Ионовый двигатель: Ионные ракетные двигатели: прошлое, настоящее и будущее |

Содержание

Ксеноновый двигатель. Ионный двигатель — новые космические горизонты

Проблема перемещения в космосе стоит перед человечеством с момента начала орбитальных полетов. Ракета взлетая с земли расходует практически все свое топливо, плюс заряды ускорителей и ступеней. И если ракету еще можно оторвать от земли, заправив её огромным количеством топлива, на космодроме, то в открытом космосе заправляться попросту негде и нечем. А ведь после выхода на орбиту нужно двигаться дальше. А топлива нет.

И в этом то и состоит основная проблема современной космонавтики. Выбросить на орбиту корабль с запасом топлива до луны еще можно, под эту теорию строятся планы создать на луне базу дозаправки «дальнобойных» космических кораблей, летящих например на Марс. Но это все слишком сложно.

А решение проблемы было создано очень давно, еще в 1955 году, когда Алексей Иванович Морозов опубликовал статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». В ней он описывал концепцию принципиально нового космического двигателя.

Устройство ионно плазменного двигателя

Принцип действия плазменного двигателя
состоит в том, что рабочим телом выступает не сгорающее топливо, как в реактивных двигателях, а разогнанный магнитным полем до безумных скоростей поток ионов.

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

В свою очередь электростатические двигатели делятся на ионные и плазменные (ускорители частиц на квазинейтральной плазме).

В данной статье мы напишем про современные ионные двигатели
и их перспективные разработки, так как на наш взгляд именно за ними будущее космического флота.

Ионный двигатель использует в качестве топлива ксенон или ртуть. Первый ионный двигатель назывался сетчатый электростатический ионный двигатель.

Принцип его действия таков:

В ионизатор подается
ксенон
, который сам по себе нейтрален, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны.

Положительные же ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2 или 3 сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против — 225 на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона.

Российские ионные двигатели. На всех хорошо видны катодные трубки, направленные в сторону сопла

Электроны, пойманные в катодную трубку выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается по двум причинам:

Во первых чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным, а во вторых чтобы ионы «нейтрализованные» таким образом не притягивались обратно к кораблю.

Чтобы ионный двигатель работал нужны всего две вещи — газ и электричество. С первым все просто отлично, двигателю американского межпланетного аппарата Dawn, который стартовал осенью 2007-го, для полета в течении почти 6 лет потребуется всего 425 килограммов ксенона. Для сравнения для корректировки орбиты МКС с помощью обычных ракетных двигателей каждый год затрачивается 7,5 тонн горючего.

Одно плохо — ионные двигатели имеют очень небольшую тягу, порядка 50-100 миллиньютонов, что абсолютно недостаточно при перемещении в атмосфере Земли. Но в космосе, где нет практически никаких сопротивлений, ионный двигатель при длительном разгоне может достигнуть значительных скоростей. Общее приращение скорости за всё время миссии Dawn составит порядка 10 километров в секунду.

Тест ионного двигателя для корабля Deep Space

Недавние испытания проведенные американской компанией Ad Astra Rocket, проведенные в вакуумной камере показали, что их новый Магнитоплазменный двигатель с переменным удельным импульсом” (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) VASIMR VX-200может дать тягу уже в 5 ньютонов.

Второй вопрос — электричество. Тот же VX-200 потребляет 201 кВт энергии. Солнечных батарей такому двигателю просто мало. Следовательно необходимо изобретать новые способы получения энергии в космосе. Тут есть два пути — заправляемые батареи например тритиевые, выводимые на орбиту вместе с кораблем, либо автономный атомный реактор, который и будет питать кораблю на протяжении всего полета.

Еще в 2006 году Европейское космическое агентство (European Space Agency) и Австралийский национальный университет (Australian National University) успешно провели испытания нового поколения космических ионных двигателей, достигнув рекордных показателей.

Двигатели, в которых заряженные частицы ускоряются в электрическом поле — давно известны. Они применяются для ориентации, коррекции орбиты на некоторых спутниках и межпланетных аппаратах, а в ряде космических проектов (как уже осуществившихся, так и только задуманных — читайте , и ) — даже в качестве маршевых.

С ними специалисты связывают дальнейшее освоение Солнечной системы. И хотя все разновидности так называемых электроракетных двигателей сильно уступают химическим в максимальной тяге (граммы против килограммов и тонн), зато кардинально превосходят их в экономичности (расходе топлива на каждый грамм тяги за секунду). А эта экономичность (удельный импульс) прямо пропорционально зависит от скорости выбрасываемой реактивной струи.

Так вот, в опытном двигателе, названном «Двухступенчатый с четырьмя решётками» (Dual-Stage 4-Grid — DS4G), построенном по контракту ESA в Австралии, скорость эта достигла рекордных 210 километров в секунду.

Это, к примеру, раз в 60 выше, чем скорость выхлопа у хороших химических двигателей, и в 4-10 раз больше, чем у прежних «ионников».

Как ясно из названия разработки, такая скорость достигнута двухступенчатым процессом разгона ионов при помощи четырёх последовательных решёток (вместо традиционных одной стадии и трёх решёток), а также высоким напряжением — 30 киловольт. Кроме того, расхождение выходного реактивного пучка составило всего 3 градуса, против примерно 15 градусов — у прежних систем.

А вот информация последних дней.

Ионный двигатель (ИД) работает просто: газ из бака (ксенон, аргон и пр.) ионизируется и разгоняется электростатическим полем. Поскольку масса иона мала, а заряд он может получить значительный, ионы вылетают из двигателя со скоростями до 210 км/с. Химические двигатели могут достичь… нет, ни чего-то подобного, а всего лишь в двадцать раз меньшей скорости истечения продуктов сгорания лишь в исключительных случаях. Соответственно, расход газа в сравнении с расходом химического топлива крайне мал.

Именно поэтому на ИД полностью или частично работали и работают такие «дальнобойные» зонды, как Hayabusa , Deep Space One и Dawn . И если вы собираетесь не просто по инерции лететь до далёких небесных тел, но и активно маневрировать близ них, то без таких двигателей не обойтись.

В 2014 году ионные двигатели справляют полувековой юбилей в космосе. Всё это время проблему эрозии не удавалось решить даже в первом приближении. (Здесь и ниже илл. NASA, Wikimedia Commons.)

Как и всё хорошее, ИД любит, чтобы его питали: на один ньютон тяги нужно до 25 кВт энергии. Представим, что нам поручили запустить 100-тонный космический корабль к Плутону (вы уж простите нас за мечтательность!). В идеале даже для Юпитера нам потребуется 1 000 ньютонов тяги и 10 месяцев, а до Нептуна на той же тяге — полтора года. В общем, давайте про Плутоны всё-таки не будем, а то грустно как-то…

Ну а чтобы получить эти пока умозрительные 1 000 ньютонов, нам потребуется 25 мегаватт. В принципе, ничего технически невозможного — 100-тонный корабль мог бы принять атомный реактор. Кстати, в настоящее время НАСА и Министерство энергетики США работают над проектом Fission Surface Power . Правда, речь идёт о базах на Луне и Марсе, а не о кораблях. Но масса реактора не так уж высока — всего пять тонн, при размерах в 3×3×7 м…

Ну ладно, помечтали и хватит, скажете вы, и тут же вспомните частушку, якобы придуманную Львом Толстым во время Крымской войны. В конце концов, такой большой поток ионов, проходящий через двигатель (а это ключевое препятствие), вызовет его эрозию, и значительно быстрее, чем за десять месяцев или полтора года. Причём это не проблема выбора конструкционного материала — благо разрушаться в таких условиях будут и титан, и алмаз, — а неотъемлемая часть конструкции ионного двигателя per se.

Подготовлено по материалам Gizmag . и http://lab-37.com

А вы в курсе что в России активно
работает над ядерным двигателем для ракет
или например о том,
что скоро может появится

Ионный двигатель

Ионные двигатели
могут использоваться для широкого спектра задач — от коррекции положения спутников на орбите Земли, до разгона гигантских космических кораблей, направляющихся за пределы нашей Солнечной системы в глубины Млечного Пути. Но что же такое ионный двигатель, и как именно он используется в космосе? Обычные ракетные двигатели сжигают газ, который выпускается из сопла под высоким давлением, что вызывает мощную реактивную тягу, толкающую корабль вперед. У ионного двигателя инертный газ (ксенон, аргон) не сжигают, а ионизируют, а испускаемые им ионы разгоняют до высоких скоростей в сильном электрическом поле. Таким образом, ионы выстреливают из двигателя со скоростью до 150000 км в час.

Применение ионных двигателей

Но, к сожалению, тяга ионных двигателей чрезвычайно мала и сопоставима с давлением, которое оказывает один лист бумаги формата А4 на ладонь человека. Но в невесомой космической среде, где нет никакого трения, ионные двигатели могут быть чрезвычайно эффективными, поскольку эффект от их тяги накапливается со временем. Первый в мире ионный двигатель успешно используется на автоматической межпланетной станции DAWN
, которую НАСА запустило в космос 27 сентября 2007 года для исследования астероида Веста и карликовой планеты Церера. В данный момент космический аппарат DAWN находится в поясе астероидов между и Юпитером.

У него ушло четыре дня на то, чтобы с помощью ионного двигателя разогнаться с нуля до 100 километров в час. Да, это не особо впечатляет, но зато ионные двигатели очень экономные и могут работать десятилетиями. При этом скорость космического корабля, разгоняемого ионным двигателем, постоянно увеличивается и может составлять тысячи километров в секунду через определенное время.

Зачем использовать ионные двигатели?

Этот тип движения дают космическим аппаратам маневренность на орбите Земли. С их помощью можно легко менять расположение спутников, например, для коррекции высоты их орбиты или уклонения от крупного . Кроме этого ионные двигатели значительно дешевле и экономнее ракетных двигателей. Они значительно продлевают срок эксплуатации спутников и сокращают пусковые и эксплуатационных затраты. В данный момент времени, НАСА работает над разработкой сразу двух ионных двигателей нового поколения: Эволюционный ксеноновый Двигатель Next
и кольцевой ионный двигатель
. Эти новые двигатели снизят стоимость космических миссий и продлят время их работы, а также будут обладать более высокой мощностью.

Космические двигатели будущего

Создание ионного двигателя

Мы продоожаем рассказывать про виды двигателей
.

Устройство ионно плазменного двигателя

Принцип действия плазменного двигателя
состоит в том, что рабочим телом выступает не сгорающее топливо, как в , а разогнанный магнитным полем до безумных скоростей поток ионов.

Принцип его действия таков:

В ионизатор подается ксенон
, который сам по себе нейтрален, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны.

Положительные же ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2 или 3 сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против – 225 на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона.

Российские ионные двигатели. На всех хорошо видны катодные трубки, направленные в сторону сопла

Чтобы ионный двигатель работал нужны всего две вещи – газ и электричество. С первым все просто отлично, двигателю американского межпланетного аппарата Dawn, который стартовал осенью 2007-го, для полета в течении почти 6 лет потребуется всего 425 килограммов ксенона. Для сравнения для корректировки орбиты МКС с помощью обычных ракетных двигателей каждый год затрачивается 7,5 тонн горючего.

Одно плохо – ионные двигатели имеют очень небольшую тягу, порядка 50-100 миллиньютонов, что абсолютно недостаточно при перемещении в атмосфере Земли. Но в космосе, где нет практически никаких сопротивлений, ионный двигатель при длительном разгоне может достигнуть значительных скоростей. Общее приращение скорости за всё время миссии Dawn составит порядка 10 километров в секунду.

Тест ионного двигателя для корабля Deep Space

Недавние испытания проведенные американской компанией Ad Astra Rocket, проведенные в вакуумной камере показали, что их новый Магнитоплазменный двигатель с переменным удельным импульсом” (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) VASIMR VX-200 может дать тягу уже в 5 ньютонов.

Второй вопрос – электричество. Тот же VX-200 потребляет 201 кВт энергии. Солнечных батарей такому двигателю просто мало. Следовательно необходимо изобретать новые способы получения энергии в космосе. Тут есть два пути – заправляемые батареи например тритиевые, выводимые на орбиту вместе с кораблем, либо автономный атомный реактор, который и будет питать кораблю на протяжении всего полета.

Во втором случае, в условиях космоса и его низких температур более интересно выглядит проект корабля с термоядерным реактором на борту, но пока НАСА разрабатывает только ядерный реактор.

Эти исследования проходят в рамках проекта Prometheus. В планах НАСА запустить в солнечную систему ядерный зонд, оснащенный мощными ионными двигателями, питающимися от бортового ядерного реактора.

Напоследок видео испытаний ионного двигателя
VX-200.

Не секрет, что все реактивные двигатели работают за счёт закона сохранения импульса. Именно из него вытекает, что реактивная тяга — это произведение массового расхода на скорость выхода рабочего тела из сопла
.

Эту скорость принято называть удельным импульсом реактивного двигателя. Давайте для примера найдём реактивную тягу при стрельбе из автомата Калашникова, которая является основной составляющей отдачи. Пусть масса пули будет 0,016 кг
, начальная скорость пули 700 м/с
, а скорострельность 10 выстр./с
. Тогда отдача F=700∙0,016∙10=112 Н (или 11 кгс)
. Большая отдача, но тут приведена техническая скорострельность 600 выстр./мин. В реальности стрельба ведётся очередями или одиночными и составляет ≈50 выстр. /мин.

Выстрел из АК

Вернёмся к реальным реактивным двигателям, в которых вместо пуль обычно используются потоки выходящего с гиперзвуковой скоростью газа. Химические реактивные двигатели являются самыми распространёнными, но не единственными.

В этой статье, с большим предисловием, я хочу рассказать об ионных реактивных двигателях (далее ИРД). ИРД используют в качестве рабочего тела заряженные частицы — ионы. Ионы имеют массу, и если их разогнать электрическим полем, то можно создать реактивную тягу. Это всё в теории, а теперь подробнее. ИРД имеет некоторый запас газа, который ионизируют (т.е. нейтрально-заряженные атомы газа разбивают на отрицательные электроны и положительные ионы) с помощью газового разряда. Далее ионы разгоняются электрическим полем с помощью специальной системы сеток, и эта же система сеток блокирует движение электронов. После того, как положительные ионы вылетели из сопла, их нейтрализуют отрицательными электронами (в результате этого происходит рекомбинация и газ начинает светиться), чтобы ионы не притягивались обратно к двигателю, и тем самым не снижали его тяги.

Почему ксенон?

Обычно в ИРД в качестве рабочего тела используется газ ксенон, так как он имеет наименьшую энергию ионизации среди инертных газов.

Удельный импульс ионных реактивных двигателей достигает 50 км/с, что в 150 раз превышает скорость звука! Увы, но тяга таких двигателей составляет около 0,2 Н. Почему же так? Ведь удельный импульс очень большой. Дело в том, что масса ионов очень маленькая и массовый расход получается небольшим. Для чего тогда такие двигатели нужны, если они ничего не смогут сдвинуть с места? На Земле может быть не смогут, а вот в космосе, где нет сил сопротивления, они достаточно эффективные. Существует такое понятие как полный импульс — произведение тяги на время или произведение удельного импульса на массу топлива
, который у ИРД является достаточно большим.

Решим следующую задачу. Пусть жидкостный ракетный двигатель имеет удельный импульс 5 км/с, а у нашего ИРД он будет 50 км/с. И давайте масса рабочего тела (в ЖРД она равна массе топлива) у обоих двигателей будет 50 кг. Примем массу космического аппарата равной 100 кг.
Найдём по формуле Циолковского конечную скорость аппарата (т.е. когда в нём закончится рабочая масса).

И что получается, если ионный и химический реактивные двигатели будут иметь одинаковую массу топлива, то ИРД сможет разогнать космический аппарат до больших скоростей, нежели химический РД. Правда на ИРД космический аппарат будет разгонятся дольше до конечной скорости, чем на ЖРД. Но в путешествиях к далёким планетам, высокая конечная (разгонная) скорость будет компенсировать этот недостаток.

Схема полёта к Марсу на ИРД

ИРД используются и в наше время. Например, аппарат Deep Space 1 сблизился с астероидом Брайль и кометой Борелли, передал на Землю значительный объём ценных научных данных и изображений.

Deep Space 1

Также космическая антенна LISA, которая сейчас находится на стадии проектирования, будет использовать ИРД для корректировки орбиты. -16 Кл
.

Напряжение — это работа по переносу заряда, т.е. на выходе из сопла ион будет иметь кинетическую энергию равную произведению напряжения на заряд иона. Из кинетической энергии выражаем скорость (удельный импульс). Найдём массовый расход из определения тока, электрический ток — это проходящий заряд во времени. Получается, что массовый расход — это произведение массы иона и тока, делённое на заряд иона. Перемножая удельный импульс и массовый расход, получаем тягу равную 0,1 Н.

Подводя итог, хочу сказать, что существуют плазменные реактивные двигатели, у которых схожее устройство, но которые имеют намного больший массовый расход рабочего тела. Кто знает, может быть уже завтра на таких двигателях человечество будет летать на Марс и Луну.

March 9th, 2013

Устройство ионно плазменного двигателя

Принцип его действия таков:

В ионизатор подается ксенон
, который сам по себе нейтрален, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны.

Положительные же ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2 или 3 сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против – 225 на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона.

Российские ионные двигатели. На всех хорошо видны катодные трубки, направленные в сторону сопла

Одно плохо – ионные двигатели имеют очень небольшую тягу, порядка 50–100 миллиньютонов, что абсолютно недостаточно при перемещении в атмосфере Земли. Но в космосе, где нет практически никаких сопротивлений, ионный двигатель при длительном разгоне может достигнуть значительных скоростей. Общее приращение скорости за всё время миссии Dawn составит порядка 10 километров в секунду.

Тест ионного двигателя для корабля Deep Space

А вот информация последних дней.

В 2014 году ионные двигатели справляют полувековой юбилей в космосе. Всё это время проблему эрозии не удавалось решить даже в первом приближении. (Здесь и ниже илл. NASA, Wikimedia Commons.)

Подготовлено по материалам Gizmag . и http://lab-37.com

А вы в курсе что в России активноили например о том, что скоро может появится
Оригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз.рф
Ссылка на статью, с которой сделана эта копия —

Плазменный двигатель от МИФИ испытают в космосе до конца года

Авторизация
Регистрация

Сброс пароля

Подпишитесь на
«СР-КУРЬЕР»
Быстрая и маленькая, как атом, газета — доставляем свежие новости из «Росатома», России и мира прямиком в ваш почтовый ящик

Больше не показывать

Вы знаете больше и готовы рассказать?

У вас есть интересная история или вы знаете больше о теме, по которой мы уже выпустили материал. Поделитесь с СР любой идеей. Ждем ваших сообщений!

Прикрепить файл

Отправить

Марина Полякова

МИФИ

В МИФИ делают сверхмалый плазменный двигатель для наноспутников. Сложность в том, чтобы заставить его работать от маленькой конденсаторной батареи, над чем ученые бились много лет. В конце года аппарат планируют испытать в космосе. Подробностями о разработке, испытаниях двигателя на орбите и будущем серийном производстве поделился один из создателей устройства, руководитель лаборатории плазменных ракетных двигателей Института лазерных и плазменных технологий МИФИ Игорь Егоров.

Тенденция к уменьшению

В последние годы в мире наблюдается настоящий бум наноспутников — аппаратов массой менее 10 кг. С начала 2021 года в космос запустили более 150 спутников формата CubeSat — одного из самых популярных типов малых спутников.

Многие из них применяются для дистанционного зондирования Земли. К примеру, американская компания Planet Labs запустила уже больше 100 космических аппаратов, оборудованных телескопом, камерой и ПО для съемки поверхности Земли с разрешением 3–5 м. Проблема таких аппаратов в том, что их запускают на орбиту, просто выбрасывая десятками из ракеты в одном месте. Для качественной съемки нужно распределить спутники по орбите равномерно, а значит, необходимо изменить их скорость вращения вокруг Земли. В Planet Labs для этого используют установленные на спутнике раскрывающиеся панели: поворачивают их либо перпендикулярно движению спутника, чтобы значительно замедлить его движение, либо параллельно, если нужно немного его замедлить. Метод хорош, но не идеален: из-за замедления спутники часто теряют высоту и, постепенно сходя с орбиты, сгорают в атмосфере. Тогда приходится снова запускать несколько десятков спутников на замену.

CUBESAT

Это формат сверхмалых искусственных спутников, базовый модуль (1U) имеет габариты 10×10×11,3 см, из которых 10×10×10 см доступны для размещения полезной нагрузки. Масса у 1U не более 1,33 кг. Часто объединяют несколько стандартных кубов в составе одного спутника (обозначаются 2U, 3U и т. д.). Количество зависит от размера и массы оборудования, которое необходимо разместить на спутнике. Так, для съемки поверхности Земли с орбиты достаточно 3U, а отправившаяся на Марс миссия Mars Cube One состояла из двух спутников CubeSat 6U — слишком много оборудования потребовалось для такого дальнего полета.

Выходом стала бы установка миниатюрного двигателя, который позволит перемещать спутник без потери высоты и затем поддерживать стабильную орбиту. Однако почти все используемые на спутниках двигатели предназначены для больших аппаратов. И даже если удастся уместить какой-то из существующих двигателей в наноспутнике, он все равно будет потреблять слишком много энергии. Спутник маленький, и солнечные батареи у него маленькие, они не дадут достаточно энергии для питания двигателя. Еще одно ограничение связано с безопасностью: нельзя использовать взрывоопасные вещества, а значит, не получится поставить на спутник, к примеру, жидкостный ракетный двигатель на гидразине.

Углеродный скелет

В нашем плазменном двигателе рабочим телом служит пластик полиацеталь, который, постепенно выгорая, превращается в плазму, выбрасывается из двигателя и таким образом создает тягу, приводящую спутник в движение. Идея использовать пластик не нова. Первый в истории плазменный двигатель в космосе испытали в 1964 году на советской автоматической межпланетной станции «Зонд‑2», которая отправилась к Марсу. Несколько плазменных двигателей, в разработке которых принимал участие мой учитель Виктор Александрович Храбров, отвечали за ориентацию станции в пространстве. В основе разработки тоже лежало рабочее тело из пластика — но не из полиацеталя, а из фторопласта. Преимущество этого материала — высокая плотность, в небольшом объеме можно заключить больше материала. Но есть и недостаток: при использовании такого пластика нужен большой разрядный ток. Если ток недостаточен, поверхность фторопласта покрывается слоем углерода: пластик испаряется не полностью, углерод остается в виде тонкой пленки и из-за своей электропроводности вызывает короткое замыкание. Двигатель выходит из строя.

Храбров с такой сложностью не сталкивался просто потому, что его двигатели были большого размера: он мог использовать тяжелые громоздкие импульсные конденсаторы, которые генерировали большой разрядный ток.

Моя же задумка была в том, чтобы сделать плазменный двигатель гораздо меньшего размера (размер двигателя — 83×83×50 мм. — СР). Я стал изучать химические формулы пластиков и обратил внимание на полиацеталь, углеродный скелет которого состоял не из сплошной углеродной цепочки (-С-С-С-), как у фторопласта, а из перемежающихся атомов углерода и кислорода (-С-О-С-). Использование такого материала решило проблему углеродной пленки. На поверхности рабочего тела нашего двигателя все равно образуется слой некоего вещества вроде нефти или масла, но оно не проводит электричество и никак не влияет на работу аппарата.

Другая особенность нашего двигателя — внешняя магнитная система из медной катушки. С ее помощью удалось ограничить разрядный ток и при этом сохранить эффективность двигателя.

И, наконец, мы смогли установить на двигатель компактные и легкие конденсаторы. Создание маленького двигателя никогда не было проблемой, сложность была как раз в том, чтобы заставить его работать от маленькой конденсаторной батареи. Над этим ученые бились не один год.

Тысяча часов на орбите

Ближайшие несколько месяцев мы будем дорабатывать двигатель, совершенствовать технологию: попробуем изменить конфигурацию электродов, размер и форму рабочего тела, чтобы увеличить запас пластика и тем самым повысить эффективность двигателя. В конце года наши устройства пройдут испытания на орбите — отправятся в космос на двух спутниках на платформе «ОрбиКрафт-Про». У нас уже есть договоренность с их разработчиками — частной космической компанией «Спутникс». Параллельно с испытаниями на орбите проведем ресурсные испытания на Земле. Предполагается, что ресурс работы нашего устройства будет около 1 тыс. часов. По всей видимости, к лету 2022 года завершатся все испытания, и мы сможем уверенно говорить про ресурс работы, силу тяги двигателя, совместимость с оборудованием спутника и т. д. Если все пройдет гладко, то наладим серийный выпуск двигателей.

«СПУТНИКС»

Российская частная космическая компания, резидент «Сколкова». Разрабатывает технологии производства спутниковых платформ, служебных систем микроспутников и наноспутников. В 2017 году компания создала спутниковую платформу «ОрбиКрафт-Про» — набор-конструктор, позволяющий собирать наноспутники различной конфигурации, на которые можно установить научную аппаратуру.

К нам уже обратились представители образовательного проекта по разработке и производству космических аппаратов. Они планируют покупать 10–15 двигателей в год. Проявила интерес и компания Orbital Express, которая в следующем году запускает на орбиту собственный спутник и хочет видеть на нем наш двигатель, а также другие, помимо «Спутникса», разработчики наноспутниковых платформ. Интерес к нашей разработке довольно большой, это приятно.

Есть интересная история?

Напишите нам

Ионный двигатель | это… Что такое Ионный двигатель?

Испытания ионного двигателя на ксеноне

Ионный двигатель NSTAR американской АМС Deep Space 1

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

Содержание

1 История
2 Принцип действия
3 Перспективы
- 3.1 Действующие миссии
- 3.2 Планируемые миссии
- 3.3 Нереализованные проекты
4 Примечания
5 См. также
6 Ссылки

История

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации.

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

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

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

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

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

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

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

Принцип действия

Принцип работы двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. При этом, благодаря высокому отношению заряда к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей (вплоть до 210 км/с^[2] по сравнению с 3—4,5 км/с у химических ракетных двигателей). Таким образом, в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса. Это позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа по сравнению с расходом реактивной массы в химических ракетах, но требует больших затрат энергии.

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

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

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

Ионный двигатель использует в качестве топлива ксенон или ртуть. Первый ионный двигатель назывался сетчатый электростатический ионный двигатель. В ионизатор подается ксенон, который сам по себе нейтрален, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны.

Положительные ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2 или 3 сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против — 225 на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона. Электроны, пойманные в катодную трубку выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается по двум причинам:

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

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

Недостаток двигателя в его нынешних реализациях — очень слабая тяга (порядка 50-100 миллиньютонов). Таким образом, нет возможности использовать ионный двигатель для старта с планеты, но, с другой стороны, в условиях невесомости, при достаточно долгой работе двигателя есть возможность разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих видов двигателей.

Перспективы

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

Действующие миссии

SERT
Deep Space 1
Artemis
Hayabusa
Smart 1
Dawn
GOCE

Планируемые миссии

BepiColombo

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

GSAT-4

LISA Pathfinder

Международная космическая станция

Нереализованные проекты

NASA вело проект «Прометей», для которого разрабатывался мощный ионный двигатель, питающийся электричеством от бортового ядерного реактора. Предполагалось, что такие двигатели в количестве восьми штук могли бы разогнать аппарат до 90 км/с. Первый аппарат этого проекта Jupiter Icy Moons Explorer планировалось отправить к Юпитеру в 2017 году, однако разработка этого аппарата была приостановлена в 2005 году из-за технических сложностей. В настоящее время идёт поиск более простого проекта АМС для первого испытания по программе «Прометей».

Примечания

↑ Хроника запусков космических аппаратов с оборудованием ОКБ «Факел». ОКБ «Факел». Архивировано из первоисточника 7 декабря 2012. Проверено 6 декабря 2012.
↑ Испытан рекордный ионный двигатель (рус.) (html). membrana.ru. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011. Проверено 19 марта 2011.
↑ Project Daedalus — Origins
↑ перевод А.Семенова. Заседание общества благородных джентельменов

См. также

Плазменный ракетный двигатель
Электрический ракетный двигатель
Электромагнитный ракетный ускоритель

Ссылки

Статья в Компьютерре
Об использовании ядерных реакторов для ионных двигателей (Мембрана.ру)
BepiColombo на сайте ЕКА
Проект «Прометей» на сайте НАСА
АМС Dawn с ионным двигателем стартовала 25 сентября 2007 г.

«Ионный двигатель толкает российскую экономику и науку вперед» в блоге «Наука»

26 января 2016 г.

Ученым из Московского авиационного института и воронежского
Конструкторского бюро химавтоматики удалось разработать, собрать
и провести стендовые испытания ионного двигателя. Пока двигатель
получил название ВЧИД-45.

Начав опытные научно-исследовательские конструкторские работы в 2012 году, команда разработчиков изготовила к 2016 году опытный
образец.

По мнению создателей, двигатель может использоваться для полета
человека на Марс, запуска космических аппаратов к дальним
планетам Солнечной системы и грузовых полетов на орбите Земли (с геостационарной орбиты на Луну, например).

Вообще говоря, Россия не является
лидером в разработке и использовании ионных двигателей —
американцы (проект Deep Space 1), европейцы (Smart-1) и японцы
(«Хаябуса») уже создавали и запускали аппараты с ионными
двигателями в роли маршевых (основных). Советский Союз в семидесятые годы использовал ионные двигатели в качестве
маневровых, но до разработки достаточно мощного двигателя,
который реально было бы использовать в качестве маршевого, дело
не дошло.

Одной из фундаментальных проблем исследования человеком Вселенной
являются огромные расстояния (ну, или наши ничтожные размеры
относительно Вселенских масштабов). Да и пока что человечество
только теоретически осознало проблемы и саму необходимость
межзвездных полетов.

Напомним читателям: согласно специальной теории относительности,
разработанной Эйнштейном, наибольшей скоростью обладает свет (300
000 км/с). И то свет преодолевает пространства сотнями лет.

Так что пока полеты человека вне пределов Солнечной системы
остаются под значительным вопросом хотя бы по той причине, что
такой полет будет очень длинным. К тому же знаем и умеем для
таких полетов мы пока что очень мало — нам бы изучить нашу родную
планетную систему.

Поэтому сегодня ученые и конструкторы космических аппаратов
сосредоточились на создании двигателей для полетов между
планетами, и им удалось создать двигатели, способные развивать
скорость, достаточную для исследования объектов в Солнечной
системе.

Сегодня основным маршевым двигателем для космических аппаратов
продолжает оставаться химический ракетный двигатель. Но требуемое
большое количество топлива и практически достигнутый его предел
энергетических возможностей, а также практически достигнутый
потолок по КПД для двигателей ограничивают использование
подобного типа двигателей околоземными полетами и исследованием
космоса в пределах Солнечной системы (да и то очень неспешными
темпами).

Тут-то и открываются перспективы ионного двигателя. Работает
ионный двигатель, в основном, на ксеноне или ртути. Реактивная
тяга создается благодаря ионизации и разгону в электрическом поле
газа. Благодаря этому ионный двигатель обладает рядом
преимуществ.

Во-первых, он требует очень мало топлива. Так, российский ВЧИД-45
в секунду тратит меньше 12 миллиграмм топлива.

Во-вторых, срок его работы гораздо больше, чем у того же химического. Американские ионные двигатели работают около трех
лет непрерывно. У нашего ВЧИД-45 пока заявлен ресурс в 50000
часов непрерывной работы. То есть, более 7 лет.

Но, к сожалению, пока что ионный двигатель создает гораздо
меньшую тягу, нежели химический. То есть, грубо говоря, с Земли
на ионном двигателе не взлететь. А вот в космическом пространстве
можно разогнаться до гораздо больших скоростей, чем на химическом.

Что же может дать России разработка подобного двигателя? По сути
дела, создание отечественного двигателя вновь открывает для
России дверь в дальний (по нашим современным меркам) космос и позволит создавать и запускать космические аппараты для
исследования дальних планет Солнечной системы. К тому же, ионные
двигатели сегодня используются и на спутниках (как маневровые),
что опять же расширяет наши возможности.

Конечно, полеты к дальним звездам не приносят той же прибыли, как
нефть при цене за баррель в районе ста долларов, но перед нашей
наукой открываются возможности для развития в действительно
необходимом для человечества направлении. Ведь сегодня по большей
части наша страна лишилась звания ведущей космической державы и превратилась в ведущего космического извозчика — чужие аппараты и спутники запускаем, собственные коммерческие и военные тоже, но перспективных научных проектов и конструкторских разработок не ведем. К тому же в нашей экономической и геополитической ситуации
практически бесполезно надеяться на появление отечественного
Илона Маска, который просто возьмется за создание частной
российской космической компании.

При этом, помимо научных достижений и политического престижа,
исследование космоса имеет огромный эффект мультипликатора для
экономики. Освоение космоса дало человечеству в качестве
«приятных бонусов» множество открытий, которые сегодня даже не ассоциируются с космическими полетами: системы геолокации и навигации, множество материалов, используемых в повседневности и электронике и многое другое. Будем надеяться, что создание
отечественного ионного двигателя позволит толкнуть российскую
экономику и науку вперед. Честь и хвала новым отечественным
Королёвым!

P. S. Нельзя не упомянуть про забавный культурный феномен. Недавно
вышло продолжение знаменитой космической оперы Джорджа Люкаса —
седьмой эпизод Звездных Войн. Фанаты данной вселенной наслышаны
про ионные двигатели — именно они в далёкой-далёкой галактике
стоят на всех космических кораблях.

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. {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]	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) was launched in 2021 and operated its NEXT-C xenon ion thruster for about 1,000 hours to reach the target asteroid on 28 September 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

Самый мощный ионный двигатель прошёл проверку

Огромный электроракетный двигатель с рекордными характеристиками прошёл наземный тест под нагрузкой, превышающей номинал. Новичок совмещает приличную тягу с экономичностью. А это позволяет надеяться на новый виток в развитии космической отрасли.

Ионный двигатель хорошо известен нам из научно-фантастических романов. Принцип его работы заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. Ионы дают гораздо меньшую тягу, чем химическое топливо, так что такой двигатель не сможет придать ракете даже первую космическую скорость. Но если запустить его в космосе, то он может работать буквально годами напролёт, разгоняя корабль до невиданных скоростей.

В некоторых космических миссиях уже применялись такие двигатели, в том числе в японском корабле «Хаябуса» (2005 год, полёт к астероиду Итокава), а также в американском корабле «Доун», который стартовал в сентябре 2007 года к астероидам Веста и Церера.

Но новая модель двигателя под названием VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) будет в сотни раз мощнее прежних ионных двигателей за счёт использования в процессе разгона ионов аргона не стандартных металлических решёток, а радиочастотного генератора, который не вступает с газом в физический контакт, как решётки.

Ad Astra Rocket Company провела испытания самого мощного на сегодняшний день плазменного ракетного двигателя. VASIMR VX-200 (о котором мы не так давнорассказывали) работал на 201 кВт в вакуумной камере, впервые преодолев отметку в 200 кВт. Тест также подтвердил, что маломасштабный прототип VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket – электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом) способен функционировать на полной мощности. “Это самая мощная плазменная ракета в мире сегодня”, – говорит бывший астронавт и главный исполнительный директор Ad Astra Франклин Ченг-Диаз (Franklin Chang-Diaz).

Компания заключила соглашение с NASA на проведение проверки работоспособности двигателя на Международной космической станции (МКС) в 2013 году. Он будет производить периодические “подталкивания” станции, которая постоянно снижается из-за взаимодействия с атмосферой. В настоящее время такие операции выполняются двигателями малой тяги кораблей, потребляющими около 7,5 тонн ракетного топлива в год. Ченг-Диаз утверждает, что снизив это количество до 0,3 т, VASIMR сэкономит NASA миллионы ежегодно.

Но у Ad Astra есть и более амбициозные планы. Например, миссии на Марс на высокой скорости. 10-МВт или 20-МВт модификация VASIMR сможет доставить людей на красную планету за 39 дней, тогда как у обычных ракет на это уйдёт полгода, если не больше. Чем короче путешествие, тем меньше астронавты будут подвергаться действию космической радиации, являющейся существенным препятствием.

Инновационный двигатель также можно приспособить для большего груза в роботизированных миссиях, хотя скорость полёта снизится. Ченг-Диаз трудился над разработкой концепции VASIMR с 1979 года – задолго до основания бизнеса в 2005 году. Технология подразумевает использование радиоволн для нагревания газов (водорода, аргона, неона), чтобы сформировать высокотемпературную плазму. Магнитные поля выталкивают её из двигателя, благодаря чему создаётся реактивная тяга. Как следствие высокой скорости, которая достигается беспрерывным процессом её наращивания, требуется намного меньше топлива, чем для обычных двигателей. Вдобавок, в конструкции VASIMR нет физического контакта электродов с плазмой, а значит продлевается срок эксплуатации.

Как работает VASIMR в тестовой камере, можно увидеть в этом ролике. Правда, он относится к давнему испытанию, во время которого аппарат потреблял только 179 киловатт. Из них 30 кВт использовались в первой части двигателя для создания плазмы, а 149 — на разогрев и разгон её во второй камере.

Стоит вспомнить американский межпланетный аппарат Dawn, который стартовал осенью 2007-го (к своей первой цели, Весте, он прибудет в 2011 году). Для разгона к поясу астероидов Dawn использует три ионных двигателя, каждый из которых развивает максимальную тягу в 90 миллиньютонов.

“Это идентично весу одного листка из блокнота”, — образно поясняет NASA. В чём, спрашивается, смысл? Дело в том, что “ионники” примерно в 10 раз эффективнее химических ракетных двигателей. В частности, удельный импульс устройств, стоящих на Dawn, составляет 3100 секунд.

Потому 425 килограммов рабочего тела (ксенона) им хватит на 2100 дней работы. Пусть ускорение Dawn невозможно заметить глазу, но общее приращение скорости за всё время миссии составит порядка 10 километров в секунду.

И сам аппарат получился сравнительно лёгким (тонна с четвертью). Потому для его старта с Земли понадобилась ракета меньшего класса (Delta II), а значит — более дешёвая, в сравнении той, что потребовалась бы для подъёма на орбиту гипотетического исследователя астероидов, построенного на основе химических движков.

Удельный импульс установки VX-200 составляет порядка 5000 секунд. Вообще же он может меняться, что и отражено в названии устройства. Больший КПД можно получить при малой тяге, меньший — при максимальной.

Так можно варьировать режим работы маршевого движка в зависимости от целей миссии космического аппарата. Где-то можно позволить себе потратить несколько больше рабочего тела, но сократить время полёта, где-то, напротив, выполнить задание за больший срок, но при минимальном расходе “горючего”, а значит, — минимальном весе аппарата.

Тут надо отметить, что VASIMR претендует на роль некоего промежуточного варианта создания тяги в условиях космоса. Промежуточного между химическими ускорителями (мощными, но прожорливыми) и чрезвычайно миниатюрными электроракетными движками, экономичность которых может быть гораздо выше, чем даже у VX-200, но тяга будет составлять лишь доли грамма.

VASIMR обладает ещё одним преимуществом перед соперниками из стана электроракетных двигателей в целом: в нём плазма ни в одной точке не соприкасается с деталями аппарата, а контактирует только с полями.

Это означает, что устройство от Ad Astra сможет работать по многу месяцев и даже лет без деградации конструкции — то что надо для разгона космических аппаратов на пути в глубины Солнечной системы или коррекции орбиты спутников. У классических ионных ракетных двигателей больной вопрос – эрозия решёток-электродов. У VASIMR же таковых попросту нет.

Ad Astra Rocket строит богатые планы применения VASIMR в ряде проектов. Так, по соглашению с американским космическим агентством в 2013 году лётный вариант VX-200, названный VF-200-1, должен попасть на испытания на МКС. Разрабатываемый ныне аппарат будет базироваться на общем дизайне VX-200, но состоять из двух фактически параллельных движков по 100 киловатт каждый.

(Интересно, что Ad Astra Rocket ведёт переговоры о доставке VF-200-1 на станцию при помощи частного носителя от SpaceX либо Orbital Sciences).

VF-200-1 попробует поднимать орбиту станции, регулярно “проседающую” из-за слабого торможения в остатках атмосферы, имеющихся даже на 400-километровой высоте. VF-200-1 будет включаться на короткое время (несколько минут) эпизодически. А поскольку мощность, забираемая им из сети, очень велика, двигатель должен потреблять энергию, накопленную в специальных аккумуляторах, которые, в свою очередь, во время пауз в работе плазменного ускорителя будут понемногу подзаряжаться от солнечных батарей МКС.

Если тест пройдёт успешно, на такой способ подъёма орбиты, возможно, и переведут станцию. А это обещает солидную экономию. Ведь нынешний вариант подъёма орбиты (при помощи химических движков транспортных кораблей снабжения) означает расход 7,5 тонны горючего в год, в то время как VASIMR потребует на ту же цель 300 килограммов аргона ежегодно. Перспективы же технологии ещё заманчивее.

На основе одного или нескольких VF-200-1, полагает компания, можно построить беспилотный грузовик, который будет переправлять большие грузы с низкой околоземной орбиты на окололунную. Питание эти движки получали бы от солнечных батарей.

Для такого аппарата, скорее всего, потребовалась бы бортовая атомная электростанция — солнечные панели нужной мощности вышли бы просто чудовищно большими.

О том, что электроракетные движки для дальних миссий “просят” ядерную подпитку, специалисты говорят давно. Никаких принципиальных и неразрешимых трудностей в постройке подобного генератора сейчас нет.

Ещё не все вопросы относительно тонкостей работы самого VASIMR сняты. Учёным предстоит повысить полный КПД системы и найти лучший способ избавления от лишнего тепла, рассеиваемого таким движком. Но в целом технология вполне уже подходит к этапу, когда исключительно наземные экспериментальные установки должны породить модификации, предназначенные для отправки на орбиту. Чан-Диаз и его коллеги полагают, что коммерческие версии двигателей типа VASIMR могут появиться на рынке в 2014 году.

Усовершенствованные ионные двигатели откроют пределы Солнечной системы

Фраза «задействовать ионный двигатель» все еще напоминает «Звездных войн» , но эти двигатели использовались в космических миссиях более четырех десятилетий и до сих пор остаются предметом продолжающихся исследований. Ионные двигатели имеют невероятную топливную экономичность, но их малая тяга требует очень длительного времени работы… и в этом вся загвоздка. На сегодняшний день эрозия внутри такого двигателя серьезно ограничивает срок его службы. Теперь группа исследователей из Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL) разработала новую конструкцию, которая в значительной степени устраняет эту эрозию, открывая возможности для более высокой тяги и более эффективных двигателей для пилотируемых и беспилотных миссий в пределах Солнечной системы.

Ионные двигатели различных типов использовались в космических миссиях, по крайней мере, с 1964 года, когда НАСА провело суборбитальную миссию по испытанию космической электрической ракеты I. Многие классы космических миссий могут выиграть от использования экономичных ионных двигателей на каком-то этапе своей миссии. Например, несколько спутников связи были выведены на конечную геостационарную орбиту с помощью ионных двигателей. Лунная миссия Европейского космического агентства SMART-1 была выведена на геостационарную орбиту обычными средствами, а затем осуществлен переход на лунную орбиту с помощью ионного двигателя.

Однако полеты в дальний космос — это то, где ионные двигатели могут проявить себя по-настоящему. Три миссии, NASA Deep Space One и Dawn и Hayabusa Японского агентства аэрокосмических исследований, частично или полностью получили свои пост-орбитальные двигатели от ионных двигателей. Их ионные двигатели работали в течение нескольких лет лишь с редкими приступами паники, обеспечивая при этом тягу в несколько сотых ньютона (возможно, 0,4 унции).

Как работает ионный двигатель?

Разновидностей много и предложений больше (на ум приходит двигатель ВАСМИР), но принцип работы достаточно прост. Существует два основных типа ионных двигателей: электростатические и электромагнитные. Электростатический ионный двигатель работает за счет ионизации топлива (часто газообразного ксенона или аргона), сбивая электрон с образованием положительного иона. Затем положительные ионы диффундируют в область между двумя заряженными сетками, которые содержат электростатическое поле. Это ускоряет положительные ионы из двигателя и от космического корабля, тем самым создавая тягу. Наконец, нейтрализатор распыляет электроны в выхлопной шлейф со скоростью, которая поддерживает электрическую нейтральность космического корабля.

Электромагнитный ионный двигатель также работает за счет ионизации топлива. В этом случае создается плазма, которая переносит ток между ионизирующим анодом и катодом. Ток, в свою очередь, создает магнитное поле под прямым углом к электрическому полю и, таким образом, ускоряет положительные ионы из двигателя с помощью силы Лоренца — в основном тот же эффект, на котором основаны рельсотроны. Опять же, нейтрализатор удерживает космический корабль электрически нейтральным.

Питание серьезного космического корабля

Все это требует большого количества электроэнергии – около 25 кВт на ньютон (3,6 унции) тяги. Итак, какие уровни тяги необходимы, чтобы толкнуть, скажем, 100-тонный космический корабль через Солнечную систему? (Простите меня — я люблю мечтать!) Это, конечно, зависит от миссии, но тяга в 1000 Н доставит этот космический корабль на орбиту вокруг Юпитера примерно за 10 месяцев, а на орбиту Нептуна чуть менее чем за 1,5 года. Очевидно, что с технологической точки зрения это далеко не так, но давайте посмотрим, что необходимо. Во-первых, источник электроэнергии, обеспечивающий около 25 МВт (мегаватт электроэнергии) более или менее постоянно. Ясно, что мы говорим о ядерной энергетике — много ядерной энергии от реакторной системы, которая помещается в 100-тонном космическом корабле. К счастью, в настоящее время прилагаются значительные усилия для разработки компактных ядерных реакторов для производства электроэнергии здесь, на Земле.

Кроме того, НАСА и Министерство энергетики сотрудничают в проекте Fission Surface Power Project, целью которого является создание крошечных ядерных энергетических реакторов для баз на Луне и Марсе. Целью проекта является создание реактора, который будет обеспечивать мощность 40 кВт в течение 10 лет, складывается в пространство 3 x 3 x 7 метров (10 x 10 x 23 фута) и весит 11 000 фунтов (5 000 кг). Это довольно далеко от того, что необходимо для ионного двигателя мощностью 1000 Н, но с реакторами на расплавленных солях и эффективным преобразованием тепла в электричество это кажется в пределах возможного. Кроме того, я сказал, что сплю.

Препятствие для проектирования

Если бы все вышеперечисленное было удовлетворительно проработано, могли бы мы построить ионный двигатель с тягой 1000 Н? Есть некоторые незначительные технические проблемы с эффективной ионизацией топлива и охлаждением двигателей, но самым большим препятствием, о котором мы в настоящее время знаем, является то, что большой ионный ток, проходящий через двигатель, вызовет достаточную эрозию, чтобы разрушить двигатель. Это не проблема материалов — это проблема дизайна. Это блокпост, недавно снесенный (по крайней мере, частично) исследователями НАСА в Лаборатории реактивного движения в Пасадене, Калифорния.

Схема ионного двигателя на эффекте Холла (Изображение: Википедия)

На схеме поперечного сечения выше видно, что топливная плазма заполняет анод и газораспределитель. При малой тяге небольшая плотность плазмы ускоряется за счет эффекта Лоренца скрещенных магнитного и электрического полей. Однако при большой тяге плотность плазмы становится достаточно большой, чтобы искажать поля, в результате чего положительные ионы ускоряются непосредственно в стенках анода.

Когда эти энергии ионов достаточно велики, они будут разрушать материал со стенок в процессе, называемом распылением. Что еще хуже, в поисках лучших ионных двигателей желательна как большая тяга, так и большая скорость выхлопа (для чего требуется меньше топлива). Изменения, сделанные для достижения обеих этих целей, значительно увеличивают скорость эрозии.

Эта проблема усложняется тем, что электродинамика полей и плазмы сильно нелинейна, что затрудняет прогнозирование влияния изменения конструкции двигателя на эрозию двигателя.

Очевидным подходом было магнитное экранирование стен от энергичных ионов. Команда НАСА добилась этого, экранируя стенки из нитрида бора, чтобы магнитное поле от внутренней и внешней магнитной катушки проходило вокруг конца анодного кольца. При правильном выполнении магнитное поле больше не проникало сквозь стены. В результате силовые линии магнитного поля не проходят через стенки под углами, близкими к перпендикулярным, а почти параллельны стенкам. Это приводит к ускорению положительных ионов от стенок, и в результате стенки фактически являются самой холодной частью внутренних поверхностей двигателя.

Результат экспериментальных испытаний новой магнитозащитной конструкции показал, что скорость эрозии снижена в 500-1000 раз. Эта очень успешная демонстрация имела место в ионном двигателе на эффекте Холла мощностью 6 кВт.

Несмотря на то, что по мере продолжения работы над крупномасштабными ионными двигателями, несомненно, будет еще больше проблем, которые необходимо преодолеть, это новое исследование, похоже, решило ближайшую и наиболее очевидную проблему. Пилотируемые полеты в дальний космос стали на один шаг ближе, и, всю жизнь мечтая о космических путешествиях, я хотел бы дожить до этого.

Источники: Applied Physics Letters, NASA-JPL

Раскрытие потенциала кольцевых ионных двигателей

Концепция кольцевых ионных двигателей (AIE) представляет собой эволюционное развитие технологии ионных двигателей с сеткой и потенциалом для обеспечения революционных возможностей. Он имеет этот потенциал, потому что концепция AIE: (a) позволяет масштабировать технологию ионного двигателя до высокой мощности при значениях удельного импульса (Isp), представляющих интерес для краткосрочных миссий, ≤5000 с; и (b) он позволяет увеличить как плотность тяги, так и отношение тяги к мощности (F/P), по сравнению с обычными ионными двигателями и другими вариантами технологии электродвижения (EP), тем самым обеспечивая высочайшие характеристики в широком диапазоне Isp.

Концепция AIE представляет собой естественное развитие технологии ионного двигателя с сеткой за пределы возможностей, воплощенных в Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) НАСА [1]. AIE подходит для: (а) приложений, требующих уровней мощности, превышающих возможности NEXT (14 кВт [2]), с потенциальным масштабированием до 100 кВт; и/или (b) приложений, которые требуют условий F/P, превышающих возможности NEXT.

Концепция AIE состоит из кольцевой разрядной камеры с комплектом кольцевой ионной оптики, потенциально сконфигурированной с установленным в центре катодным узлом нейтрализатора. Эта концепция проиллюстрирована на рис. 1. Разработанный НАСА полномасштабный тестируемый АИЭ второго поколения («GEN2») с выводом пучка показан на рис. 2 [3].

Рис. 1. Концепция АИЭ в разрезе (слева) и спереди (справа).

AIE обладает значительными потенциальными преимуществами по сравнению с обычными ионными двигателями и другими концепциями двигателей EP [4]. Атрибуты и технические описания AIE перечислены в таблице 1 и включают в себя: очень высокую плотность тяги; расширяемость до высокой мощности; улучшенная эффективность и F/P; увеличенный срок службы; и улучшенная компоновка по сравнению с современными (SOA) двигателями EP.

Возможности технологии ионного двигателя SOA и цели по производительности для разработки AIE перечислены в таблице 2. Ионная технология SOA представляет собой производительность высокоточного ионного двигателя NEXT НАСА, который демонстрирует превосходные показатели F/P, и КПД, по сравнению со всеми другими вариантами технологии ЭП выше удельного импульса (Isp) около 2600 секунд [3].

Рис. 2. Полномасштабный АИЭ GEN2 в тесте с внешним диаметром луча 65 см

Менее 2600 секунд, двигатели на эффекте Холла [HET], воплощенные в коммерческой HET (BPT-4000) [5], и HET мощностью 12,5 кВт (ракета на эффекте Холла с магнитным экранированием или HERMeS), разрабатываемая совместно НАСА и Лаборатория реактивного движения для проекта Демонстрационной миссии технологии солнечной электрической тяги (SEP TDM) [6] имеют превосходные характеристики по сравнению со всеми другими вариантами технологии EP, включая обычные ионные двигатели (примечание: потенциальные потери тяги из-за требований к углу наклона для более крупных HET). расходимость пучка не учитывается). На рис. 3 количественно показано отношение F/P SOA HET [5, 6] и SOA Ion [3] в зависимости от Isp. Эти две технологии представляют собой варианты двигателей EP с наивысшей производительностью в арсенале США.

AIE с улучшенной тягой и электрическим КПД, связанным с плоскими электродами и увеличенной плотностью тяги, потенциально может увеличить ионную эффективность SOA и F/P во всем рабочем диапазоне Isp. Это снизит точку перехода производительности между Ion и HET ниже 2600 секунд, тем самым обеспечив превосходную производительность во всем диапазоне Isp [3].

Проблема с электрическими двигателями и передовыми концепциями заключается в том, что темпы их внедрения настолько медленны, что это, как правило, душит инновации

Рисунок 3 также включает прогнозируемые характеристики для AIE: краткосрочная («минимальная») кривая характеристик, предполагающая снижение потерь тяги за счет внедрения плоской ионной оптики, но с электрическим КПД разряда, сравнимым с двигателем NEXT; и оптимизированная («максимальная») кривая производительности, которая предполагает как снижение потерь тяги, так и превосходный электрический КПД разряда по сравнению с подруливающим устройством NEXT. Как указано, краткосрочная кривая снижает точку пересечения Isp примерно до 1800 секунд, а оптимизированная кривая обеспечивает превосходную эффективность во всем диапазоне Isp. На рис. 4 повторно представлены данные и прогнозы с рис. 3, показывающие зависимость эффективности двигателя от удельного импульса.

Что касается Таблицы 2, концепция AIE также позволяет изготавливать ионную оптику большой площади с высокой первеансностью, что, в свою очередь, увеличивает мощность, допустимую для каждого двигателя, делая это при конкретных интересующих уровнях импульса (≤5000 с, тип. .). Конструкции AIE, способные обрабатывать сотни кВт, должны быть осуществимы [7].

Кроме того, АИЭ должен обеспечивать работу при значительно более высоких плотностях тяги, чем у ионных двигателей СОА; до 8 Н/м ² или выше. Это связано с тем, что кольцевая разрядная камера увеличивает эффективную площадь поверхности анода для сбора электронов по сравнению с обычным ионным двигателем цилиндрической формы с эквивалентной площадью пучка. Это должно обеспечить работу при более высоких токах разряда и, следовательно, при больших токах пучка, что приведет к увеличению плотности тяги и, при правильной реализации, позволит работать ионной оптике на пределе Чайлда-Ленгмюра или вблизи него [8].

Приложения

AIE представляет собой естественное развитие ионной технологии с сеткой, выходящей за рамки той, что воплощена в ионной двигательной установке NEXT (IPS), и ее развитие до более высокого уровня технологической готовности (TRL) может использовать значительные ресурсы, сделанные на сегодняшний день в разработка NEXT. Требуются очень скромные ресурсы для продвижения концепции AIE TRL, в то же время предоставляя несколько вариантов продуктов, поддерживающих приложения NASA, National Security Space (NSS) и Commercial Space (CS).

Значительное количество компонентов двигателя одинаково (идентичны или похожи) как для двигателя NEXT, так и для AIE, включая: проводку; магнитный материал; материалы разрядной камеры; разрядные и нейтрализующие катоды; изоляция топлива высокого напряжения и изоляторы высокого напряжения; и т.п.

Кроме того, в зависимости от максимальной входной мощности для AIE, низковольтные силовые модули (нагреватели разрядного катода и катода нейтрализатора и разрядный) и высоковольтные модули питания ускорителя, используемые в NEXT Power Processor Unit (PPU), могут быть использоваться как есть, или топологии для модулей (например, разрядка) могут быть масштабированы по мере необходимости для большей мощности.

Блок питания луча в NEXT PPU, обрабатывающий большую часть входной мощности, был специально разработан для масштабирования за счет добавления модулей, необходимых для обработки максимального тока луча. Это было бы подходящим подходом для разработки PPU AIE.

Сложность PPU AIE определяется предполагаемым приложением. В приложениях, требующих либо высокого F/P, либо большой мощности, можно предусмотреть уменьшенный диапазон входного напряжения в PPU (уменьшенный по сравнению с требованием NEXT PPU 80-160 В) и, возможно, два или несколько уставок дроссельной заслонки. (в отличие от 70+ условий NEXT).

Рис. 3. Зависимость тяговооруженности от удельного импульса для SOA HET (BPT-4000 и HERMeS HET), а также SOA ION. Подгонка кривых данных для обеих технологий указывает на пересечение F/P примерно через 2600 секунд. Также нанесены «краткосрочные» и «оптимизированные» AIE-проекции F/P.

Если прогнозы производительности, отраженные на рисунках 3 и 4, могут быть реализованы, вариант AIE может стать лучшим решением по сравнению с существующими системами Ion и HET, которые в настоящее время используются на объектах NSS и CS на околоземной орбите. Бимодальная система, в которой АИЭ работает на высокой мощности, высоком F/P, низком Isp для перехода на орбиту, а затем работает на пониженной мощности, высоком Isp для удержания станции, работая на максимальных уровнях входной мощности в диапазоне 10–20 кВт на цепочку — может быть желательным вариантом с низким технологическим риском.

AIE представляет собой естественное развитие ионной технологии с сеткой по сравнению с той, что воплощена в ионной двигательной установке NEXT.

AIE обладает значительным потенциалом для применения в научных миссиях НАСА через Управление научных миссий (SMD), которое поддерживало и продолжает поддерживать развитие и переход к полету NEXT IPS. В то время как научные миссии могут быть менее чувствительны к приросту F/P, и в краткосрочной перспективе они могут не выиграть от значительного увеличения пропускной способности (более 10-20 кВт на цепочку) — улучшения производительности топлива за счет практического применение углеродно-ионной оптики, которое дает подход AIE, может почти полностью устранить ожидаемый режим первого отказа ионных двигателей, что приведет к увеличению срока службы примерно в 10 раз.

Эта возможность может быть использована несколькими способами — путем выполнения миссий, требующих более длительного срока службы двигателя; за счет уменьшения количества цепочек двигатель-ППУ, необходимых для обработки требуемого топлива; сокращение или устранение применения избыточных строк; и сокращение продолжительности валидационных испытаний.

Рисунок 4. КПД двигателя в зависимости от удельного импульса для SOA HET и SOA ION. Также на графике представлены «краткосрочные» и «оптимизированные» прогнозы эффективности AIE.

AIE также может сыграть важную роль в применении для поддержки человеческой архитектуры через Управление НАСА по исследованию и эксплуатации человека (HEOMD) в качестве потенциального варианта силовой установки для транспортных средств класса Solar Electric Propulsion (SEP) мощностью 150 кВт и 300 кВт. Потенциал AIE по расширению работы ионного двигателя до 100 кВт при определенных значениях импульса — при более высоких уровнях эффективности по сравнению с другими технологическими вариантами — делает его привлекательным вариантом.

Кроме того, механизм ускорения почти без потерь, связанный с ионными двигателями с сеткой, обеспечивает электрический КПД более 90 процентов; важное соображение относительно управления тепловым двигателем и системой при работе с большой мощностью. Кроме того, поскольку отношение мощности к массе транспортных средств SEP продолжает увеличиваться с развитием технологий, оптимальный для миссии удельный импульс будет продолжать расти. Адаптация технологии ионного двигателя к восходящему оптимальному удельному импульсу является неотъемлемым преимуществом этой технологии.

Состояние разработки технологии

Несмотря на ограниченные ресурсы, на сегодняшний день достигнут значительный прогресс в разработке концепции AIE с момента ее создания в 2011 году [9], включая проверку концепции и демонстрацию масштабируемости (см. рис. 5):

GEN1 AE Progression — проверка концепции

GEN2 AE Progression — демонстрация масштабируемости

В 2011 г. была спроектирована, изготовлена и испытана малогабаритная разрядная камера AIE (внешний диаметр 40 см) в условиях, имитирующих вывод пучка. Высокооднородная (в пределах 10% от среднего) азимутальная и радиальная плазма разряда наблюдалась при всех условиях с использованием конструкции с одним полым катодом.

В 2012 г. был завершен маломасштабный АИЭ первого поколения («GEN1») и успешно испытан с выводом пучка с использованием обычной ионной оптики. Чрезвычайно высокая плоскостность луча была задокументирована при работе до 6,3 кВт; 0,85-0,95, самый высокий из когда-либо продемонстрированных для ионного двигателя [10]. Кроме того, были успешно изготовлены плоские углеродные кольцевые ионно-оптические электроды.
В 2013 г. была успешно проведена маломасштабная АИЭ с плоскими углеродно-ионно-оптическими электродами. Была задокументирована коллимация очень дальнего луча; поправочный коэффициент потери тяги 0,997, самая высокая демонстрация ионного двигателя [11].

В 2014 г. была спроектирована, изготовлена и испытана полномасштабная разрядная камера ИИЭ второго поколения («GEN2») (внешний диаметр 65 см) в условиях, имитирующих вывод пучка. Как и в случае AIE меньшего подмасштаба, высокооднородная (в пределах 10 процентов от среднего) азимутальная и радиальная плазма разряда наблюдалась во всех условиях с использованием конструкции с одним полым катодом. Кроме того, были успешно изготовлены полномасштабные плоские углеродные кольцевые ионно-оптические электроды. Готовые электроды из пиролитического графита имеют все необходимые допуски по размерам без дефектов.

В 2015 году была завершена сборка АИЭ GEN2, включая высокоточную кольцевую ионную оптику. Блок ионной оптики, изготовленный из электродов из пиролитического графита и системы крепления из углеродного волокна, армированного углеродным волокном, представляет собой конструкцию с самой большой площадью и высокой проводимостью, когда-либо созданную. Были проведены предварительные испытания с выводом пучка и выявлено несколько незначительных модификаций конструкции оптики и разрядной камеры.

По состоянию на 2016 год:

Определены усовершенствования конструкции ионной оптики GEN1 AIE. Также была инициирована инженерная задача по завершению проектирования высокоточного AIE GEN1, который был бы функционально совместим с уровнями входной мощности ~4-20 кВт при высоких значениях F/P.

Было завершено несколько модификаций конструкции ионной оптики и разрядной камеры АИЭ GEN2, и АИЭ был подготовлен к испытаниям. Это делается с целью демонстрации работы с высокой мощностью; до 60 кВт.

Дальнейшая работа, включая повторное тестирование оборудования AIE GEN1 и GEN2, основана на обеспечении дополнительных ресурсов.

Перспективный план развития

В обозримом будущем — как и в случае почти всех основных двигателей EP — возможности миссий для AIE, вероятно, будут примерно в 10 раз больше и примерно в 100 раз больше для миссий NSS и CS соответственно по сравнению с миссиями НАСА. на основе исторических показателей миссии. Несмотря на эти возможности, инвестиционные ресурсы космических двигателей в НАСА, по-видимому, ограничены разработкой технологий, которые имеют конкретное и прямое применение для ожидаемого / запланированного набора миссий НАСА. В той степени, в которой эти технологии также имеют приложения, не относящиеся к НАСА, изыскиваются заемные ресурсы.

Таким образом, и если технология не будет принята для дальнейшей разработки клиентами из США, не входящими в НАСА, путь развития НАСА для концепции AIE будет поддерживаться в той степени, в которой он соответствует ожидаемому набору миссий НАСА. Возможен потенциал для «нестандартных» продуктов в рамках этой деятельности по разработке, которые могут иметь характеристики производительности, более непосредственно поддерживающие клиентов, не входящих в НАСА.

Несмотря на ограниченные ресурсы, на сегодняшний день достигнут значительный прогресс в разработке концепции AIE с момента ее создания в 2011 году.

Концепция AIE может произвести революцию в реализации электрических двигателей, предоставив возможность технологии с наивысшими характеристиками, используя при этом подход, основанный на хорошо изученной физике и наследии ионных двигателей. Это «доморощенная» интеллектуальная собственность НАСА, на которую выданы и ожидаются патенты. Эта технология имеет потенциал на уровне мощности ~ 10-20 кВт для научных миссий НАСА (что будет дальше после NEXT?), а также для космических приложений национальной безопасности на околоземной орбите и коммерческих космических приложений. Он также хорошо подходит для исследований и эксплуатации человеком, поскольку его мощность можно масштабировать до 300 кВт и выше.

Концепция AIE использует инвестиции НАСА в ионные технологии в размере около 100 миллионов долларов США за последнее десятилетие. Требуются очень скромные ресурсы для повышения уровня готовности технологии AIE, в то же время предоставляя несколько вариантов продуктов, поддерживающих НАСА, национальную космическую безопасность и коммерческие космические приложения.

Примечание автора

Все концепции, раскрытые в публикации, защищены патентом США № 8,468,794 («Electric Propulsion Apparatus», 25 июня 2013 г.), патентом США № 9.,279,368 («Multi-thruster Propulsion Apparatus», 29 марта 2016 г.) и патенты, поданные как в США, так и в международные патентные заявки. Правопреемник: Правительство Соединенных Штатов.

Майкл Дж. Паттерсон , старший технолог по космическим двигателям в Исследовательском центре Гленна НАСА, работал над миссиями НАСА Deep Space One и Dawn; и программа НАСА «Ионная двигательная установка следующего поколения».

Каталожные номера
1. Паттерсон, М.Дж., Соулас, Г.К., Янг, Дж.А., Крофтон М.В., «Расширенные возможности дросселирования двигателя NEXT», документ AIAA 2013-3891.
2. Паттерсон, М.Дж., «СЛЕДУЮЩЕЕ исследование двигателя с увеличенной производительностью (СЛЕДУЮЩИЙ ШАГ)», Документ AIAA 2006-4664.
3. Паттерсон, М.Дж., Томас, Р.Э., Крофтон, М.В., Янг, Дж.А., Фостер, Дж.Э., «Технология кольцевых двигателей с высокой тягой к мощности», документ AIAA 2015-3719.
4. Паттерсон, М.Дж., «Электрические двигательные установки нового поколения», Документ AIAA 2011-4812.
5. Веландер, Б., Карпентер, К., де Грис, К., Хофер, Р.Р., Рэндольф, Д.Х., Манцелла, Д.Х., «Продление срока службы и рабочего диапазона подруливающего устройства Холла для квалификационной модели BPT-4000», Документ AIAA 2006-5263.
6. Хофер, Р.Д., и др., «Методология проектирования и масштабирование двигателя HERMES Hall мощностью 12,5 кВт для демонстрационной миссии технологии солнечной электрической тяги», JANNAF-2015-3946.
7. Паттерсон, М.Дж., Герман, Д., Шастри, Р., ВанНорд, Дж., Фостер, Дж.Э., «Ионный двигатель с кольцевой геометрией: концепция, состояние разработки и предварительные характеристики», Документ AIAA 2012-3798.
8. Паттерсон, М.Дж., Хааг, Т.В., Фостер, Дж.Э., Янг, Дж.А., Крофтон, М.В., «Состояние разработки электростатических двигателей с высокой плотностью тяги», Документ AIAA 2014-3422.
9. Паттерсон, М.Дж., «Электрические двигательные установки нового поколения», Документ AIAA 2011-5812.
10. Шастри, Р., Паттерсон, М.Дж., Герман, Д.А., Фостер, Дж.Е., «Измерения плотности тока ионного двигателя с кольцевой геометрией», Документ AIAA 2012-4186.
11. Паттерсон, М.Дж., Фостер, Дж.Е., Янг, Дж.А., Крофтон М.В., «Состояние разработки кольцевых двигателей», Документ AIAA 2013-3892.

Ионный двигатель будет питать новую космическую станцию

Это будет первый пилотируемый корабль с научно-фантастическими двигателями.

Эта статья представляет собой выпуск журнала Future Explored, еженедельного справочника по технологиям, меняющим мир. Вы можете получать подобные истории прямо в свой почтовый ящик каждое утро четверга, подписавшись здесь.

Следующая космическая станция будет оснащена ионными двигателями — впервые астронавты совершили полет с использованием научно-фантастических двигателей.

Хотя ионные двигательные установки использовались на спутниках с 1970-х годов, до сих пор никто никогда не использовал их для пилотируемых космических кораблей.

Китай начал строительство новой космической станции, и ее основной модуль оснащен четырьмя ионными двигателями, которые производят тягу, используя электричество вместо традиционного ракетного топлива.

Если технология сможет доказать свою безопасность и надежность в таком большом масштабе, однажды ее можно будет использовать для межпланетных путешествий, сократив время, необходимое астронавтам для достижения Марса, с восьми месяцев до всего лишь 39 месяцев.дней — и открывая двери для миссий в еще более отдаленные места.

Задача: Космический корабль движется за счет создания тяги; Самый простой способ подумать об этом — представить воздушный шар, наполненный воздухом: отпустите сопло, и воздух быстро выйдет из воздушного шара, отправив его в полет в противоположном направлении.

Большинство космических кораблей производят эту тягу за счет сжигания топлива. Это создает газ, который корабль может выбрасывать, толкая его в противоположном направлении. Этот процесс может создавать большую тягу, что идеально подходит для случаев, когда ракета взлетает и ей нужно избежать гравитации Земли.

Проблема в том, что топливо тяжелое, и чем дольше миссия, тем больше топлива требуется. Это делает корабль тяжелее, а это означает, что для его запуска в космос требуется больше топлива, а стоимость всего этого топлива делает миссии более дорогими.

Ионный двигатель более экономичен по топливу, но производит гораздо меньшую тягу, чем химический двигатель.

Как это работает: Ионные двигательные установки производят тягу, отрывая электроны от атомов, а затем используя электричество, чтобы отправить эти атомы — которые теперь являются положительно заряженными ионами — вылетающими из задней части космического корабля на невероятно высоких скоростях.

Электроэнергия для ионного двигателя может вырабатываться солнечными панелями на космическом корабле. Между тем, атомы извлекаются из инертных газов, таких как ксенон, которые намного легче, чем традиционные жидкое или твердое ракетное топливо.

«Вы можете думать, что электрический двигатель имеет в 10 раз больше миль на галлон по сравнению с химическим двигателем», — сказал Space.com в 2017 году Алек Галлимор, руководивший разработкой рекордного ионного двигателя X3. Ионный двигатель более экономичен по топливу, он также производит гораздо меньшую тягу.

Система Галимора получила признание благодаря тяге в 5,4 ньютона — больше, чем у любого другого ионного двигателя. Представьте, сколько сил нужно, чтобы удержать баскетбольный мяч рукой, и вы поймете, как мало тяги вам дадут 5,4 ньютона.

Ионный двигатель: Величина тяги, создаваемая ионными двигателями, никогда не сможет отправить ракету в полет через атмосферу, не говоря уже о том, чтобы вырваться из-под земного притяжения, но в космосе, при отсутствии сопротивления воздуха и малой гравитации, этого достаточно, чтобы толкнуть космический корабль в любом направлении, в котором он должен идти.

По этой причине ионные двигатели регулярно используются для управления спутниками вместо более дорогих химических двигателей. Они также используются для длительных миссий в дальний космос, потому что, опять же, они дешевле, и если дать достаточно времени для разгона, они могут разогнать космический корабль до скорости, в пять раз превышающей скорость химических систем, которые должны экономить свое топливо или заканчиваться. .

Ионный двигатель однажды позволит астронавтам добраться до Марса за 39 дней.

Впервые в мире: Ионные двигательные установки не используются для полетов с экипажем, потому что частицы, покидающие их, очень горячие. Это может привести к повреждению двигателя, что может поставить под угрозу жизнь астронавтов.

Но Китайская академия наук сообщила газете South China Morning Post, что китайские ученые разработали ионный двигатель, достаточно безопасный и надежный для полетов с экипажем. Сообщается, что во время испытаний он мог непрерывно работать более 11 месяцев благодаря специальному керамическому материалу и точно расположенному защитному магнитному полю.

В апреле Китай запустил основной модуль своей новой космической станции Тяньгун, который включает в себя четыре небольших ионных двигателя и более крупные химические двигатели. Когда в середине июня на станцию прибудут первые астронавты, «Тяньгун» станет первым космическим кораблем с экипажем, оснащенным ионным двигателем.

Включение ионного двигателя в долгоживущую космическую станцию на околоземной орбите даст исследователям возможность протестировать технологию, пока астронавты все еще находятся рядом с домом. исследователей на Марс и даже в более отдаленные места.

Будем рады услышать от вас! Если у вас есть комментарий к этой статье или у вас есть совет для будущей статьи Freethink, напишите нам по адресу [email protected]

Инженеры Массачусетского технологического института запускают первый в мире самолет без движущихся частей | Новости Массачусетского технологического института

С тех пор, как более 100 лет назад в воздух поднялся первый самолет, практически каждый самолет в небе летал с помощью движущихся частей, таких как пропеллеры, лопасти турбины или вентиляторы , которые производят постоянное жужжание.

Теперь инженеры Массачусетского технологического института построили и запустили первый в мире самолет без движущихся частей. Вместо пропеллеров или турбин легкий летательный аппарат приводится в действие «ионным ветром» — бесшумным, но мощным потоком ионов, который создается на борту самолета и создает достаточную тягу, чтобы продвигать самолет в течение продолжительного и устойчивого полета.

В отличие от самолетов с турбинными двигателями, полеты самолетов не зависят от ископаемого топлива. И в отличие от винтовых дронов, новая конструкция абсолютно бесшумна.

«Это первый в истории устойчивый полет самолета без движущихся частей в двигательной установке», — говорит Стивен Барретт, доцент кафедры аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института. «Это потенциально открыло новые и неизведанные возможности для самолетов, которые тише, механически проще и не выделяют вредных выбросов».

Он ожидает, что в ближайшем будущем такие ионно-ветровые двигательные установки можно будет использовать для управления менее шумными дронами. Кроме того, он предполагает, что ионная силовая установка будет сочетаться с более традиционными системами сгорания для создания более экономичных гибридных пассажирских самолетов и других крупных самолетов.

Барретт и его команда из Массачусетского технологического института опубликовали сегодня свои результаты в журнале Nature .

Хобби-рукоделие

Барретт говорит, что вдохновение для создания ионного самолета частично почерпнули из фильма и телесериала «Звездный путь», которые он с интересом смотрел в детстве. Его особенно привлекали футуристические шаттлы, которые легко скользили по воздуху, казалось бы, без движущихся частей и почти без шума или выхлопа.

«Это навело меня на мысль, что в долгосрочной перспективе у самолетов не должно быть винтов и турбин, — говорит Барретт. «Они должны быть больше похожи на шаттлы в «Звездном пути 9».0210, », которые светятся голубым и бесшумно скользят».

Около девяти лет назад Барретт начал искать способы разработки силовой установки для самолетов без движущихся частей. В конце концов он наткнулся на «ионный ветер», также известный как электроаэродинамическая тяга — физический принцип, который был впервые выявлен в 1920-х годах и описывает ветер или тягу, которая может возникать при пропускании тока между тонким и толстым электродами. Если приложено достаточное напряжение, воздух между электродами может создать достаточную тягу, чтобы привести в движение небольшой самолет.

В течение многих лет электроаэродинамическая тяга в основном была проектом для любителей, а конструкции по большей части ограничивались небольшими настольными «подъемниками», привязанными к источникам высокого напряжения, которые создают достаточно ветра, чтобы небольшой корабль мог ненадолго зависнуть в воздухе. . В основном предполагалось, что будет невозможно создать достаточное количество ионного ветра, чтобы привести в движение более крупный самолет в течение продолжительного полета.

«Это была бессонная ночь в отеле, когда у меня был синдром смены часовых поясов, и я думал об этом и начал искать способы, как это можно сделать», — вспоминает он. «Я сделал некоторые предварительные расчеты и обнаружил, что да, это может стать жизнеспособной силовой установкой», — говорит Барретт. «И оказалось, что потребовалось много лет работы, чтобы перейти от этого к первому испытательному полету».

Воспроизвести видео

Ионы взлетают

Окончательный проект команды напоминает большой легкий планер. Самолет, который весит около 5 фунтов и имеет 5-метровый размах крыльев, несет множество тонких проводов, которые натянуты как горизонтальное ограждение вдоль и под передним концом крыла самолета. Провода действуют как положительно заряженные электроды, а аналогично расположенные более толстые провода, идущие вдоль задней части крыла самолета, служат отрицательными электродами.

Фюзеляж самолета содержит стопку литий-полимерных аккумуляторов. В команду Барретта по созданию ионного самолета входили члены Исследовательской группы силовой электроники профессора Дэвида Перро в Исследовательской лаборатории электроники, которые разработали источник питания, который преобразовывал бы выходное напряжение батарей в достаточно высокое напряжение для движения самолета. Таким образом, батареи подают электричество напряжением 40 000 вольт для положительного заряда проводов через легкий преобразователь энергии.

Когда на провода подается напряжение, они притягивают и отрывают отрицательно заряженные электроны от окружающих молекул воздуха, подобно гигантскому магниту, притягивающему железные опилки. Молекулы воздуха, оставшиеся позади, вновь ионизируются и, в свою очередь, притягиваются к отрицательно заряженным электродам в задней части самолета.

Когда новообразованное облако ионов течет к отрицательно заряженным проводам, каждый ион миллионы раз сталкивается с другими молекулами воздуха, создавая тягу, которая толкает самолет вперед.

Неискаженные кадры камеры безмоторного планирования 2, с аннотациями положения и энергии от отслеживания камеры. Авторы и права: Steven Barrett

Команда, в которую также входили сотрудники лаборатории Линкольна Томас Себастьян и Марк Вулстон, совершила несколько испытательных полетов на самолете над тренажерным залом в спортивном центре Дюпон Массачусетского технологического института — самом большом помещении, которое они смогли найти для проведения своих экспериментов. Команда пролетела на самолете на расстоянии 60 метров (максимальное расстояние в тренажерном зале) и обнаружила, что самолет производит достаточную ионную тягу, чтобы поддерживать полет все время. Они повторили полет 10 раз с одинаковыми характеристиками.

Неискаженная видеозапись с камеры рейса 9, с аннотациями положения и энергии от отслеживания камеры. Ускорился в 2 раза. Предоставлено: Стивен Барретт

«Это был самый простой из возможных самолетов, который мы могли спроектировать, и который мог подтвердить концепцию, что ионный самолет может летать», — говорит Барретт. «До самолета, который мог бы выполнять полезную миссию, еще далеко. Он должен быть более эффективным, летать дольше и летать на улице».

Новая конструкция является «большим шагом» на пути к демонстрации осуществимости движения ионного ветра, по словам Франка Плоурабу, старшего научного сотрудника Института механики жидкости в Тулузе, Франция, который отмечает, что ранее исследователи не могли летать на чем-либо. тяжелее нескольких граммов.

«Надежность результатов является прямым доказательством того, что устойчивый полет дрона с ионным ветром является устойчивым», — говорит Плурабуэ, не участвовавший в исследовании. «[Помимо приложений для дронов] трудно сделать вывод, насколько сильно это может повлиять на движение самолетов в будущем. Тем не менее, на самом деле это не слабость, а скорее открытие для будущего прогресса в области, которая сейчас вот-вот взорвется».

Команда Барретта работает над повышением эффективности своей конструкции, чтобы производить больше ионного ветра при меньшем напряжении. Исследователи также надеются увеличить плотность тяги конструкции — количество тяги, генерируемой на единицу площади. В настоящее время для полета на легком самолете команды требуется большая площадь электродов, которые, по сути, составляют двигательную установку самолета. В идеале Барретт хотел бы спроектировать самолет без видимой двигательной установки или отдельных поверхностей управления, таких как рули направления и рули высоты.

«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».

Это исследование было поддержано, в частности, линией автономных систем лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института, исследовательским грантом профессора Амара Дж. Бозе и Альянсом исследований и технологий Сингапура и Массачусетского технологического института (SMART). Работа также финансировалась через кафедры развития карьеры Чарльза Старка Дрейпера и Леонардо в Массачусетском технологическом институте.

Поделитесь этой новостной статьей:

Упоминания в прессе

Forbes

Профессор Стивен Барретт беседует с журналистом Forbes Джереми Богайски о разработанном им новом самолете, приводимом в движение ионным двигателем, отмечая, что он работает над встраиванием в обшивку самолета системы Prolusion. «Нет оснований думать, что в долгосрочной перспективе конструкции самолетов с электроаэродинамической силовой установкой должны выглядеть как современные самолеты», — объясняет Барретт.

Полная история через Forbes →

Economist

The Economist рассказывает о том, как исследователи Массачусетского технологического института разработали первый самолет, который приводится в действие ионным двигателем и не имеет движущихся частей. «Использование ионного двигателя означает, что корабль Массачусетского технологического института не содержит движущихся частей в виде пропеллеров или реактивных двигателей», — объясняет The Economist . «Он может летать бесшумно и без прямых выбросов от сжигания ископаемого топлива».

Полная история через Economist →

CNN

Репортер CNN Хелен Риган рассказывает о новом твердотельном самолете, разработанном исследователями Массачусетского технологического института, который не имеет движущихся частей и не требует ископаемого топлива. «Этот полет является важной вехой в технологии «ионного ветра», — объясняет Риган, — и может проложить путь к более тихим и экологически чистым самолетам в будущем».

Полная история через CNN →

Associated Press

Вдохновленный «Звездным путем», профессор Стивен Барретт разработал новый бесшумный самолет, который не требует ископаемого топлива для работы и приводится в движение ионными ветряными двигателями, сообщает Малком Риттер для АП. Риттер объясняет, что технология, которая приводит в действие самолет, в конечном итоге может быть использована «в самолетоподобных беспилотниках, которые выполняют такие задачи, как мониторинг и наблюдение за окружающей средой».

Полная статья через Associated Press →

Scientific American

Корреспондент журнала Scientific American Ангус Чен пишет о том, как профессор Стивен Барретт создал первый в мире самолет, который приводится в движение ионными ветряными двигателями и не имеет движущихся частей. «[Барретт] продемонстрировал нечто поистине уникальное, — говорит профессор Митчелл Уокер из Технологического института Джорджии.

Полная история через Scientific American →

Nature

A Nature 9Редакционная статья 0211 подчеркивает исторический прорыв, достигнутый исследователями Массачусетского технологического института, которые разработали первый самолет, который приводится в движение ионным ветром и не имеет движущихся частей. Nature пишет, что самолет является «замечательной машиной», добавляя, что «любой, кто наблюдает за полетом машины, наверняка увидит проблески будущего с более чистыми и бесшумными самолетами».

Полная история через Nature →

Разговор

В статье для Разговор профессор Стивен Барретт подробно описывает, как он был вдохновлен научно-фантастическими фильмами на создание самолета, который не производит шума, не имеет движущихся частей и не не требуют ископаемого топлива для работы. Барретт объясняет, что он надеется, что новая технология «может быть использована в более крупных самолетах для снижения шума и даже позволит внешней обшивке самолета создавать тягу».

Полная история через The Conversation →

Popular Science

В статье для Popular Science Роб Вергер рассказывает, как исследователи Массачусетского технологического института построили и управляли «самолетом совершенно другого типа, который движется по воздуху, используя только электричество и движение». ионов, тип бесшумного привода без движущихся частей из научной фантастики».

Полная история через Popular Science →

The Washington Post

Исследователи Массачусетского технологического института построили новый электрический самолет, который не имеет движущихся частей и приводится в движение «ионным ветром», сообщает Джоэл Ахенбах для Вашингтон Пост . Франк Плурабуэ из Университета Тулузы объясняет, что новый самолет создает «отверстие для будущего прогресса в области, которая сейчас вот-вот взорвется».

Полная история через The Washington Post →

Reuters

Репортер Reuters Уилл Данхэм пишет, что новый самолет без движущихся частей, разработанный исследователями Массачусетского технологического института, представляет собой «радикально новый подход к полетам». Самолет может однажды привести к созданию «сверхэффективных и почти бесшумных самолетов, у которых нет движущихся поверхностей управления, таких как рули или рули высоты, нет подвижной двигательной установки, такой как пропеллеры или турбины, и нет выбросов прямого сгорания, как при сжигании реактивного топлива», объясняет Проф. Стивен Барретт.

Полная история через Reuters →

Ссылки по теме

Полет самолета с твердотельным двигателем
Стивен Барретт
MIT Electric Aircraft Initiative
Power Electronics Research Group
112 MIT Lincoln Research Laboratory of 112 MIT Electronics Research Laboratory of
Другие видео от инициативы MIT Electric Aircraft Initiative
Факультет аэронавтики и астронавтики
Инженерная школа

«Марсианский двигатель» бьет рекорды по ионному движению

Боковой снимок X3, работающего на мощности 50 киловатт.

НАСА

Ионные двигатели являются одними из самых захватывающих двигательных установок для будущих исследований дальнего космоса, и жизнеспособность технологии уже продемонстрирована на десятках космических аппаратов. Двигатели ионизируют источник топлива, обычно ксенон, а затем разгоняют заряженные частицы до десятков тысяч миль в час с помощью электрических и магнитных полей. Пучок ионов, вырывающийся из задней части двигателя, является эффективным способом перемещения спутников в космическом вакууме.

Если бы ученые смогли масштабировать ионные двигатели для ускорения более крупных космических кораблей, они могли бы запускать миссии на Марс и дальше. Вот что такое проект X3.

В вакуумной камере Исследовательского центра Гленна НАСА в Огайо аспирант Мичиганского университета Скотт Холл и научный сотрудник Гленна НАСА Хани Камхави недавно запустили X3, 500-фунтовый двигатель Холла (разновидность ионного двигателя на ксеноне). ), разработанный Мичиганским университетом, НАСА и ВВС. X3 продолжал бить рекорды по рабочему току, мощности и тяге, генерируемой ионным двигателем. UM называет X3 прототипом «марсианского двигателя», одной из трех экспериментальных двигательных установок, финансируемых в рамках Партнерства НАСА «Следующие космические технологии для исследований».

«Марсианские миссии не за горами, и мы уже знаем, что двигатели Холла хорошо работают в космосе», — сказал в пресс-релизе Алек Галлимор, декан инженерного факультета Мичиганского университета, руководивший разработкой X3. «Они могут быть оптимизированы либо для перевозки оборудования с минимальной энергией и топливом в течение года или около того, либо для скорости — чтобы доставить экипаж на Марс гораздо быстрее».

Скотт Холл вносит последние коррективы в двигатель перед началом испытаний в вакуумной камере NASA Glenn.

NASA

В серии испытаний, проведенных в NASA Glenn с июля по август этого года, X3 побил рекорд по тяге, создаваемой ионным двигателем, создав 5,4 ньютона силы, что более чем на 60 процентов больше, чем у предыдущего рекорд 3,3 ньютона. X3 также побил рекорды по рабочему току (250 ампер против 112 ампер) и мощности (102 киловатта против 98 киловатт). Испытательные пожары в вакуумной камере в Гленне являются результатом более чем пятилетней работы над созданием, усовершенствованием и настройкой X3.

Ионные двигатели уже зарекомендовали себя в космосе, в первую очередь на корабле Deep Space 1, который пролетел мимо астероида Брайля и кометы Боррелли в 1999 и 2001 годах соответственно, став первым космическим кораблем, использующим преимущественно ионный двигатель. Космический корабль Dawn использовал ионный двигатель, чтобы стать первым космическим кораблем, который вышел на орбиту двух небесных тел: большого астероида Веста в 2011 году и карликовой планеты Церера в 2015 году, где космический корабль работает до сих пор. Кроме того, более 100 спутников связи используют небольшие ионные двигатели для корректировки своего орбитального положения.

Двигатель Холла использует эффект Холла для ускорения ионов и создания тяги. Эффект представляет собой разность потенциалов на электрическом токе, которая создается, когда магнитное поле размещается перпендикулярно току, что впервые было обнаружено американским физиком Эдвином Холлом в 1879 году. электроны высвобождаются и создают положительно заряженные частицы, эти ионы разгоняются с помощью двигателя Холла до невероятных скоростей. Пучок ионов, выбрасываемый двигателем, мало что может сделать в атмосфере, но в космосе условия, близкие к вакууму, позволяют ионным двигателям создавать значительное ускорение с небольшим количеством топлива по сравнению с химическими ракетными двигателями.

Вакуумная камера в Гленне в настоящее время является единственной в стране с системой вакуумного насоса, которая может работать с X3, который производит слишком много выхлопных газов для других камер. Инженеры Скотт Холл и НАСА Гленн построили буровую установку только для того, чтобы удерживать 500-фунтовый X3 и выдерживать создаваемые им силы.

«Важный момент наступает, когда вы закрываете дверь и откачиваете камеру», — говорит Холл. Поскольку для создания космического вакуума в камере Гленна требуется 20 часов откачки, каждая загвоздка на этом пути превращалась в серьезное испытание. Всякий раз, когда команде нужно было войти и настроить или отремонтировать X3, им приходилось тратить дни, постепенно заполняя камеру воздухом, ремонтируя, а затем снова выкачивая воздух из камеры.

В ходе длительных тестов Холл и Камхави работали по 12 часов в день в течение 25 дней, отведенных для испытаний X3 в вакуумной камере Гленна. Вакуумная камера в собственной лаборатории Галлимора в Мичиганском университете в настоящее время модернизируется, чтобы она могла поддерживать испытания X3, и ожидается, что камера UM будет готова к январю 2018 года. Весной 2018 года они планируют вернуться для 100-часового испытательного запуска X3, в котором будет использоваться система питания, разрабатываемая в настоящее время Aerojet Rocketdyne. Если повезет, испытания в следующем году дадут еще более обнадеживающие результаты, и тогда НАСА сможет начать думать о том, как они собираются установить одну из этих штук на космический корабль, чтобы отправить его на Марс.

Источник: Мичиганский университет.

Джей Беннетт. Заместитель редактора. Он также писал для Smithsonian, Popular Science и Outside Magazine.

Решетчатые ионные двигатели — помимо NERVA

Решетчатые ионные двигатели NSTAR, изображение любезно предоставлено НАСА

Это самый известный из электрических двигателей любого типа, и его часто сокращают до «ионный двигатель». Здесь двигатель состоит из четырех основных частей: подачи топлива, ионизационной камеры, массива проводящих сеток и излучателя нейтрализующего луча. Топливным топливом может быть все, что может быть легко ионизировано, причем первыми вариантами являются цезий и ртуть, однако они в значительной степени были заменены ксеноном и аргоном.

Схема ионного привода с сеткой, изображение предоставлено НАСА

Тип ионизационной камеры широко варьируется и является основным отличием различных типов ионного привода. Пучки частиц, радиочастотное или микроволновое возбуждение, в дополнение к возбуждению магнитным полем, — все это методы, используемые в различных ионных двигателях с сеткой на протяжении многих лет и у разных производителей. В первых конструкциях использовалось газовое перемешивание для отрыва электронов, но многие более мощные системы используют пучки частиц (в основном электронных), радиочастотное или микроволновое возбуждение или циклотронный резонанс для отрыва электронов от атомов. Эффективность ионизационной камеры и ее емкость определяют, насколько возможен массовый расход топлива, что является одним из основных ограничивающих факторов для общей тяги, возможной для двигателя.

Схема 3-сетчатого ионного двигателя, изображение предоставлено ESA

. После ионизации газ и плазма затем разделяются с использованием отрицательно заряженной сетки для извлечения положительно заряженных ионов, оставляя нейтральный газ в ионизационной камере для ионизации. В большинстве современных конструкций это также начало процесса ускорения. Часто используются две или три сетки, а вместо «сетки» часто употребляется термин «ионная оптика». Это связано с тем, что эти структуры не только извлекают и изменяют ускорение плазмы, но также формируют пучок плазмы. Количество заряда и геометрия этих решеток определяют скорость истечения ионов; и желаемый удельный импульс, создаваемый двигателем, в значительной степени определяется зарядом, подаваемым на эти экраны. Во многих конструкциях США используется более сильно заряженный внутренний экран, чтобы обеспечить лучшее разделение ионов, а разность потенциалов заряда между этой сеткой и второй ускоряет ионы. Из-за этого первую сетку часто называют экстракторной, а вторую — ускорительной сеткой. Потенциал заряда, возможный в каждой сети, является еще одним важным ограничителем возможного уровня мощности и, следовательно, максимальной скорости истечения этих двигателей.

Идеализированный рисунок износа сетки. Image Sangregorio et al CSAA 2018

Эти экраны также являются одним из основных ограничителей срока службы двигателя, поскольку ионы будут в определенной степени воздействовать на сетку, когда они проходят мимо (хотя разница в потенциале заряда плазмы в ионизационная камера между апертурами и структура сетки минимизирует это). Во многих ранних ионных двигателях с сеткой, в которых использовались высокореактивные материалы, химическое взаимодействие в сетках могло изменить проводимость этих поверхностей, вызвать более быструю эрозию и вызвать другие проблемы; переход на пропелленты из благородных газов сделал эту проблему менее важной. Наконец, геометрия решеток оказывает огромное влияние на направление и скорость самих ионов, поэтому есть множество вариантов, доступных для манипулирования этой частью двигателя.

В конце рабочего цикла, после того как ионы покидают двигатель, к потоку топлива добавляется распыление электронов, чтобы предотвратить отрицательный заряд космического корабля с течением времени и тем самым притягивать часть топлива обратно к двигателю. космических кораблей из-за того же электростатического эффекта, который использовался для их ускорения в первую очередь. Проблемы с неполной нейтрализацией ионного потока были обычным явлением в первых электростатических двигателях; а с использованием цезиевого и ртутного топлива в этих двигателях химическое загрязнение космического корабля стало проблемой для некоторых миссий. Неполная нейтрализация все еще является проблемой для некоторых конструкций двигателей, хотя эксперименты в 1970-е годы показали, что космический корабль может заземлиться без ионного потока, если дифференциальный заряд станет слишком большим. В системах с тремя сетками (или четырьмя, подробнее об этой концепции позже) окончательная сетка заменяет этот электронный луч и обеспечивает лучшую нейтрализацию плазменного луча, а также большую возможную скорость истечения.

Решетчатые ионные двигатели имеют очень привлекательный удельный импульс в диапазоне 1500-4000 секунд со скоростью истечения примерно до 100 км/с для типовых конструкций. Другой стороной медали является их низкая тяга, обычно от 20 до 100 мкН (ниже среднего даже для электродвигателей, хотя их удельный импульс выше среднего), что является ограничением при планировании миссии, но не является важным показателем. -пробка для многих применений. Усовершенствованная концепция двигателя Dual Stage 4 Grid (DS4G), разработанная Австралийским национальным университетом и Европейским космическим агентством, позволила достичь гораздо более высоких скоростей истечения за счет использования ступенчатого ионного двигателя с сеткой, до 210 км / с.

Прошлые и современные ионные двигатели с сеткой

Ионный двигатель с сеткой SERT 1, любезно предоставлено НАСА

Эти приводные системы использовались в ряде различных миссий на протяжении многих лет, начиная с миссий SERT, упомянутых в разделе истории электрических двигателей, продолжается на экспериментальной основе до демонстрационной миссии технологии Deep Space 1 — первого космического корабля, использующего ионный двигатель в качестве основного двигателя. Тот же самый двигатель, NSTAR, до сих пор используется в миссии Dawn, изучающей малую планету Церера. Компания Hughes Aircraft разработала ряд двигателей для удержания на месте для своей геосинхронной спутниковой шины (двигатель XIPS). 9Зонд 0005 Hayabusa, изображение предоставлено JAXA

JAXA использовала этот тип системы привода для своей миссии Hayabusa к поясу астероидов, но этот двигатель использовал микроволны для ионизации топлива. Этот двигатель успешно работал на протяжении всей миссии и привел в движение первый космический корабль, вернувший образец с астероида обратно на Землю.

ЕКА также использовало различные варианты этого двигателя на нескольких разных спутниках, все из которых были типами радиочастотной ионизации. ArianeSpace RIT-10 использовался в нескольких миссиях, а двигатель Qinetiq T5 успешно использовался в миссии GOCE по картированию магнитного поля Земли.

НАСА определенно не отказалось от дальнейшего развития этой технологии. Двигатель NEXT в три раза мощнее по тяге по сравнению с двигателем NSTAR, хотя он работает по схожим принципам. Режим испытаний этого двигателя был завершен, продемонстрировав 4150 с импульса впрыска и 236 мН тяги в течение испытательного срока более 48 000 часов, и в настоящее время он ожидает полета для продолжения. Это также был испытательный стенд для использования новых конструкций и материалов для многих компонентов системы привода, включая новый полый катод, изготовленный из LaB6 (сплав лантана и бора), и несколько новых материалов экрана.

HiPEP: ядерная ионная двигательная установка НАСА

HiPEP готовится к испытаниям, изображение предоставлено НАСА

Еще один проект НАСА в области ионного двигателя с сеткой, хотя тот, который с тех пор был отменен, гораздо более уместен для конкретного использования ядерной электрической двигательной установки: Электродвигатель высокой мощности (HiPEP) для миссии Jupiter Icy Moons Observer. JIMO была миссией NEP к Юпитеру, которая была отменена в 2005 году и предназначалась для изучения Европы, Ганимеда и Каллисто (эта миссия будет подробно рассмотрена позже в этой серии блогов о NEP). В HiPEP использовались два типа ионизационных камер: Электронно-циклотронно-резонансная ионизация, которая сочетает в себе использование небольшого количества свободных электронов, присутствующих в любом газе, путем их движения по кругу с магнитным удержанием ионизационной камеры с микроволнами, которые настроены на резонанс с эти движущиеся электроны для более эффективной ионизации газообразного ксенона; и ионизация постоянным током с использованием полого катода для отрыва электронов, что создает дополнительные проблемы с выходом из строя катода и поэтому является менее предпочтительным вариантом. Отказ катода такого рода — еще одна серьезная проблема для ионных приводов, поэтому возможность его устранения является значительным преимуществом, но микроволновая система в конечном итоге потребляет больше энергии, поэтому в менее энергоемких приложениях она часто не используется.

Схема HiPEP с нейтрализатором, Фостер и др. 2004

Одной очень необычной особенностью этой системы является ее форма: вместо типичной круглой разрядной камеры и решеток в этой системе используется прямоугольная конфигурация. Разработчики отмечают, что это не только делает систему более компактной для объединения нескольких блоков (уменьшая требования к массе конструкции, топлива и электрической подачи для всей системы), но и означает, что плотность тока в сетях может быть ниже. для того же электростатического потенциала, уменьшая эрозию тока в сетях. Это означает, что сеть может поддерживать запас пропускной способности 100 кг/кВт для обеих исследованных конфигураций ISP (6000 и 8000 с ISP). Наибольшее расстояние между двумя поддерживаемыми секциями сетки также может быть уменьшено, что предотвращает такие проблемы, как термическая деформация, повреждение от вибрации при запуске и электростатическое притяжение между сетками и либо топливом, либо задней частью самой ионизационной камеры. Тот факт, что это делает систему более масштабируемой с точки зрения структурной инженерии, является одним из последних преимуществ этой системы.

По мере увеличения мощности двигателя возрастают и требования к нейтрализации луча. В этом случае требуется до 9 Ампер непрерывной пропускной способности, что очень много по сравнению с большинством систем. Это означает, что нейтрализующий луч должен быть одновременно мощным и надежным. В то время как команда HiPEP обсуждает использование общей системы нейтрализации для плотно упакованных двигателей, базовая конструкция представляет собой довольно типичный полый катод, аналогичный тому, который использовался на двигателе NSTAR, но с прямоугольным поперечным сечением, а не круглым, чтобы приспособиться к различным геометрия двигателя. Также обсуждались другие концепции, такие как использование нейтрализации микроволнового луча; однако из-за успеха и долгого срока службы этого типа системы на NSTAR разработчики посчитали, что это будет самый надежный способ справиться с высокими требованиями к пропускной способности, которые требуются этой системе.

HiPEP, работающий на мощности 34 кВт, Foster et al. 2004

HiPEP последовательно выполнял свои программные рекомендации как по эффективности тяги двигателя, так и по исследованиям эрозии. Испытания системы микроволновой ионизации проводились на частотах 2,45 и 5,85 ГГц и завершились успешно. В испытании на частоте 2,45 ГГц с мощностью 16 кВт был достигнут удельный импульс 4500-5500 секунд, что позволило использовать излучатель большей мощности МВт. Ионизационная камера 5,85 ГГц тестировалась при многократных токовых нагрузках от 9,7 до 390,3 кВт, достиг максимального удельного импульса 9620 с и показал явное увеличение тяги почти до 800 мН во время этого испытания.

К сожалению, с отменой JIMO (программа, к которой мы будем часто возвращаться, продолжая рассматривать NEP), потребность в мощном ионном двигателе с сеткой (и в средствах для его питания) отпала. Подобно судьбе NERVA и почти всех когда-либо созданных атомных космических кораблей, отмена миссии, для которой он предназначался, означала похоронный звон по системе двигателей. Тем не менее, HiPEP остается в книгах как привлекательный, мощный ионный двигатель с сеткой, когда космический корабль NEP станет реальностью.

DS4G: Вдохновленные исследованиями Fusion высокопроизводительные двигатели для путешествий к краю Солнечной системы

Двигатель DS4G, все изображения Bramanti et al. 2006

Ионный привод Dual Stage 4 Grid (DS4G), пожалуй, самый эффективный электрический привод когда-либо предложенная система, предлагающая удельный импульс более 10 000 секунд. Хотя есть некоторые приводные системы с более высоким ISP, они либо являются редкими концепциями (например, ракета на осколках деления, концепция, которую мы рассмотрим в следующем посте), либо имеют трудности в процессе разработки (например, производные Orion, которые идут вразрез с запретами на испытания ядерного оружия и договорными ограничениями, касающимися использования ядерных взрывных устройств в космосе).

Схема DS4G в разрезе с ионизационной камерой вверху

Так как же работает эта конструкция? Традиционные ионные приводы используют либо две сетки (например, привод HiPEP), объединяя этапы вывода и ускорения в этих сетках, а затем используют полый катод или эмиттер электронов для нейтрализации пучка, либо используют три сетки, где вместо третьей используется третья сетка. полый катод. В любом случае, это очень близко расположенные сетки, что имеет свои преимущества, но также и пару недостатков: комбинация системы извлечения и системы ускорения приводит к компромиссу между эффективностью извлечения и возможностью ускорения, а близкое расстояние ограничивает возможное ускорение порохов. DS4G, как следует из названия, работает немного по-другому: есть две пары решеток, каждая пара находится рядом со своим партнером, но дальше от другой пары, что позволяет увеличить длину ускорительной камеры и, следовательно, более высокую скорость выхлопа. , а расстояние между сеткой извлечения и конечной сеткой ускорения позволяет лучше оптимизировать каждую из них для своих индивидуальных целей. Дополнительным преимуществом является то, что плазменный пучок топлива лучше коллимирован, чем у традиционного ионного двигателя, а это означает, что привод может работать более эффективно с массой топлива, еще больше увеличивая удельный импульс.

Концептуальная схема DS4G (вверху) по сравнению с ионным двигателем с тремя сетками (внизу)

Однако эта конструкция возникла не из ниоткуда. Фактически, в большинстве термоядерных реакторов типа токамак используется устройство, очень похожее на ионный двигатель, для ускорения пучков водорода до высоких скоростей, но для того, чтобы пройти через сильные магнитные поля, окружающие реактор, атомы не могут быть ионизированы. Это означает, что очень эффективный нейтрализатор должен быть прикреплен к задней части того, что фактически является ионным двигателем… и все эти конструкции используют четыре экрана, а не три. Доктор Дэвид Ферн знал об этих устройствах и решил попытаться адаптировать их к космическим двигателям с помощью ЕКА, что привело к созданию прототипа испытательного стенда в 2005 году в сотрудничестве с Австралийским национальным университетом. Для блока производства плазмы была разработана система радиочастотной ионизации, а для ионной оптики прототипа двигателя — электрическая система на 35 кВ. Это не было оптимизировано для использования в космосе; скорее, он использовался как недорогой испытательный стенд для тестирования геометрии оптики и общего устранения неполадок концепции. 2, которая была замечена на втором этапе испытаний.

В испытательной камере CORONA ЕКА в 2005 и 2006 годах было проведено два очень успешных испытания, результаты которых можно увидеть в таблицах выше. В первой серии испытаний использовалась конструкция с одной апертурой, которая, хотя и была крайне неэффективной, была достаточно хороша для демонстрации концепции; позже он был модернизирован до конструкции с 37 апертурами. Итоговые результаты испытаний в 2006 г. показали впечатляющие удельный импульс (14000-14500 с), тягу (2,7 мН), электрический, массовый и полный КПД (0,66, 0,96 и 0,63 соответственно). Команда уверена, что общая эффективность этой конструкции может составить около 70% после завершения оптимизации.

Остаются серьезные инженерные проблемы, но нет ничего такого, что невероятно отличалось бы от любого другого мощного ионного двигателя. Действительно, многие сложности, связанные с ионной оптикой и воздействием электростатического поля в плазменной камере, в значительной степени устранены благодаря конструкции с 4 сетками. К сожалению, в настоящее время нет миссий, которые имеют финансирование, требующее этого типа двигателя, поэтому он остается в книгах как «жизнеспособный, но нуждается в некоторой окончательной доработке для применения», когда есть мощная миссия во внешние области Солнечной системы.

Цезиевые контактные двигатели: ионно-решетчатые двигатели на жидкометаллическом топливе

Как мы видели в нашем блоге об истории электрических двигателей, многие из первых ионно-решетчатых двигателей работали на цезии (Cs). Эти системы работали хорошо, и преимущества легко хранимого, легко ионизируемого, нелетучего топлива (по крайней мере, в паровом выражении) были значительными. Однако цезий также является химически активным металлом и к тому же токсичен, поэтому к концу 1970-х годов разработка этого типа двигателя была остановлена. В качестве дополнительной проблемы из-за неэффективной и неполной нейтрализации пучка катодами, доступными в то время, загрязнение космического корабля ионами Cs (а также потеря тяги) были серьезной проблемой для двигателей того времени.

Возможно, наиболее полезной частью двигателя этого типа является система подачи топлива, поскольку она может применяться для многих различных металлов с низкой температурой плавления. Само топливо хранилось в виде жидкости в пористой металлической губке из никеля, прикрепленной к двум резистивным нагревателям из вольфрама. Регулируя размер пор губки (называемой в документации Feltmetal), скорость потока Cs легко, надежно и просто контролируется. Для подачи Cs в испаритель, изготовленный из пористого вольфрама и нагреваемый двумя резистивными нагревателями, использовались фитили из металлических губок с градуированными порами. Затем его подавали в контактный ионизатор, и после ионизации пропеллент ускоряли с помощью двух экранов.

Как мы увидим в разделе о ракетном топливе, после рассмотрения двигателя на эффекте Холла цезий (а также другие металлы, такие как барий) может сыграть свою роль в будущем электрических двигателей, и посмотрев на решения прошлое может помочь развитию идей в будущем.

Ксеноновый двигатель. Ионный двигатель — новые космические горизонты

Устройство ионно плазменного двигателя

Применение ионных двигателей

Зачем использовать ионные двигатели?

Космические двигатели будущего

Создание ионного двигателя

Устройство ионно плазменного двигателя

Устройство ионно плазменного двигателя

Плазменный двигатель от МИФИ испытают в космосе до конца года

Вы знаете больше и готовы рассказать?

Ионный двигатель | это… Что такое Ионный двигатель?

Содержание

История

Принцип действия

Перспективы

Действующие миссии

Планируемые миссии

Нереализованные проекты

Примечания

См. также

Ссылки

«Ионный двигатель толкает российскую экономику и науку вперед» в блоге «Наука»

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]

Самый мощный ионный двигатель прошёл проверку

Усовершенствованные ионные двигатели откроют пределы Солнечной системы

Как работает ионный двигатель?

Питание серьезного космического корабля

Препятствие для проектирования

Раскрытие потенциала кольцевых ионных двигателей

Приложения

Состояние разработки технологии

Перспективный план развития

Ионный двигатель будет питать новую космическую станцию ​​

Инженеры Массачусетского технологического института запускают первый в мире самолет без движущихся частей | Новости Массачусетского технологического института

Ионный двигатель будет питать новую космическую станцию