrusters using mercury and caesium as the reaction mass. SERT-2A, launched on 4 February 1970,^[13]^[85] verified the operation of two mercury ion engines for thousands of running hours.^[13]

Operational missions[edit]

Ion thrusters are routinely used for station-keeping on commercial and military communication satellites in geosynchronous orbit. The Soviet Union pioneered this field, using Stationary Plasma Thrusters (SPTs) on satellites starting in the early 1970s.

Two geostationary satellites (ESA’s Artemis in 2001–2003^[86] and the United States military’s AEHF-1 in 2010–2012^[87]) used the ion thruster to change orbit after the chemical-propellant engine failed. Boeing^[88] began using ion thrusters for station-keeping in 1997 and planned in 2013–2014 to offer a variant on their 702 platform, with no chemical engine and ion thrusters for orbit raising; this permits a significantly lower launch mass for a given satellite capability. AEHF-2 used a chemical engine to raise perigee to 16,330 km (10,150 mi) and proceeded to geosynchronous orbit using electric propulsion.^[89]

In Earth orbit[edit]

Tiangong space station[edit]

China’s Tiangong space station is fitted with ion thrusters. Tianhe core module is propelled by both chemical thrusters and four Hall-effect thrusters,^[90] which are used to adjust and maintain the station’s orbit. The development of the Hall-effect thrusters is considered a sensitive topic in China, with scientists «working to improve the technology without attracting attention». Hall-effect thrusters are created with crewed mission safety in mind with effort to prevent erosion and damage caused by the accelerated ion particles. A magnetic field and specially designed ceramic shield was created to repel damaging particles and maintain integrity of the thrusters. According to the Chinese Academy of Sciences, the ion drive used on Tiangong has burned continuously for 8,240 hours without a glitch, indicating their suitability for Chinese space station’s designated 15-year lifespan. ^[91]

Starlink[edit]

SpaceX’s Starlink satellite constellation uses Hall-effect thrusters powered by krypton to raise orbit, perform maneuvers, and de-orbit at the end of their use.^[92]

GOCE[edit]

ESA’s Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer (GOCE) was launched on 16 March 2009. It used ion propulsion throughout its twenty-month mission to combat the air-drag it experienced in its low orbit (altitude of 255 kilometres) before intentionally deorbiting on 11 November 2013.

In deep space[edit]

Deep Space 1[edit]

NASA developed the NSTAR ion engine for use in interplanetary science missions beginning in the late-1990s. It was space-tested in the highly successful space probe Deep Space 1, launched in 1998. This was the first use of electric propulsion as the interplanetary propulsion system on a science mission.^[23] Based on the NASA design criteria, Hughes Research Labs, developed the Xenon Ion Propulsion System (XIPS) for performing station keeping on geosynchronous satellites. ^[93]Hughes (EDD) manufactured the NSTAR thruster used on the spacecraft.

Hayabusa and Hayabusa2[edit]

The Japanese Aerospace Exploration Agency’s Hayabusa space probe was launched in 2003 and successfully rendezvoused with the asteroid 25143 Itokawa. It was powered by four xenon ion engines, which used microwave electron cyclotron resonance to ionize the propellant and an erosion-resistant carbon/carbon-composite material for its acceleration grid.^[94] Although the ion engines on Hayabusa experienced technical difficulties, in-flight reconfiguration allowed one of the four engines to be repaired and allowed the mission to successfully return to Earth.^[95]

Hayabusa2, launched in 2014, was based on Hayabusa. It also used ion thrusters.^[96]

Smart 1[edit]

The European Space Agency’s satellite SMART-1 launched in 2003 using a Snecma PPS-1350-G Hall thruster to get from GTO to lunar orbit. This satellite completed its mission on 3 September 2006, in a controlled collision on the Moon’s surface, after a trajectory deviation so scientists could see the 3 meter crater the impact created on the visible side of the Moon.

Dawn[edit]

Dawn launched on 27 September 2007, to explore the asteroid Vesta and the dwarf planet Ceres. It used three Deep Space 1 heritage xenon ion thrusters (firing one at a time). Dawn‘s ion drive is capable of accelerating from 0 to 97 km/h (60 mph) in 4 days of continuous firing.^[97] The mission ended on 1 November 2018, when the spacecraft ran out of hydrazine chemical propellant for its attitude thrusters.^[98]

LISA Pathfinder[edit]

LISA Pathfinder is an ESA spacecraft launched in 2015 to orbit the sun-Earth L1 point. It does not use ion thrusters as its primary propulsion system, but uses both colloid thrusters and FEEP for precise attitude control – the low thrusts of these propulsion devices make it possible to move the spacecraft incremental distances accurately. It is a test for the LISA mission. The mission ended on 30 December 2017.

BepiColombo[edit]

ESA’s BepiColombo mission was launched to Mercury on 20 October 2018. ^[99] It uses ion thrusters in combination with swing-bys to get to Mercury, where a chemical rocket will complete orbit insertion.

Double Asteroid Redirection Test[edit]

NASA’s Double Asteroid Redirection Test (DART) launched in 2021 and will operate its NEXT-C xenon ion thruster for about 1,000 hours to reach the target asteroid in 2022.

Proposed missions[edit]

International Space Station[edit]

As of March 2011, a future launch of an Ad Astra VF-200 200 kW VASIMR electromagnetic thruster was under consideration for testing on the International Space Station (ISS).^[100]^[101] However, in 2015, NASA ended plans for flying the VF-200 to the ISS. A NASA spokesperson stated that the ISS «was not an ideal demonstration platform for the desired performance level of the engines». Ad Astra stated that tests of a VASIMR thruster on the ISS would remain an option after a future in-space demonstration.^[38]

The VF-200 would have been a flight version of the VX-200. ^[102]^[103] Since the available power from the ISS is less than 200 kW, the ISS VASIMR would have included a trickle-charged battery system allowing for 15 minutes pulses of thrust. The ISS orbits at a relatively low altitude and experiences fairly high levels of atmospheric drag, requiring periodic altitude boosts – a high efficiency engine (high specific impulse) for station-keeping would be valuable, theoretically VASIMR reboosting could cut fuel cost from the current US$210 million annually to one-twentieth.^[100] VASIMR could in theory use as little as 300 kg of argon gas for ISS station-keeping instead of 7500 kg of chemical fuel – the high exhaust velocity (high specific impulse) would achieve the same acceleration with a smaller amount of propellant, compared to chemical propulsion with its lower exhaust velocity needing more fuel.^[104]Hydrogen is generated by the ISS as a by-product and is vented into space.

NASA previously worked on a 50 kW Hall-effect thruster for the ISS, but work was stopped in 2005. ^[104]

Lunar Gateway[edit]

The Power and Propulsion Element (PPE) is a module on the Lunar Gateway that provides power generation and propulsion capabilities. It is targeting launch on a commercial vehicle in January 2024.^[105] It would probably use the 50 kW Advanced Electric Propulsion System (AEPS) under development at NASA Glenn Research Center and Aerojet Rocketdyne.^[73]

MARS-CAT[edit]

The MARS-CAT (Mars Array of ionospheric Research Satellites using the CubeSat Ambipolar Thruster) mission is a two 6U CubeSat concept mission to study Mars’ ionosphere. The mission would investigate its plasma and magnetic structure, including transient plasma structures, magnetic field structure, magnetic activity and correlation with solar wind drivers.^[65] The CAT thruster is now called the RF thruster and manufactured by Phase Four.^[66]

Interstellar missions[edit]

Geoffrey A. Landis proposed using an ion thruster powered by a space-based laser, in conjunction with a lightsail, to propel an interstellar probe. ^[106]^[107]

Popular culture[edit]

The idea of an ion engine first appeared in Donald W Horner’s By Aeroplane to the Sun: Being the Adventures of a Daring Aviator and his Friends (1910).^[108]
Ion propulsion is the main thrust source of the spaceship Kosmokrator in the Eastern German/Polish science fiction movie Der Schweigende Stern (1960).^[109] Minute 28:10.
In the 1968 episode of Star Trek, «Spock’s Brain», Scotty is repeatedly impressed by a civilization’s use of ion power.^[110]^[111]
Ion thrusters repeatedly appear in the Star Wars franchise, most notably in the Twin Ion Engine (TIE) fighter.
Ion thrusters appear as the primary form of propulsion in vacuum for the spacecraft in the game Space Engineers.
Ion thrusters are referenced as a method of space propulsion in The Martian, where they are used to propel the Hermes crewed spacecraft between Earth and Mars. DeCandido, Keith R. A. (7 June 2016). «Star Trek The Original Series Rewatch: «Spock’s Brain»». tor.com.

Bibliography[edit]

Lerner, Eric J. (October 2000). «Plasma Propulsion in Space» (PDF). The Industrial Physicist. 6 (5): 16–19. Archived from the original (PDF) on 16 March 2007. Retrieved 29 June 2007.
ElectroHydroDynamic Thrusters (EHDT) RMCybernetics

External links[edit]

Jet Propulsion Laboratory/NASA
Colorado State University Electric Propulsion & Plasma Engineering (CEPPE) Laboratory
Geoffrey A. Landis: Laser-powered Interstellar Probe
Choueiri, Edgar Y. (2009) New dawn of electric rocket The Ion Drive
The revolutionary ion engine that took spacecraft to Ceres
Electric Propulsion Sub-Systems
Stationary plasma thrusters

Articles[edit]

«NASA Trumps Star Trek: Ion Drive Live!» The Daily Galaxy 13 April 2009.
«The Ultimate Space Gadget: NASA’s Ion Drive Live!» The Daily Galaxy, 7 July 2009.
An early experimental ion engine is on display at the Aerospace Discovery at the Florida Air Museum.

Portals:

Energy Astronomy Spaceflight

Ионный двигатель под партой: как школьники собирают и запускают спутники

https://ria.ru/20210904/space_pi-1748598821.html

Ионный двигатель под партой: как школьники собирают и запускают спутники

Ионный двигатель под партой: как школьники собирают и запускают спутники — РИА Новости, 10.09.2021

Ионный двигатель под партой: как школьники собирают и запускают спутники

Кубсат — “кубический сателлит”, стандартизированный спутник объёмом в 1 литр. Он может выполнять те же функции, что и “большие” профессиональные спутники — но запускать кубсаты могут даже дети. И уже год, как в СПбПУ работает программа Space Pi, которая помогает школьникам спроектировать, собрать и запустить в космос свой собственный кубсат.

2021-09-04T12:00

2021-09-10T15:53

мы все умрём. но это не точно

технологии

спутник

роскосмос

космос

санкт-петербургский политехнический университет петра великого

подкаст

россия

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e5/09/03/1748598299_3:0:638:357_1920x0_80_0_0_ff129185ae796ad581cce4cca4447623.png

Ионный двигатель под партой: как школьники собирают и запускают спутники

audio/mpeg

Ионный двигатель под партой: как школьники собирают и запускают спутники

audio/mpeg

Подробно об этом рассказал профессор Высшей школы прикладной физики и космических технологий Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ), заслуженный деятель науки РФ, научный руководитель проекта Space Pi Сергей Макаров.Желающие принять участие и запустить свой собственный спутник могут заполнить заявку на участие в конкурсе “Космическая автоматическая идентификация объектов и искусственный интеллект”.В одном из эпизодов этого подкаста мы обсуждали, как и зачем прививать детям интерес к изучению космоса. А в другом нашем подкасте “Не верю!” мы говорили о том, какие у молодых специалистов есть перспективы для работы в космической отрасли.Слушайте подкасты РИА Новости и подписывайтесь на них в мобильных приложениях: для iPhone — iTunes, для Android — Google Podcasts. С любым устройством вы можете использовать Яндекс.Музыка, Castbox, SoundStream и MEGOGO. Скачайте выбранное приложение и наберите в строке поиска «РИА Новости» или название подкаста.Как и где бесплатно подписаться на подкасты__________Эпизод подготовил Артём БуфтякМонтаж Анастасии ПаниотиСпрашивайте нас, предлагайте нам, спорьте с нами: [email protected]

космос

россия

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2021

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e5/09/03/1748598299_83:0:559:357_1920x0_80_0_0_e708c39cf8a46de8c59b89babb35f8cb.png

1920

true

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

технологии, спутник, роскосмос, космос, санкт-петербургский политехнический университет петра великого, подкаст, россия, аудио, навигатор абитуриента, университетская наука

Мы все умрём. Но это не точно, Технологии, Спутник, Роскосмос, Космос, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Подкаст, Россия, Навигатор абитуриента, Университетская наука

Ионные двигатели могут работать и на Земле, чтобы сделать твердотельные самолеты бесшумными

Ионные двигатели — лучшая технология для отправки космических кораблей в дальние миссии. Они не подходят для запуска космических кораблей против мощной гравитации, но им требуется минимальное количество топлива по сравнению с ракетами, и они разгоняют космические корабли до более высоких скоростей в течение длительных периодов времени. Ионные двигатели также бесшумны, и их молчание заставляет некоторых ученых задаваться вопросом, могут ли они использовать их на Земле в приложениях, где шум нежелателен.

Полет с двигателем шумный. Вертолеты создают ужасный грохот, а рев реактивных двигателей может сделать жизнь рядом с аэропортом почти невыносимой. Даже небольшие винтовые самолеты шумны. Но что, если вместо этих более громких двигательных установок можно было бы использовать ионные двигатели, по крайней мере, в некоторых приложениях, где шум является проблемой?

Стивен Барретт из Массачусетского технологического института считает, что идея заслуживает внимания. Барретт — профессор аэронавтики и астронавтики в Массачусетском технологическом институте. Он также является директором лаборатории авиации и окружающей среды Массачусетского технологического института. «Цель исследования Стивена — помочь авиации добиться нулевого воздействия на окружающую среду», — говорится на сайте Массачусетского технологического института. «Это включает в себя разработку технологий двигателей с низким уровнем выбросов и шума для самолетов…» И здесь вступает в действие работа Барретта по ионным двигателям9.0003

Барретт много лет интересовался ионным двигателем. В 2018 году Барретт и его коллеги опубликовали в журнале Nature статью под названием «Полет самолета с твердотельным двигателем». Твердотельные двигательные установки не имеют движущихся частей, поэтому они очень тихие. Энергия для полета исходит от электроаэродинамики, где электричество перемещает ионы и обеспечивает движение. Барретт и его коллеги называют поток ионов «ионным ветром». Они использовали его для запуска небольшого испытательного самолета в устойчивых и стабильных полетах.

«Это первый в истории устойчивый полет самолета без движущихся частей в силовой установке, — сказал Барретт в 2018 году. — Это потенциально открыло новые и неизведанные возможности для самолетов, которые тише, механически проще и не выделяют выбросы сгорания».

Это видео 2018 года объясняет работу Барретта до этого момента.

Пока что Барретт и его команда успешно продемонстрировали эту концепцию на планере весом 2,26 кг (5 фунтов) с размахом крыльев 5 метров (16,4 фута). Крыло натянуто проволокой наподобие горизонтального ограждения. Литиевые батареи в фюзеляже подают ток на провода. Батареи подают положительный заряд на провода вдоль передней и нижней части крыла, а провода вдоль задней кромки крыла действуют как отрицательные электроды.

Уникальная аккумуляторная система подает 40 000 вольт электричества на плюсовые провода. Положительные заряды отрывают электроны от молекул воздуха, ионизируя их. Затем вновь ионизированные молекулы притягиваются к отрицательным электродам на задних кромках крыла. Эта полярность создает ионный ветер, который нагнетает воздух вокруг крыльев, создавая подъемную силу и тягу. Когда ионизированные молекулы движутся к отрицательным электродам, они сталкиваются с миллионами других молекул воздуха, толкая самолет вперед.

Барретт продолжал развивать идею твердотельного электроаэродинамического летательного аппарата с момента публикации статьи в 2018 году. Сейчас он работает с программой NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC). В статье от 7 февраля 2022 года Барретт объяснил текущее состояние идеи.

«Расширенная воздушная мобильность (AAM) — это авиационная экосистема, которая предусматривает работу небольших электрических самолетов с вертикальным взлетом и посадкой (VTOL) в городских районах», — написал он. Проблема с этим сценарием — шум: сообщества не будут приветствовать дополнительный шум. Ионная электроаэродинамика (EAD) может решить эту проблему.

В системах EAD нет движущихся частей, поэтому они практически бесшумны. Тишина приносит пользу нескольким потенциальным миссиям. «Примеры миссий, обеспечиваемых бесшумной силовой установкой EAD, включают в себя те, которые находятся рядом с чувствительными к шуму городскими сообществами, или срочные миссии по доставке в ночное время (например, для критически важных предметов медицинского назначения), когда сопротивление сообщества шуму наиболее сильное».

Ионный двигатель выигрывает от бесшумности, но у него есть и недостаток. Он создает низкую начальную тягу. В космосе это не проблема. Например, НАСА использовало мощную обычную ракету для запуска своей миссии DART с Земли, потому что обычные ракеты развивают достаточную тягу для достижения космической скорости. Но как только DART оставил Землю и ее гравитацию позади, он использовал ионный двигатель для движения.

Барретт и его команда продемонстрировали, что самолет EAD может летать в продолжительном полете. Но можно ли выполнить полет вертикального взлета и посадки?

Барретт думает, что они могут. «Новые многоступенчатые подруливающие устройства (MSD) EAD, в которых несколько ступеней двигателей EAD заключены внутри канала, будут использоваться для увеличения тяги, достаточной для обеспечения операций вертикального взлета и посадки», — написал Барретт в февральской статье. «В рамках этих усилий мы разработаем почти бесшумный самолет с возможностью вертикального взлета и посадки, оснащенный двигателями MSD».

Эти концептуальные чертежи иллюстрируют некоторые идеи, лежащие в основе двигателей VTOL EAD. На каждом чертеже коробчатые компоненты создают тягу. A и B аналогичны модели, использовавшейся в испытательных полетах, а два нижних рисунка иллюстрируют другие концепции конструкции. Кредит изображения: Стивен Барретт.

Если они смогут воплотить свою идею в жизнь, в ближайшее время они не будут летать с пассажирами. Но СВВП EAD может занять и другие ниши.

«Самолет позволит выполнять миссии по доставке посылок в чувствительных к шуму районах или ночью, где операции в противном случае были бы запрещены из-за противодействия сообщества», — пишет Барретт. Так что в основном они будут более тихими дронами.

Баррет мыслит масштабно. В то время как двигатель EAD сначала ограничивает размер самолета, последующие версии могут быть больше, мощнее и нести более тяжелые полезные нагрузки, включая пассажиров. «Эти усилия будут направлены на поддержку долгосрочных целей (1) по созданию и управлению самолетом с двигателем MSD и (2) оценке применимости технологии двигателя MSD для других вариантов использования AAM, включая внутригородские и междугородние пассажирские перевозки. транспорт», — говорит Барретт.

Пассажирский транспорт — это то, где технология может окупиться. В мире существует огромное количество авиаперевозок. В 2018 году в результате авиаперевозок было выброшено 1,04 миллиарда тонн CO2, включая пассажирские и грузовые перевозки. Это составляет около 2,5% мировых выбросов CO2. В этом могут помочь новые технологии, такие как двигатель EAD.

С такой идеей неудивительно, что Барретт был фанатом «Звездного пути». Его интересовали шаттлы и то, как они бесшумно передвигаются без движущихся частей и выхлопных газов. «Это навело меня на мысль, что в долгосрочной перспективе у самолетов не должно быть пропеллеров и турбин, — сказал Барретт в 2018 году. скользить».

Успокаивающее голубое свечение ионного двигателя. Изображение предоставлено: NASA

До того, как двигатель EAD станет реальностью, помимо более тихих дронов, предстоит пройти долгий путь. Но Барретт говорит, что переход от концепции к ограниченному летающему прототипу в качестве доказательства концепции тоже был долгим путем.

«Понадобилось много времени, чтобы добраться сюда, — говорит Барретт. «Переход от основного принципа к чему-то, что действительно летает, был долгим путем описания физики, затем разработки дизайна и запуска его в работу. Теперь возможности для такой двигательной установки вполне жизнеспособны».

NIAC: бесшумный твердотельный двигатель для усовершенствованных аэромобильных транспортных средств
Вселенная сегодня: этот мощный ионный двигатель будет летать в рамках миссии НАСА DART по попытке перенаправить астероид
НАСА: обзор NIAC

Вот так:

Нравится Загрузка. ..

Ионный двигатель | Вукипедия | Фэндом

в:
Статьи Canon, Технологические заметки, Неполные списки,

а также
еще 3

» Я никогда раньше не был внутри ионного двигателя.

―omega и «Wrecker» ^[1]

Ионовый двигатель Thrust от Venator -Class Star Dresser

Ионные двигатели (также называемый Ion Drives , Ion Thrusesters Thrusesters , а также Or of , , , , , , , , , , , , , , , , а также , Ion Thrusestres приводные двигатели ) были распространенным типом досветовых двигателей. Двигатели генерировали заряженные частицы, которые затем выбрасывались из задней части корабля, создавая при этом тягу. ^[2] В отличие от многих других двигателей звездолетов, ионные двигатели не имели движущихся частей и высокотемпературных компонентов. ^[3] Из-за этого они требовали гораздо меньшего обслуживания, фактор экономии времени и средств, который привел к их широкому использованию в Имперском флоте. ^[3] Примечательно, что многие модели истребителей линейки TIE были оснащены двойными ионными двигателями. ^[4] Побочный продукт таких двигателей, ионный выхлоп, сделал проход корабля обнаруживаемым датчиками. ^[5]

Во время конфликта между Первым Орденом и Сопротивлением компания Sienar-Jaemus Army Systems произвела ряд моделей ионных двигателей, включая SJAS-210 и SJFS-200a. ^[2]

Эта статья представляет собой заготовку о технологиях. Вы можете помочь Вукипедии, расширив ее.

Содержание

1 Внешний вид
2 источника
3 Примечания и ссылки
4 Внешние ссылки

Появления[]

Источники[]

Звёздные войны: Повстанцы: лицом к лицу
Ultimate Звездные войны
Звездные войны: Корабли Галактики
Звездные войны : Торговец картами (Карта: TIE Bomber — Чертежи )
Звездные войны : Торговец картами (Карта: Звездный разрушитель — Чертежи )
Звездные войны : Торговец картами (Карта: TIE Interceptor — Чертежи )
Звездные войны : Торговец картами (Карта: Звезда Смерти — Чертежи )
Звездные войны: Пробуждение силы: Невероятные разрезы
Звездные войны : Торговец картами (Карта: TIE Fighter — Чертежи )
Звездные войны : Торговец картами (Карта: TIE Fighter Дарта Вейдера — Чертежи )
Звездные войны : Торговец картами (Карта: Звезда Смерти II — Чертежи )
По Дэмерон: бортовой журнал
Коллекция шлемов «Звездные войны» 12 (Основные моменты саги: Звезда Смерти)
Коллекция шлемов «Звездные войны» 20 (Основные моменты саги: Захват Tantive IV )
Star Wars: Geektionary: Галактика от А до Я
Звездные войны: Файлы повстанцев
Звездные войны: Последние джедаи: Невероятные разрезы
Последние джедаи: бомбардировщик
Коллекция шлемов «Звездных войн» 48 (Банк данных AZ: Сабе — Совет сепаратистов; Шлемы: Пилот СИД Первого Ордена)
Энциклопедия истребителей и другой техники «Звездных войн»
Последние джедаи: Роуз Тико: Боец сопротивления
Соло: Звёздные войны. Истории: Истории Вандора
Star Wars: X-Wing Second Edition — Базовый набор (карта: Obsidian Squadron Pilot) (переиздан в Комплект для переоборудования Галактической Империи , TIE/ln Fighter Expansion Pack )
«Звездные войны: создай свой X-Wing» 1 (Звездные истребители: Люк Скайуокер — Спаситель Альянса повстанцев)
Коллекция шлемов «Звездные войны» 61 (Банк данных AZ: Неизвестные регионы – Утай; Оружие и обмундирование: Облачный город Беспина)
Коллекция шлемов «Звездные войны» 62 (Банк данных A-Z: U-wing–V-wing)
Руководство по ремонту TIE Fighter
Восстание сепаратистов
Распад республики
Звездные войны: Скайуокер. Восход: Путеводитель по Галактике
Книга Звездных войн
«Звездные истребители Республики, повстанцев и сопротивления» — Энциклопедия «Звёздных войн» (впервые назван(а)(ы) «Ионный двигатель»)
Коллекция бюстов «Звездные войны» 2 (Вселенная «Звездных войн: Штурмовики»)
Звездные войны: Мандалорский справочник
Эшелон TIE Первого Ордена в Databank (сохранённая копия на Archive. org)

Примечания и ссылки[]

↑ Звёздные войны: Плохая партия – «Воссоединение»
↑ ^2.0 ^2.1 Звездные войны: Пробуждение силы: Невероятные сечения
↑ ^3.0 ^3.1 Руководство по ремонту TIE Fighter
↑ Ultimate Star Wars
↑ Последние джедаи: Бомбардировочная команда

Внешние ссылки[]

Ионный двигатель в Википедии

На других языках

Контент сообщества доступен по лицензии CC-BY-SA, если не указано иное.

Впервые в космосе ученые тестируют ионные двигатели, работающие на йоде

Вот уже несколько лет научно-фантастическая механика ионных двигателей поднимает стандарт для летающих космических кораблей, заменяя огненные хвосты ракет в качестве новой вещи. Ионный двигатель может быть примерно в 10 раз быстрее, чем обычное топливо, и может непрерывно работать в течение длительных периодов времени, набирая по пути невероятную скорость.

Один недостаток, однако, в том, что он обычно используется с ксеноновыми двигателями. Миссия JAXA Hayabusa2 использовала классический ксенон в качестве топлива. Ксенон, тяжелый благородный газ, исключительно редко встречается на Земле, дорог и сложен в обслуживании. Вот почему французская аэрокосмическая компания ThrustMe реализует план по совершенствованию технологии ионного двигателя. Вместо ксенона предлагают использовать йод.

Йод невероятно распространен, недорог и прост в хранении с минимальными усилиями. Морские водоросли, типографская краска, молочные продукты и даже поваренная соль богаты нереактивным элементом.

«Йод значительно более распространен и дешевле, чем ксенон, и имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что его можно хранить без давления в виде твердого вещества», — говорится в заявлении Дмитрия Рафальского, технического директора и соучредителя ThrustMe.

Вместе со своей командой Рафальский разработал рабочую двигательную установку с ионно-йодным двигателем, названную НПТ30-И2. Он включает в себя все подсистемы, необходимые для ионной технологии, и умещается в одном корпусе размером примерно 10x10x10 сантиметров (около 4x4x4 дюймов).

Использование йода в качестве топлива для космических кораблей уже давно обсуждалось. Но что отличает ThrustMe, так это то, что он фактически отправил спутник в космос с помощью своего устройства, и операция прошла успешно. Свои результаты он опубликовал в среду в журнале Nature.

«Хотя йод считается революционным топливом и исследуется компаниями, университетами и космическими агентствами по всему миру, — пишет команда в своей статье, — ни одна система ранее не тестировалась в космосе».

ThrustMe интегрировала свою систему в исследовательский спутник Beihangkoshi-1, которым управляет глобальная космическая компания Spacety. Корабль был выведен на орбиту ракетой «Чанчжэн-6» 6 ноября 2020 года. С тех пор команда ThrustMe тщательно изучает каждый аспект двигательной установки, и, согласно ее наблюдениям, все работает так, как ожидалось.

«То, что наши результаты рецензируются экспертами и общедоступны, придает сообществу дополнительную уверенность и помогает создать эталон в отрасли», — говорится в заявлении Ане Анесланд, генерального директора и соучредителя ThrustMe.

Прорыв ионного двигателя

Чтобы космический корабль двигался вперед, ему нужно что-то толкать назад. Это понятие является классическим ньютоновским мнением: «каждое действие имеет равное и противоположное противодействие». Обычные двигатели внутреннего сгорания воспламеняют химические вещества в топливе, создавая газ (и прекрасное пламя), который выталкивается выхлопными газами в нижней части космического корабля. Это толкает его вверх.

Проблема с этим методом движения космического корабля заключается в том, что он работает только короткими рывками — «действие» двигателя должно быть всегда «включено» для противоположной «реакции» космического корабля.

Ионные двигатели немного отличаются. Вместо того, чтобы выбрасывать интенсивный поток топлива, они используют концепцию, называемую ионизацией. Процесс работает примерно так:

В каждом атоме каждого элемента есть некоторое количество электронов, частиц с отрицательным зарядом, и протонов, частиц с положительным зарядом. Когда атом нейтрален, обычно это стабильное состояние, количество электронов в нем равно количеству протонов. Это создает чистый нулевой заряд для атома.

Когда атом ионизируется, меняется количество электронов — чего добиваются ионные двигательные установки.

Ионный двигатель забирает и удаляет электроны из группы атомов, превращая их в заряженные «ионы». При наличии четного числа отрицательных и положительных ионов создается нейтральная среда, называемая плазмой. Суть плазмы в том, что она реагирует на электрические или магнитные поля.

Ионные двигатели имеют внутри магнитные сетки, которые создают поля и в конечном итоге выбрасывают положительные ионы. Ионы, выбрасываемые с чрезвычайно высокой скоростью из задней части космического корабля, толкают его вперед. Бонусный балл? Двигатели используют значительно меньше «топлива», чем химические ракеты.

Несмотря на то, что поначалу толчок очень легкий — один ученый НАСА описывает первоначальный толчок как легкий удар — со временем он набирает скорость. В течение дней, месяцев или лет скорость увеличивается сама по себе.

Ксенон обычно используется для этой операции, потому что, поскольку это благородный газ, его легче оторвать или оторвать от электронов. Он также уже находится в газообразном состоянии, что способствует продвижению процесса индукции плазмы. Но, согласно ThrustMe, атомы йода являются достойным конкурентом.

Йод лучше?

Йод имеет ряд ограничений. Основная причина, по которой ученые не занимались созданием йодных двигателей в прошлом, заключается в том, что этот элемент слишком агрессивен в твердом состоянии. Но чтобы сохранить йод в качестве игрока в игре с двигателями, необходимо хранить его в твердом состоянии, потому что это обеспечивает самое дешевое обслуживание.

Команда пишет, что «йод обладает высокой электроотрицательностью, что может привести к коррозии многих распространенных материалов» и что «вибрации во время запуска и движения космического корабля на орбите могут привести к тому, что твердый йод распадется на куски, что может привести к повреждению двигательной установки или привести к плохому тепловому контакту при нагреве».

Но с другой стороны, экипаж преодолел это препятствие, используя керамические контейнеры для переноса атомов йода в двигатели, что, казалось, помогло. Они также обнаружили, что твердый йод можно легко нагреть, чтобы он превратился в газ и начался процесс ионного движения.

Следует также отметить, что другие компании, такие как SpaceX, также ищут новые соединения для ионных двигателей. Исследователи говорят, что SpaceX выбрала криптон в качестве топлива для спутников Starlink. «Однако, — пишут они в статье, — криптон имеет более высокий порог ионизации и меньшую атомную массу, чем и ксенон, и йод, а требуемая мощность двигательной установки увеличивается более чем на 25% для достижения того же уровня тяги».

В целом, вероятно, необходимы дополнительные исследования, чтобы определить жизнеспособность двигателей на основе йода, особенно потому, что это первая демонстрация устройства, но успешный космический полет мини-спутника ThrustMe может стать серьезным первым шагом.

Потенциал ионных двигателей

Главной особенностью электрических двигательных (ионных) двигателей Hayabusa является генерация плазмы с использованием микроволн. Движение достигается за счет ускорения ионизированного топлива — газообразного ксенона — с помощью сильного электрического поля и выбрасывания его на высокой скорости. Хотя этот тип силовой установки обеспечивает меньшую мощность, чем химические двигательные установки, в которых используется сгорание топлива и окислителя, электрические двигательные установки имеют очень высокую эффективность использования топлива и могут поддерживать ускорение в течение длительного времени. Срок службы этих двигателей был увеличен в три раза по сравнению с обычными за счет изготовления пластин ускоряющих электродов ионных двигателей из углерод-углеродного композитного материала, который обладает превосходной долговечностью. Проект Hayabusa был первым испытанием ионного двигателя на практике.

В. Что было главной задачей при разработке ионных двигателей Хаябусы?

Четыре ионных двигателя установлены на Hayabusa

Запуск ионных двигателей во время наземных испытаний

Это новая система, поэтому было очень сложно создать каждую часть с использованием существующих технологий. Успешная разработка ионных двигателей зависела от создания материалов, которые выдержали бы 14 000 часов работы в космосе, поскольку обратный полет между Землей и астероидом занимает несколько лет. Поэтому нам нужно было продемонстрировать, что двигатели могут работать в течение длительного периода времени, и мы провели два 18 000-часовых испытания на выносливость. Есть около 9000 часов в год, что означает, что один тест занимает два года. Двигатели были помещены в вакуум для ресурсных испытаний, проводимых полностью автоматизированной операционной системой, которую также было сложно построить. Поначалу это было стрессом, потому что простая ошибка программирования могла привести к останову системы в процессе работы и прервать тест. В первые дни я даже спал в лаборатории месяцами, потому что боялся, что компьютер может остановиться. Будь то воскресенье или полночь, я время от времени спешил в лабораторию, когда мне звонили и говорили, что с оборудованием что-то не так. Такой долгий тест означал, что мы обошлись без новогодних и летних каникул. Когда первое испытание на выносливость было наконец завершено в 1999, это был такой радостный момент.
Успешное завершение двух 18 000-часовых испытаний на выносливость вселило в нас большую уверенность. Однако космическая среда сильно отличается от созданной человеком вакуумной системы. Мы уверены в системе ионного двигателя Хаябусы, но до сих пор не уверены в ее надежности в космосе. Мы оснастили космический корабль системой, чтобы протестировать ее, поэтому то, что происходит каждый день, я вижу как новое открытие для нас.

Q. «Хаябуса» успешно выполнила маневр по облету Земли в мае 2004 года, через год после запуска. Чем этот обход отличался от обычного?

Полет на Хаябусе был первой попыткой перехода на орбиту с использованием для ускорения комбинации движителя с вращением вокруг Земли и ионного двигателя. Ионный двигатель имеет очень высокий КПД, но мощность его двигателя ограничена, поэтому переход на орбиту займет много времени. Однако длительный период разгона приводит к постепенному растяжению орбиты космического корабля. Это означает, что он перемещается дальше от Солнца и получает меньше солнечной энергии, поэтому его солнечные лопасти не могут генерировать достаточное количество электроэнергии для продолжения ускорения. Вот почему мы выбрали комбинацию ионного двигателя и пролета Земли. В первый год после запуска мы использовали ионные двигатели для ускорения космического корабля в направлении, которое позволяло бы ему находиться достаточно близко к Солнцу, чтобы он мог получать достаточное количество электроэнергии от солнечного света.

Изображение Земли, сделанное Hayabusa

Переход на орбиту заданного астероида осуществлялся путем накопления первой скорости с помощью ионных двигателей, питающихся от электроэнергии, вырабатываемой солнечными панелями. Затем мы удвоили скорость Хаябусы, используя технику разворота. Чтобы выполнить точный поворот, орбита должна быть установлена очень точно. Мы сделали это 19 мая, но начали наводить корабль на точку разворота примерно за два месяца до этого. Я испытал облегчение, когда обход удался, но в то же время я был занят операциями, которые нужно было выполнить после этого события. Поскольку космический корабль удаляется от Солнца, доступной электроэнергии становится меньше, поэтому вам нужен новый метод работы. Честно говоря, я нервничал перед этими сложными операциями.

Q. Что из операций Хаябусы запомнилось вам больше всего?

Самый впечатляющий момент для меня был, когда поверхность Итокавы стала хорошо видна, когда Хаябуса приблизился к астероиду. Я так усердно работал над созданием ионного двигателя, потому что хотел увидеть мир, которого никогда раньше не видел. Я действительно понял, что это значит, когда впервые увидел Итокаву. Приземление на Итокаве тоже запомнилось, но после прибытия к астероиду ионные двигатели не использовались, так что нашей группе было нечего делать. Я просто наблюдал за этой сценой, надеясь, что Хаябуса благополучно приземлится, взлетит и скоро вернется на Землю.

В. Чему вы научились во время миссии Хаябуса?

Техническое развитие не всегда идет так, как хотелось бы. Были времена, когда я почти чувствовал себя побежденным и задавался вопросом о размахивании белым флагом. Но я смог завершить технологию в последнюю минуту, зная, что, если я сдамся, оригинальная система двигателя, созданная в Японии, не появится на свет.
Миссии не всегда проходят так гладко, как планировалось. Хаябуса преодолел множество препятствий. В этом смысле я чувствую, что мало-помалу, почти как новорождённого ребёнка, взращивал ионные двигатели Хаябусы, успокаивая и подбадривая их. Я настроен не сдаваться до конца.

В. Что для вас значит Хаябуса?

Астероид Итокава

Миссия Hayabusa была моей целью. Я занимаюсь исследованиями в области ионных двигателей с 1980-х годов. Проекта «Хаябуса» тогда еще не существовало, но, зная характеристики ионных двигателей, я был уверен, что однажды их можно будет использовать для исследования малых тел, таких как астероиды и кометы. А в 1990-х, когда проект «Хаябуса» утвердили, очень хотелось установить на космический корабль ионные двигатели. Что касается разработки технологии, у нас было сильное желание внести свой вклад в японские научные исследования с помощью нашей собственной оригинальной технологии, а не копировать другие страны. Поэтому мы работали над созданием ионного двигателя СВЧ-разряда, который был абсолютно новой системой в то время. По мере приближения крайнего срока были моменты, когда мы думали, что можем не успеть. Но я очень горжусь тем, что мы смогли создать технологию вовремя для Hayabusa, и его четыре ионных двигателя установили рекорд в 26 000 часов работы и продолжают считать.

В. О чем ты мечтаешь?

То, что мы сделали с Hayabusa, касается динамики полета в глубоком космосе. Начальную скорость обычному исследователю придает крупногабаритная ракета, а в дальнейшем используется инерциальная навигация. Тем не менее, Hayabusa, оснащенный высокопроизводительными двигателями, способен самостоятельно генерировать устойчивую тягу и выполнять переход на орбиту. С помощью этой технологии я хотел бы разработать новую космическую транспортную систему между Землей и дальним космосом.

В. Есть ли у вас сообщение для детей, которые хотят в будущем участвовать в развитии космоса?

Я считаю, что развитие технологий меняет наше мировоззрение. Например, говорят, что советский космонавт Юрий Гагарин, который в 1961 году стал первым человеком в космосе, заметил, что Земля голубая. Возможно, это был момент, когда Земля впервые была признана уникальным оазисом в кромешной тьме Вселенной. Я думаю, что Хаябуса принесет в науку новый взгляд на космос. Эволюция технологий направлена не только на космос, но и на многие другие области, такие как дно океана, микроскопический мир и внутренняя биология. Я бы хотел, чтобы молодые люди расширили границы человеческого разума и деятельности.

В. Что вы думаете о возвращении Хаябусы?

Все с момента запуска было для меня новым опытом, но космический корабль, возвращающийся на Землю, сейчас находится в состоянии, которое мы не могли себе представить при запуске. После того, как у Hayabusa возникли проблемы с большей частью своего оборудования по прибытии в Итокаву, единственными устройствами, которые можно использовать для обратного пути, являются инерционное колесо для управления ориентацией и ионные двигатели.

Исследователь астероидов Хаябуса (Итокава в реальном изображении и Хаябуса в компьютерной графике)

Помимо этих нескольких устройств, мы придумали новый маневр управления ориентацией, используя давление солнечного света, и с марта этого года тестируем ионные двигатели. «Хаябуса» окончательно покинул орбиту «Итокавы» в середине апреля, и теперь мы сделаем все возможное, чтобы безопасно вернуть его на Землю. Этот новый метод управления также может быть применен для управления ориентацией и орбитой паруса на солнечной энергии, что является нашей следующей целью для реализации. Так что в этом смысле нам очень повезло, что у нас есть возможность работать над этой новой инженерной программой. Если «Хаябуса» на ионном двигателе благополучно вернется обратно, а капсула с образцами астероида будет успешно доставлена на Землю, это достижение будет значительным не только в инженерном, но и в научном смысле. Поэтому я хотел бы вернуть Хаябусу домой, пытаясь заставить ионные двигатели работать в космосе как можно дольше. Я верю в потенциал ионных двигателей.

Хитоши Кунинака
Доктор технических наук. Профессор кафедры космического транспорта Института космических и астронавтических наук (ISAS)/JAXA.
В 1988 году доктор Кунинака окончил факультет аэронавтики и астронавтики Токийского университета и получил должность в ISAS. Он занимает свою нынешнюю должность с 2005 года, а также является профессором кафедры аэронавтики и астронавтики Высшей инженерной школы Токийского университета. Доктор Кунинака специализируется на электрических двигателях и плазменной технике.

Эволюция ионно-микроволнового двигателя и международная конкуренция за технологии электрических двигателей

Возвращение Хаябусы

13 июня 2010 года, когда исследователь астероидов Хаябуса вернулся на Землю, я находился в конференц-зале штаб-квартиры НАСА в Вашингтоне, округ Колумбия. , в качестве стажера JAXA. Сотрудники, которые обычно работали координаторами в Конгрессе и Белом доме и вели политические дела, смотрели в монитор с затаенным интересом, как будто они снова были детьми, мечтающими об освоении космоса. Незадолго до отъезда в Соединенные Штаты я участвовал в миссии «Хаябуса» по разработке ионных двигателей, которые позволили бы «Хаябусе» совершить путешествие и вернуться на Землю. В то время я не очень хорошо понимал английский язык, имел мало достижений в своих исследованиях и потерял уверенность в конкурентной атмосфере на восточном побережье и чрезвычайно больших масштабах Америки и НАСА. Я помню, что новость о Хаябусе позволила мне возродить мою гордость японского исследователя. Точно так же, как сотрудники НАСА вновь обрели свою детскую невинность, я сам вспомнил свое первоначальное намерение в начальной школе — исследование дальнего космоса.

1990-е и 2000-е годы, когда мы выросли, были трудными временами, о чем свидетельствует выражение «потерянные 20 лет», которое относится к 20 годам после экономического коллапса в Японии. На международном уровне произошли война в Персидском заливе, теракты 11 сентября и другие войны и террористические акты, и мир находился в состоянии хаоса. Выросший в те дни, когда было так много плохих новостей, я был впечатлен красотой Вселенной и отсутствием границ на Земле, как видно из космоса через космический телескоп Хаббл, и после первого полета японского астронавта на космический шаттл, я решил изменить мир с помощью космических исследований. В частности, я считал, что электрическая двигательная установка, способная вести космический корабль дальше с меньшим расходом топлива, — это технология, которая изменит мир.

Однако в 2008 году, когда я поступал в ISAS в качестве аспиранта, и Hayabusa, и его ионный двигатель имели низкие характеристики и никогда не получали высоких оценок среди исследователей электрических двигателей. Кроме того, технология электрических двигателей, к сожалению, строго контролируется Правилами международной торговли оружием (ITAR), и ее исследовательская среда очень стеснена для студентов и исследователей, желающих учиться за границей и в «мире без границ». В этой статье для «Forefront of Space Science» я хотел бы представить, как ионный двигатель ISAS был улучшен в среде, в которой Япония столкнулась со многими международными ограничениями. Кроме того, я также упомяну общемировую тенденцию в технологии электрических двигателей.

Ионные двигатели диаметром 10 см

Среди различных типов ионных двигателей во всем мире интенсивно разрабатываются ионные двигатели диаметром около 10 см. Система микроволнового разряда, установленная на Хаябусе, обеспечила превосходную долговечность за счет замены компонента, называемого полым катодом (источником электронов), который обычно ограничивал срок его службы, микроволнами. Совокупная работа четырех двигателей, загруженных на Хаябусу, которая находилась в космосе 40 000 часов, была мировым рекордом до сентября 2013 года, когда ионный двигатель астероидного исследователя НАСА DAWN установил новый рекорд. Однако эти двигатели имели довольно низкий КПД и силу тяги, которые были слабыми местами. Если сила тяги невелика, при длительной работе необходимо обеспечить такое же значение ускорения, ΔV, и степень свободы при проектировании и эксплуатации орбиты также ограничена. Хотя малая сила тяги и высокий удельный импульс (хорошая экономия топлива) являются характеристиками ионных двигателей, двигатель с большей силой тяги предпочтительнее. Кроме того, на момент запуска другие типы ионных двигателей, которые считались имеющими короткий срок службы, достигли срока службы, превышающего 10 000 часов, например, двигатель НАСА, описанный выше, благодаря улучшениям в источнике электронов, что до сих пор ограничивало срок службы. Поэтому, чтобы обеспечить превосходство ионных двигателей с микроволновым разрядом, необходимо было увеличить срок службы до более высокого уровня, которого не могли достичь другие ионные двигатели, при дополнительном обеспечении силы тяги.

Принцип и проблема ионного микроволнового двигателя

На рис. 1 схематично показан микроволновый разрядный ионный двигатель μ10. Волновод для распространения микроволн соединен с разрядной камерой. В разрядной камере установлены два ряда сильных магнитов. Электроны вращаются вокруг магнитных силовых линий, и когда их частота совпадает с частотой микроволн 4,25 ГГц, электроны резонируют и поглощают энергию микроволн. Если это движение продолжается между магнитами, электроны поглощают энергию, достаточную для ионизации нейтральных частиц ксенона. Это называется электронным циклотронным резонансным нагревом (ЭЦР-нагревом). Для эффективного создания плазмы необходимо, чтобы электроны сталкивались с атомами ксенона после того, как они продолжают свои повторяющиеся движения до определенного уровня, чтобы генерировать достаточное количество энергии.

Рисунок 1: Схематический вид ионного двигателя с микроволновым разрядом
Хотя топливо впрыскивалось только из волновода в случае Hayabusa, Hayabusa 2 имел дополнительные впускные отверстия для топлива в разрядной камере.

На рис. 2 показаны характеристики двигателя. За пределами определенной величины, даже если мощность микроволн увеличивается или добавляется большое количество ксенона в топливо, ток пучка, служащий показателем силы тяги, не изменяется. На самом деле, если мы добавим слишком много ксенона, он уменьшится. Что это значит? Мы сравнили один и тот же ток пучка между низким и высоким расходом ксенона, как показано на фотографии на рисунке 2, и заметили, что световое излучение в центре двигателя (в частности, красное) было сильным. Подобно астрономам, которые смотрят на цвет звезды, чтобы судить о ее температуре, мы можем получать различную информацию, глядя на цвет плазмы. Цвет излучения ионов ксенона в основном синий. Красный цвет обозначает излучение нейтральных атомов ксенона, возбужденных электронами, которые не могут набрать достаточно энергии для ионизации атомов ксенона. Поскольку мы смотрели на двигатель только снаружи, мы не получили никакой информации о глубине. Поэтому мы поместили внутрь оптоволоконный кабель, чтобы фактически измерить распределение плазмы, и определили, что эти события происходят в волноводе, а не в разрядной камере. Первоначальная роль волновода заключалась в распространении микроволн в разрядную камеру. Если электроны сталкиваются с атомами ксенона в волноводе, который должен их распространять, микроволны, предназначенные для достижения разрядной камеры, не передаются, и тяговые характеристики двигателя ухудшаются. Мы обнаружили такую проблему во время наших дальнейших исследований после запуска Hayabusa.

Рисунок 2: Ток пучка (пропорциональный силе тяги) в зависимости от расхода ксенона при 30-44 Вт микроволновой мощности

Внутренняя диагностика и повышение производительности ионного двигателя двигателя, мы посчитали, что будет эффективнее напрямую вводить ксенон между магнитами, где электроны периодически движутся, вместо того, чтобы подавать ксенон из волновода. Когда мы на самом деле применили несколько шаблонов к методу оптимальной подачи, производительность двигателя была улучшена, как показано на рисунке 3, и результаты были включены в конструкцию Hayabusa 2. В двигателе Hayabusa 2 сетка (три пунктирные линии на рис.

1) также были улучшены. Было сказано, что отверстия в сетке ускорителя должны быть как можно меньше, чтобы улучшить герметизацию газа, и что сетка экрана должна быть как можно тоньше, чтобы улучшить извлечение ионов. Hayabusa 2 был улучшен относительно консервативно. Ионный двигатель США был спроектирован так, чтобы быть чрезвычайно тонким с маленькими отверстиями, и поэтому я считаю, что мы можем немного улучшить сетку. Для Hayabusa 2 был принят метод впрыска топлива (улучшение A) и две дополнительные точки, то есть консервативно утонченная сетка экрана для сохранения прочности и решетка ускорителя с немного меньшим диаметром отверстия (улучшение B), и в результате сила тяги была улучшена на 25%.

Можно ли улучшить ионный двигатель? Как показано на рис. 2, обычный ионный двигатель с микроволновым питанием не показал никаких изменений в характеристиках независимо от того, насколько увеличена микроволновая мощность или расход ксенона в топливе. Это связано с тем, что электроны остаются в волноводе. На самом деле, в результате этого решения есть возможности для дальнейшего повышения производительности. В течение последнего года стало ясно, что электрически изолируя внутреннюю часть ионного двигателя и разделяя ее электрически, направления для электронов и ионов ограничены, а сила тяги может быть увеличена до 11,2 мН без увеличения СВЧ-диапазона. мощность (синяя область на рис. 3). Кроме того, в октябре прошлого года Ёситака Тани (Токийский университет), научный сотрудник DC1 Японского общества содействия науке и другие провели оптимизацию формы в блоке 1 мм и добились силы тяги, превышающей 11,2. мН. Каждый из компонентов ионного двигателя сложен и изготовлен из специальных материалов, поэтому его нельзя легко заменить при бюджете исследований всего в несколько миллионов иен в год. Однако благодаря сотрудничеству г-на Норио Окада, члена недавно созданной Группы передовых технологий обработки ISAS, многие детали могут быть изготовлены собственными силами по цене в десятки тысяч иен.

Рисунок 3: Результаты усовершенствования ионного двигателя с микроволновым разрядом
. Был достигнут ток пучка 192 мА (сила тяги 11,2 мН) при мощности микроволн 34 Вт и расходе 2,9 см3/мин.

Ограничение срока службы из-за ионного распыления

Что можно сказать о среднем сроке службы? В случае с Hayabusa катод нейтрализатора диктует ограничение срока службы системы ионного двигателя. Чтобы выбросить отрицательно заряженные электроны, стенки неизбежно должны получить их аналоги, т. е. положительные ионы. Когда на стенку попадают ионы, атомы на поверхности стенки выпрыгивают, как бильярдные шары, и распыляются. С другой стороны, поскольку источник электронов для нейтрализатора также является обязательным для системы микроволнового разряда, износ от ионов неизбежен. Как продлить срок службы источников электронов, используемых как в двигателях Холла, так и в ионных двигателях, является одной из текущих тем исследований в области технологии электрических двигателей. Даже внутри источника электронов для нейтрализатора микроволны и магниты создают плазму, аналогичную источнику ионов. В редких случаях Xe ²⁺ (двухзарядный ксенон), в котором отсутствуют два электрона. В ходе этого исследования было установлено, что Xe ²⁺ , который очень редко присутствует в рабочей зоне ионного двигателя, может изнашивать стенку сильнее, чем большинство Xe ⁺ (однозарядный ксенон). Поэтому подавление генерации Xe ²⁺ важно для продления срока службы нейтрализатора. Столкновения с атомами ксенона в фазе, в которой еще не получено много энергии, могут подавить генерацию Xe ²⁺ более эффективно, когда микроволны ускоряют электроны. Поэтому для Hayabusa 2 скорость потока ксенона, помещенного в нейтрализатор, увеличивается примерно на 40%, чтобы подавить генерацию Xe ²⁺. В ходе наземных испытаний на долговечность, предшествовавших запуску, по состоянию на конец марта 2017 года был достигнут рекорд в 40 000 часов, что намного больше, чем 15 000 часов, достигнутых Hayabusa, и испытания все еще продолжаются.

Международный конкурс электродвигателей

Как видно, даже после запуска Hayabusa и Hayabusa 2 исследователи и студенты ISAS постоянно проводят исследования в области технологии электрических двигателей в рамках ограниченного бюджета. Хотя эти исследования имеют определенное количество правил масштабирования и общие факторы физики плазмы, они содержат много факторов, специфичных для двигателя, и есть много методов, которые не описаны в статьях. Я сам приехал в UCLA в США на долгосрочную (годичную) зарубежную стажировку в сентябре 2016 года. Хотя ограничения по ITAR есть даже в UCLA, степень свободы увеличилась по сравнению с моим периодом стажировки в NASA. Здесь изучаются небольшие ионные двигатели с разрядом постоянного тока и полые катоды с большим током, и я надеюсь, что смогу усвоить знания, которые можно получить только на основе реального опыта работы, и использовать эти знания для будущей исследовательской деятельности. В настоящее время Соединенные Штаты планируют захватить астероид класса 10 тонн с помощью электрической двигательной установки мощностью 50 кВт и доставить его в зону гравитации Земли для использования в качестве базы для пилотируемых исследований астероидов. Кроме того, в 2017 году Space X планирует запустить спутниковый автобус на электрической тяге. Поскольку деятельность этих компаний не была задокументирована публично, я собрал информацию о них, полагаясь на сеть, которую построил на месте.

С момента начала своего практического применения в 2000-х годах технология электрических двигателей дала следующие результаты, в дополнение к образцу астероида, доставленному Хаябусой, который был первым в истории человечества.

Спутник Artemis, не сумевший выйти на геосинхронную орбиту, был спасен и выведен на орбиту с помощью ионного двигателя (Европейское космическое агентство).
Спутник с полностью электрической силовой установкой, оснащенный ионным двигателем Boeing, позволил снизить вес геосинхронного спутника на 50%, что позволило реализовать «двойной запуск» (стоимость запуска 2-тонного геосинхронного спутника составляет менее 3 млрд иен за единицу, согласно на Falcon 9 компании Space X, США).
С ионным двигателем был реализован сверхнизкоорбитальный спутник Земли GOCE за счет компенсации атмосферного трения на высоте 200 км, что было недостижимо ранее (Европейское космическое агентство).

В различных странах мира технология электрических двигателей привела к созданию технологических инноваций, основные технологии которых контролируются ITAR, чтобы избежать утечки в другие страны. Чтобы внедрить технологию электродвижения в Японии, японским инженерам необходимо самостоятельно внедрить двигатели Холла в практическое использование вслед за ионными двигателями и создать автобусы-спутники, которые, как ожидается, будут иметь определенный спрос. Как видно на примерах Hayabusa и Hayabusa 2, Япония разработала свою технологию электрических двигателей в десятилетнем цикле. Мы не должны позволить этой технологии исчезнуть в течение следующих нескольких лет, а должны развивать ее, чтобы поддерживать устойчивый технологический потенциал, и в настоящее время мы находимся на распутье.

(Рюдо Цукидзаки)

Новости ISAS: выпуск за ноябрь 2016 г.

Электроионные космические двигательные установки и двигатели
миссии в дальний космос.

Обзор

Наш опыт в области электрических космических двигателей основан на проверенных космических технологиях.
Радиочастотная ионная технология (РИТ). В рамках этой области мы производим
полные силовые установки, модули, подруливающие устройства и связанные с ними компоненты.

Исходная информация

Европейские исследования в области радиочастотных ионных двигателей первоначально
проведенный в 1960-х годах Гиссенским университетом в Германии.
После этого к команде разработчиков присоединился двигательный центр Lampoldshausen.
1970 г. и взял на себя промышленное руководство по развитию
Сборка радиочастотного ионного двигателя (RITA).

Наша первая радиочастотная ионная двигательная установка была
успешно продемонстрирован на борту европейского возвращаемого авианосца ЕКА
ЭВРИКА, запущенная космическим кораблем «Атлантис» в 19 г.92.

Ионные двигатели из Лампольдсхаузена установили ряд мировых рекордов
для длительной эксплуатации, а также восстановления Артемиды
спутника от полной потери до полного восстановления.

Преимущества технологии RIT включают:

Самый высокий удельный импульс обеспечивает значительную экономию массы.
Высокая производительность при низкой сложности.
Уменьшена масса процессора мощности.
Расхождение узкого луча
Надежная конструкция с широким диапазоном эксплуатационной стабильности.
Большой диапазон дроссельной заслонки и адаптация к доступной электрической мощности.
Превосходная стабильность тяги и быстрый отклик тяги.
Самый высокий потенциал роста с увеличением электроэнергии в ближайшей и среднесрочной перспективе.

Интеграция с ионным двигателем

Ионный двигатель — RIT 2X

Принципы работы технологии RIT

Радиочастотный ионный двигатель использует
высокочастотное электромагнитное поле для ионизации атомов газа ксенона с образованием
плазма, содержащая свободные «легкие» электроны и «тяжелые» положительные ионы.
затем тяжелые положительные ионы ускоряются электростатическим полем
перед выбросом для создания тяги.

После того, как ионы были выброшены из двигателя,
электроны добавляются из нейтрализатора. Таким образом, плазма
нейтрализуется, что предотвращает зарядку спутника.

Семейство радиочастотных ионных двигателей

Наше семейство ионных двигателей обеспечивает широкий диапазон
миссии с уровнями тяги от 50 мкН до 205 мН. Портфолио
включает в себя семейство из трех двигателей:

1) RIT µX

Подруливающее устройство RITµX является самым маленьким в линейке и
оптимален для орбитальных маневров научной миссии, требующей
высочайшая точность. Уровни тяги: 50–500 мкН.

2) RIT 10 Evo

Подруливающее устройство RIT 10 Evo идеально подходит для работы в направлении север-юг на платформах GEO, LEO и MEO.
Уровни тяги: 5 мН — 15 мН — 25 мН.

3) Серия RIT 2X

Двигатель серии RIT 2X является самым большим в линейке и предлагает наилучшую экономию массы для полностью электрического космического корабля.

Как работает ионный двигатель и где он применяется

Как работает ионный двигатель

Преимущества ионного двигателя для космического корабля

Недостатки ионных двигателей

Где используются ионные двигатели

Когда изобрели ионный двигатель

Ион в деле: ученые РФ создают двигатель для дальних космических миссий | Статьи

Ионные двигатели для космических миссий – Учительская газета

Ионный двигатель показал новый рекорд производительности

Возможность размещать посты на проекте остановлена

Ion thruster — Wikipedia

Contents

Origins[edit]

General working principle[edit]

Electrostatic thrusters[edit]

Gridded electrostatic ion thrusters[edit]

Hall-effect thrusters[edit]

Field-emission electric propulsion[edit]

Electromagnetic thrusters[edit]

Pulsed inductive thrusters[edit]

Magnetoplasmadynamic thruster[edit]

Electrodeless plasma thrusters[edit]

Helicon double layer thrusters[edit]

Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR)[edit]

Microwave electrothermal thrusters[edit]

Radioisotope thruster[edit]

Comparisons[edit]

Lifetime[edit]

Gridded thruster life[edit]

Hall-effect thruster life[edit]

Propellants[edit]

Energy efficiency[edit]

Missions[edit]

Demonstration vehicles[edit]

SERT[edit]

Operational missions[edit]

In Earth orbit[edit]

Tiangong space station[edit]

Starlink[edit]

GOCE[edit]

In deep space[edit]

Deep Space 1[edit]

Hayabusa and Hayabusa2[edit]

Smart 1[edit]

Dawn[edit]

LISA Pathfinder[edit]

BepiColombo[edit]

Double Asteroid Redirection Test[edit]

Proposed missions[edit]

International Space Station[edit]

Lunar Gateway[edit]

MARS-CAT[edit]

Interstellar missions[edit]

Popular culture[edit]

Bibliography[edit]

External links[edit]

Articles[edit]

Ионный двигатель под партой: как школьники собирают и запускают спутники

Ионные двигатели могут работать и на Земле, чтобы сделать твердотельные самолеты бесшумными

Вот так:

Ионный двигатель | Вукипедия | Фэндом

Содержание

Появления[]

Источники[]

Примечания и ссылки[]

Внешние ссылки[]

Впервые в космосе ученые тестируют ионные двигатели, работающие на йоде

Прорыв ионного двигателя

Йод лучше?

Потенциал ионных двигателей

Эволюция ионно-микроволнового двигателя и международная конкуренция за технологии электрических двигателей

Возвращение Хаябусы

Ионные двигатели диаметром 10 см

Принцип и проблема ионного микроволнового двигателя

Ограничение срока службы из-за ионного распыления

Международный конкурс электродвигателей

Электроионные космические двигательные установки и двигатели миссии в дальний космос.

Обзор

Исходная информация

Преимущества технологии RIT включают:

Электроионные космические двигательные установки и двигатели
миссии в дальний космос.