Ракетный двигатель ионный: Ионные ракетные двигатели: прошлое, настоящее и будущее

Двигатели для космических кораблей схема

Технология находится в процессе разработки!

• Ионный двигатель создает возможность разогнать космический аппарат в условиях невесомости до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих типов космических двигателей.
• Сущность, строение и принцип работы ионного двигателя
• Схема ионного двигателя
• Преимущества ионного двигателя
• Перспективы применения ионных двигателей
• Достигнутые технические характеристики ионного двигателя
• Применение ионных двигателей

Сущность, строение и принцип работы ионного двигателя:

Ионный двигатель – тип электрического ракетного двигателя, принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.

Впервые устройство ионного двигателя было предложено русским ученым К.Э. Циолковским в 1906 г. В дальнейшем осуществлялось теоретическая проработка данного вопроса. В настоящее время происходит его практическое воплощение.

Ионный двигатель работает, используя ионизированный газ и электричество.

Рабочим телом, как правило, является ионизированный инертный газ (аргон, ксенон и т. п.), но иногда и ртуть.

Инертный газ подается в ионизатор (газоразрядную, ионизирующую камеру) ионного двигателя.  Сам по себе газ нейтрален, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется.

Зажигание двигателя инициируется кратковременной подачей электронов, эмитируемых в газоразрядную (ионизирующую) камеру.  В ионизаторе высокоэнергетические электроны производят ионизацию рабочего тела – газа.

 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 (положительно-заряженной и отрицательно-заряженной).

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 космический аппарат, согласно третьему закону Ньютона.

Электроны, пойманные в катодную трубку (нейтрализатор), выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов.

Для выработки электричества используются солнечные батареи. Но в дальнейшем планируется использовать ядерные установки.

Использование внешнего магнитного поля в ионном двигателе позволяет повысить энергоэффективность системы.

Ионные двигатели характеризуются высоким импульсом. Они расходуют малое количество газа для совершения маневра.

Схема и устройство ионного двигателя:

Рис. 1. Устройство ионного двигателя

@ https://go2starss.narod.ru/pub/E025_ID.html

Преимущества ионного двигателя для космического аппарата:

1. – создает возможность разогнать космический аппарат в условиях невесомости до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих типов космических двигателей,
2. – расходует меньше топлива, чем обычные реактивные двигатели,
3. – 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,
4. – для функционирования ионного двигателя достаточно небольшой электрической мощности – от 150 до 500 Ватт. Двигатели мощностью от 150 до 500 Ватт могут быть установлены на малые космические аппараты,
5. – низкая рабочая температура в отличии от обычных реактивных двигателей, 
6. – рабочее тело не обязательно должно быть высокой степени чистоты в отличии от обычного топлива в химических ракетах,
7. – простота сборки и эксплуатации конструкции,
8. – ионный двигатель позволит увеличить срок эксплуатации космических аппаратов в 2-3 и более раза,
9. – для путешествия на Марс (и обратно) достаточно ионного двигателя мощностью порядка 50 кВт.

Перспективы применения ионных двигателей:

Применение ионных двигателей в космических аппаратах открывает новые перспективы развития космонавтики, в частности, запускаемых космических аппаратов.

Современные тенденции таковы, что доля запускаемых тяжелых космических аппаратов (свыше 1000 кг) неуклонно снижается и составляет порядка не более 30% от всех запусков.

Все более востребованными становятся малые космические аппараты, имеющие вес от 100 кг до 500 кг, находящиеся на низкой орбите до 1000 км. и функционирующие продолжительное время – в течение 5-10 лет.

К малым космическим аппаратам относятся спутники и системы мобильной связи и радионавигации, мониторинга Земли, атмосферы и околоземного космического пространства.

Ионные двигатели в ближайшем будущем позволят заменить двигатели орбитального движения малых космических аппаратов, что увеличит срок их активной работы (эксплуатации) в 2-3 раза и продлит срок их жизни с 2-3 лет до 5-10 лет.

В отдаленной перспективе планируется оснащать все, в т.ч. тяжелые, космические аппараты ионными двигателями, что позволит совершать путешествия к далеким планетам и звездам, пилотируемые экспедиции к планетам Солнечной системы, тяжелые транспортные перелеты.

Достигнутые технические характеристики ионного двигателя. Тяга, скорость, КПД ионного двигателя:

Применение ионных двигателей:

• – управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли (в настоящее время),
• – главный тяговый двигатель небольшой автоматической космической станции (в настоящее время),
• – главный тяговый двигатель тяжелых космических аппаратов (в будущем).

Источник: https://cyclowiki. org/wiki/Ионный_двигатель, https://go2starss.narod.ru/pub/E025_ID.html

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com, https://go2starss.narod.ru/pub/E025_ID.html

карта сайта

российский новый ионный реактивный космический двигатель принцип работы своими руками для космических аппаратов в россии x3 википедия холла видео ksp купить перспективы
тяга схема принцип действия устройство работа ионного двигателя на эффекте холла
ионно плазменный двигатель на катушке тесла в домашних условиях кпд импульс
как сделать работает самый мощный высокочастотный ионный двигатель для дальнего космоса наса леонова
китай создал новый ионный двигатель 2759

Как работает ионный двигатель и где он применяется

Ученые уже придумали или готовятся придумать много новых типов двигателей для космических кораблей. Самые смелые предположения даже говорят про варп-двигатель, который должен разгонять корабль до скоростей, в несколько раз превышающих скорость света за счет искривления пространства в мощном гравитационном поле.

Пока это только фантастика, которая скоро может стать перспективой. Зато ионные двигатели уже существуют и даже применяются. Они уже на данном этапе могут развивать скорости в несколько раз выше тех, что предлагают традиционные ракетные двигатели. Правда, они не могут отправить ракету в космос. Вот такие противоречия.

Но как же тогда работает ионный двигатель и почему на данном этапе это действительно является технологией будущего?

Такой двигатель может разгоняться до очень больших скоростей.

Как работает ионный двигатель

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

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

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

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

Схематичное изображение работы ионного двигателя.

Электроны, которые попали в катодную ловушку, должны быть удалены с борта корабля, чтобы он сохранял нейтральный заряд, а выброшенные ионы не притягивались обратно, снижая эффективность установки.

Выброс электронов осуществляется через отдельное сопло под небольшим углом к струе ионов.

Таким образом, что произойдет в их взаимодействии после покидания двигателя, уже не так важно, ведь они не мешают движению корабля.

Преимущества ионного двигателя для космического корабля

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

Как работает самый совершенный ракетный двигатель. Но не ионный.

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

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

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

Недостатки ионных двигателей

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

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

Получается, что использование таких двигателей для дальних путешествий пока невозможно без традиционных тяговых установок на химическом топливе.

Зато, их совместное использование позволит гораздо более гибко пользоваться ускорением.

Например, за счет обычного двигателя разгонять аппарат до более менее высокой скорости, а потом ускоряться еще больше за счет ионного двигателя.

Покорение дальнего космоса без новых технологий невозможно.

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

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

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

Где используются ионные двигатели

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

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

Космический аппарат BepiColombo.

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

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

Астрономы открыли новый тип взрывов в космосе

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

Когда изобрели ионный двигатель

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

Роберт Годдард.

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

Первый аппарат в космосе с ионным двигателем.

По сути, ионный двигатель является первым электрическим космическим двигателем, но его надо было дорабатывать и совершенствовать.

Этим и занимались долгие годы, а в 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе.

Показанный тогда малый КПД и низкая тяга надолго отбили желание американской космической промышленности пользоваться такими двигателями.

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

В СССР разработки продолжались и после этого времени. И европейское, и американское космические агентства вернулись к этой идее.

Сейчас исследования продолжаются, а выведенные на орбиту образцы двигателей, хоть и не могут быть главным тяговым элементом управления, но зато проходят ”проверку боем”. Собранная информация позволит увеличить мощность ионного двигателя.

По разной информации, так удалось увеличить тягу самого мощного подобного двигателя более чем до 5 Н. Если это так, то все действительно не зря.

Как это работает. Ракетный двигатель

 Объединенная двигателестроительная корпорация

Полеты в космос, одно из самых вдохновляющих достижений человечества, невозможны без ракетного двигателя. С одной стороны, принцип его работы максимально прост, а с другой – всего несколько стран могут похвастаться ракетными двигателями собственного производства.

С момента старта Гагарина и по сей день все российские космонавты поднимаются с поверхности Земли двигателями РД-107/108. Серийное производство этих исключительно надежных двигателей продолжается на самарском предприятии Ростеха «ОДК-Кузнецов». Рассказываем о том, как устроен и работает космический двигатель-долгожитель РД-107/108.  

Космически просто

И правда, объяснить принцип действия реактивных двигателей, к которым относятся и ракетные двигатели, можно даже ребенку. Для этого достаточно отпустить надутый воздушный шарик, который под влиянием выталкиваемого воздуха полетит в противоположном направлении.

Движение и шарика, и ракеты происходит согласно третьему закону Ньютона: действию всегда есть равное и противоположное противодействие. Действие из ничего не возникает. Чтобы обеспечить действие, требуется энергия. В шарике это потенциальная энергия сжатого, в меру возможностей ваших легких, воздуха.

Отличие ракеты заключается в том, что для выхода за пределы атмосферы требуется выбрасывать большие массы вещества с очень большой скоростью, что требует подвода огромного количества энергии. Это и делает ракетный двигатель.

Космический центр «Восточный» / Роскосмос

Самым распространенным типом двигателей для космических программ сегодня являются жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), в которых в качестве топлива используются жидкие горючее и окислитель. К этому типу относится и российский РД-107/108.

Жидкостные двигатели – на сегодняшний момент самые мощные и универсальные ракетные двигатели, с помощью которых совершается большинство полетов в космос. Они отличаются высоким удельным импульсом, то есть при меньшей массе израсходованного топлива создают большую тягу.

Кроме того, ЖРД позволяют активно управлять уровнем тяги и могут использоваться много раз.

При этом по сравнению с другими видами ракетных двигателей, например твердотопливными, они значительно сложнее и дороже, поэтому основная их сфера применения – космонавтика и обеспечение выведения орбитальных и межпланетных аппаратов.

Как работает жидкостный ракетный двигатель 

Чтобы получить полезное действие, достаточное для прорыва в космос, нужно получить большое количество энергии − эффективно сжечь большое количество топлива. Как известно, любой процесс горения представляет собой химическую реакцию окисления.

И если на Земле для других видов тепловых двигателей в качестве окислителя можно использовать атмосферный кислород, то для ракетного двигателя, и тем более в космосе, окислитель и горючее надо иметь непосредственно на ракете, и лучше всего в максимально плотном и удобном для подачи жидком виде.

 В РД-107/108 в качестве окислителя используется жидкий кислород, а в качестве горючего – керосин.

 Объединенная двигателестроительная корпорация

В камере сгорания подаваемые специальными насосами в нужном количестве и с необходимым давлением окислитель и горючее смешиваются и сгорают.

Горячие (с температурой в несколько тысяч градусов) продукты сгорания в конструкции особого профиля – сверхзвуковом сопле Лаваля – разгоняются до многократно сверхзвуковых скоростей и уходят в пространство.

Если умножить сумму секундных расходов масс горючего и окислителя на скорость выхода продуктов сгорания из сопла, можно в первом приближении получить силу тяги двигателя. Так, в общих чертах, можно описать схему работы жидкостного ракетного двигателя. 

Устройство РД-107/108

Двигатель РД-107/108 состоит из четырех камер сгорания, турбонасосного агрегата, газогенератора, испарителя азота для наддува баков ракеты и комплекта агрегатов автоматики. Для управления полетом ракеты на двигателях имеются рулевые камеры: два на РД-107 и четыре на РД-108.

Несоизмеримые с возможностями существующих металлов температуры горения и продуктов сгорания, большое количество выделяемого тепла требуют охлаждения стенок камеры сгорания и сопла.

В РД-107/108 эта инженерная задача решается двухстеночной конструкцией камеры сгорания и сопла и организацией охлаждения стенки со стороны горячего тракта подачей горючего (керосина) в камеру сгорания через межстеночные пространства.

Вторая особенность РД-107/108 − открытая схема сброса генераторного газа. Окислитель и горючее хранятся в отдельных баках и подаются в систему с помощью турбонасосного агрегата (ТНА).

Для привода насосов горючего и окислителя используется турбина, в качестве рабочего тела для которой используется парогаз – продукт каталитического разложения пероксида водорода.

Выхлопы турбины выбрасываются за срез сопла. 

Рекордсмен космоса

Разработка двигателей РД-107 и РД-108 проходила в 1954–1957 годах под руководством выдающегося конструктора Валентина Глушко. Двигатели предназначались для первой в мире межконтинентальной баллистической ракеты Р-7, модификация которой в 1957 году доставила в космос первый искусственный спутник Земли.

В 1961 году двигатели обеспечили первый полет человека в космос. На протяжении более 60 лет российские ракеты «Союз» поднимаются в небо с помощью двигателей РД-107/108 и их модификаций.

Серийное производство двигателей налажено на самарском заводе «ОДК-Кузнецов», входящем в Объединенную двигателестроительную корпорацию Ростеха.

Программа РД-107/108 продолжает развиваться, создаются новые модификации – всего разработано 18 вариантов для различных программ. Сегодня модификациями двигательных установок РД-107А/РД-108А оснащаются I и II ступени всех ракет-носителей среднего класса типа «Союз». Все пилотируемые и до 80% грузовых космических кораблей в России взлетают благодаря этим двигателям.

РД-107/108 уже поставил свой космический рекорд по долголетию. Конечно, когда-нибудь и его время пройдет, но сегодня запас для совершенствования двигателя еще не исчерпан.

Галерея

Жидкостные ракетные двигатели дали возможность выйти человеку в космос — на околоземные орбиты. Но скорость истечения реактивной струи в ЖРД не превышает 4,5 км/с, а для полетов на другие планеты нужны десятки километров в секунду. Возможным выходом является использование энергии ядерных реакций.

Практическое создание ядерных ракетных двигателей (ЯРД) вели только СССР и США. В 1955 году в США началась реализация программы «Rover» по разработке ядерного ракетного двигателя для космических кораблей.

Через три года, в 1958 году, проектом стало заниматься НАСА, которое поставило конкретную задачу для кораблей с ЯРД — полет на Луну и Марс.

С этого времени программа стала называться NERVA, что расшифровывается как — «ядерный двигатель для установки на ракеты».

К середине 70-х годов в рамках этой программы предполагалось спроектировать ЯРД с тягой около 30 тонн (для сравнения у ЖРД этого времени характерная тяга была примерно 700 тонн), но со скоростью истечения газов — 8,1 км/с. Однако, в 1973 году программа была закрыта из-за смещения интересов США в сторону космических челноков.

В СССР проектирование первых ЯРД велось во второй половине 50-х годов. При этом советские конструкторы, вместо создания полномасштабной модели, стали делать отдельные части ЯРД. А потом эти наработки испытывались во взаимодействии со специально разработанным импульсным графитовым реактором (ИГР).

В 70—80-е годы прошлого века в КБ «Салют», КБ «Химавтоматики» и НПО «Луч» были созданы проекты космических ЯРД РД-0411 и РД-0410 с тягой 40 и 3,6 т соответственно. В течение процесса проектирования были изготовлены реактор, «холодный» двигатель и стендовый прототип для проведения испытаний.

Принципиальная и конструктивная схемы взрыволета А. Д. Сахарова

В июле 1961 года советский академик Андрей Сахаров сообщил о проекте ядерного взрыволета на совещании ведущих атомщиков в Кремле. Взрыволет имел обычные жидкостные ракетные двигатели для взлета, в космосе же предполагалось взрывать небольшие ядерные заряды.

Возникающие при взрыве продукты деления передавали свой импульс кораблю, заставляя его лететь. Однако 5 августа 1963 года в Москве был подписан договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой.

Это послужило причиной закрытия программы ядерных взрыволетов.

ракетный двигатель РД-0410

Возможно, что разработки ЯРД опережали свое время. Однако они не были слишком преждевременными. Ведь подготовка пилотируемого полета к другим планетам длится несколько десятилетий, и двигательные установки для него должны готовиться заранее.

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) — реактивный двигатель, в котором энергия, возникающая при ядерной реакции распада или синтеза, нагревает рабочее тело (чаще всего, водород или аммиак).

Существует три типа ЯРД по виду топлива для реактора:

• твердофазный;
• жидкофазный;
• газофазный.

Наиболее законченным является твердофазный вариант двигателя. На рисунке изображена схема простейшего ЯРД с реактором на твердом ядерном горючем. Рабочее тело располагается во внешнем баке.

С помощью насоса оно подается в камеру двигателя. В камере рабочее тело распыляется с помощью форсунок и вступает в контакт с тепловыделяющим ядерным топливом.

Нагреваясь, оно расширяется и с огромной скоростью вылетает из камеры через сопло.

Жидкофазный — ядерное топливо в активной зоне реактора такого двигателя находится в жидком виде. Тяговые параметры таких двигателей выше, чем у твердофазных, за счет более высокой температуры реакторе.

В газофазных ЯРД топливо (например, уран) и рабочее тело находится в газообразном состоянии (в виде плазмы) и удерживается в рабочей зоне электромагнитным полем. Нагретая до десятков тысяч градусов урановая плазма передает тепло рабочему телу (например, водороду), которое, в свою очередь, будучи нагретым до высоких температур и образует реактивную струю.

Принцип действия ЯРД

По типу ядерной реакции различают радиоизотопный ракетный двигатель, термоядерный ракетный двигатель и собственно ядерный двигатель (используется энергия деления ядер).

Интересным вариантом также является импульсный ЯРД — в качестве источника энергии (горючего) предлагается использовать ядерный заряд. Такие установки могут быть внутреннего и внешнего типов.

Основными преимуществами ЯРД являются:

• высокий удельный импульс;
• значительный энергозапас;
• компактность двигательной установки;
• возможность получения очень большой тяги — десятки, сотни и тысячи тонн в вакууме.

Основным недостатком является высокая радиоционная опасность двигательной установки:

• потоки проникающей радиации (гамма-излучение, нейтроны) при ядерных реакциях;
• вынос высокорадиоактивных соединений урана и его сплавов;
• истечение радиоактивных газов с рабочим телом.

Поэтому запуск ядерного двигателя неприемлем для стартов с поверхности Земли из-за риска радиоактивного загрязнения.

Купить поддоны Дмитров, mail. На сайте tureckie-serialy.online последнее лето онлайн турецкий сериал на русском.

Ионный двигатель

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.

• 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).
• 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 тут,тут и тут) — 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.

Так вот, исследователи из Лаборатории реактивного движения НАСА считают, что как минимум частично покончили с этой проблемой.

При большой тяге ионы в двигателе врезаются в анод, что ведёт к анодному разбрызгиванию. Чем выше тяга двигателя и скорость ионов, тем быстрее, следовательно, будет эродировать анод.

Стенки из нитрида бора — самое уязвимое место ионного двигателя, однако магнитное поле смогло повысить их предельный ресурс в 500–1 000 раз.

Они попробовали изолировать стенки анода (на базе нитрида бора) от положительных ионов магнитным полем. А линии такого магнитного поля были параллельны поверхности стенок, и по ним заряженные частицы уносились прочь, не трогая стенок.

Решение, при всей его очевидности, оказалось довольно эффективным: скорость эрозии упала в 500–1 000 раз.

Испытания проводились на ИД, основанном на эффекте Холла и потребляет значительное количество электроэнергии — около 25КВатт на создание силы тяги в 1 ньютон…

Разумеется, это не конец всех проблем.

При дальнейшем масштабировании ИД энергия ионов может оказаться такой, что на защитное магнитное поле либо не хватит располагаемой электрической мощности, либо даже при её наличии обеспечить защиту от ионов полностью не получится. И всё же это решительный шаг вперёд — такое замедление эрозии делает принципиально возможной отправку даже весьма тяжёлого корабля к относительно удалённым объектам Солнечной системы.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Applied Physics Letters .

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 Первый автомобиль с ядерным двигателем Оригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз. рф Ссылка на статью, с которой сделана эта копия — http://infoglaz.ru/?p=14217

Новости и полезные статьи | АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ»

Об этом шла речь 30 марта 2022 года на семинаре Госкорпорации «Росатом» «Управляемый термоядерный синтез и плазменные технологии» с участием ведущих ученых и экспертов в области термоядерных и плазменных технологий.

В мероприятии приняли участие представители Росатома и его предприятий (АО «ВНИИНМ», АО «Наука и инновации», АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» и других), НИЦ «Курчатовский институт», АО ГНЦ «Центр Келдыша», НИУ «МЭИ». Участники семинара обсудили результаты исследований и перспективы создания плазменных ракетных двигателей в России. Работы по этим направлениям включены в третий федеральный проект комплексной программы «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в Российской Федерации на период до 2024 года» (КП РТТН).

Виктор Ильгисонис, руководитель федерального проекта, директор направления научно-технических исследований и разработок Госкорпорации «Росатом», объяснил необходимость создания плазменных ракетных двигателей грядущим освоением дальнего космоса и обеспечением необходимого паритета в этой области. Этому способствуют возможность летательных аппаратов оперативно менять околоземную орбиту и траекторию, маневрировать при необходимости. «В третьем федеральном проекте мы остановились на трех направлениях создания электрореактивного ракетного двигателя (ЭРД): электростатический (ионный и холловский), магнитоплазменный ускоритель и безэлектродный плазменный ракетный двигатель (БПРД). Два первых направления достаточно хорошо изучены нашими учёными и понятны, третье направление – новая концепция, которая получила развитие в XXI веке. В основе лежит идея независимого нагрева плазменного рабочего тела с использованием циклотронного резонанса. Работы по программе распределены между тремя исполнителями: ГНЦ РФ ТРИНИТИ (входит в научный дивизион Росатома – АО «Наука и инновации») – магнитоплазменные ускорители, ГНЦ «Центр Келдыша» – ионный и холловские (плазменный) двигатели, НИЦ «Курчатовский институт» реализует задачу построения безэлектродного плазменного ракетного двигателя (БПРД)», – рассказал он.

Константин Гуторов, руководитель проекта в АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ», представил концепцию создания прототипа плазменного ракетного двигателя с повышенными параметрами тяги и удельного импульса на базе магнитоплазменного ускорителя, позволяющего эффективно использовать мощность источника энергии. «Разработку прототипа плазменного ракетного двигателя в ГНЦ РФ ТРИНИТИ планируем завершить в 2024 году. На данный момент на квазистационарном плазменном ускорителе продемонстрирован удельный импульс выше 100 км/с для водородной плазмы в режиме однократных импульсов, что позволяет достигнуть целевых показателей прототипа при переходе в частотный режим работы и иметь тяговую мощность в 300 кВт при КПД выше 55%», – сказал руководитель проекта.

Александр Ловцов, научный руководитель ГНЦ «Центр Келдыша», рассказал на семинаре о развернутых работах по разработке модулей электрореактивного ракетного аппарата на базе холловского и ионного двигателей нового поколения. «На данный момент нами разработан эскизный проект на модуль электрореактивного ракетного двигателя максимальной мощностью 250 кВт, который включает три ионных двигателя номинальной мощностью 80 КвТ и максимальной 100 кВт. Кроме этого, разработаны, изготовлены и испытаны макеты ключевых элементов этого модуля. К 2024 году мы планируем завершить его изготовление и приступить к испытаниям», – поделился он результатом проделанной работы.

Сергей Коробцев, заместитель начальника научного комплекса НИЦ «Курчатовский институт», рассказал о создании мощного безэлектродного плазменного ракетного двигателя и его конкурентных преимуществах перед традиционными ионными и холловскими. В частности, он отметил, что разработка макета прототипа БПРД мощностью 100 кВт будет завершена в 2022 году (уточнить у спикера корректность цифры), далее на модернизированном стенде Е-1 в импульсном режиме будут исследоваться его основные характеристики. Среди основных преимуществ БПРД ученый выделил увеличение ресурса из-за отсутствия электродов, практически полное использование рабочего тела (газа), оперативное (без конструкционных изменений) регулирование в широком диапазоне отношения тяга-удельный импульс. Также для его работы не требуются компенсаторы объемного заряда. «Обеспечивая длительное крейсирование в околоземном пространстве, мощные БПРД с ядерными/солнечными установками позволят разработать космические системы наблюдения, связи и управления, сделают возможным перехват нежелательных объектов, в том числе космического мусора и астероидов, позволят организовать транспортные потоки между космическими объектами, сделают реальным устройство космических станций различного назначения. Получаемые возможности обеспечат паритет космического потенциала нашей страны и ее суверенитет», – рассказал Сергей Коробцев. 

Подводя итоги семинара, ученые сошлись во мнении, что на сегодняшний день основные сложности в разработке плазменных ракетных двигателей разной конфигурации связаны с достижением компромисса между мощностью и ресурсом работы. Поэтому любые исследования, посвященные уменьшению взаимодействия плазмы со стенками исключительно важны и дают новое знание о возможностях развития. Кроме этого, участники обсудили возможность формирования единых отраслевых методик на базе важных диагностических исследований, которые проводятся в рамках третьего федерального проекта.  

Для справки:

Семинар «Управляемый термоядерный синтез и плазменные технологии» задуман как единая площадка для обсуждения научных вопросов, относящихся к исследованиям по разработке термоядерных и плазменных технологий. Он призван способствовать интеграции усилий разработчиков различных ведомств – институтов Росатома, организаций, подведомственных Минобрнауки России, НИЦ «Курчатовский институт». Работы по этой тематике выполняются в рамках федерального проекта «Разработка технологий управляемого термоядерного синтеза и инновационных плазменных технологий», включенного в КП РТТН.

Первый семинар по управляемому термоядерному синтезу и плазменным технологиям состоялся в Госкорпрации «Росатом» 25 февраля 2022 года. На нем участники обсудили этапы модернизации существующей инфраструктуры и создание нового экспериментальной установки – токамака с реакторными технологиями (ТRТ), который планируется построить в ГНЦ РФ ТРИНИТИ к 2030 году, а также вопросы, связанные с его оснащением магнитной системой из высокотемпературного сверхпроводника второго типа (ВТСП-2).

Материал предоставлен пресс-службой АО «Наука и инновации»

Ионный двигатель — принцип работы, история и перспективы. Что такое ионный двигатель Ионный ракетный двигатель

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.

Плазма между анодом и катодом ионного двигателя.

Фотография: Joao Duarte / eLab hackerspace

Португалец Жуан Дуарте собрал в домашних условиях простую рабочую модель ионного двигателя. Рассказ о своем проекте разработчик опубликовал на портале eLab hackerspace. В его двигателе используются несколько держателей, подставка, корпус и сопло, напечатанные из пластика на 3D-принтере, семь гвоздей, семь медных трубок и высоковольтный трансформатор.

При строительстве ионного двигателя важна высокая электрическая проводимость всех элементов. Для ее увеличения Дуарте покрыл гвозди тонким слоем меди. Он зачистил гвозди от ржавчины, а затем опустил их вместе с окислившимися медными монетами в раствор соли и уксуса. Благодаря меднению электрическая проводимость на поверхности гвоздей увеличилась.

Затем португалец взял медную трубу диаметром два сантиметра и нарезал ее на пять частей длиной пять сантиметров каждая. После этого Дуарте распечатал на принтере держатели для трубок и гвоздей, подставку, кожух двигателя и сопло. Для эффективной работы ионного двигателя кончики медненных гвоздей должны находиться точно в центре окружности медных трубок.

На каком расстоянии от трубок следует разместить гвозди от трубок Дуарте не уточнил, но отметил, что оно должно быть одинаковым для всех гвоздей. Для регулирования тяги португалец сделал держатель с гвоздям подвижным в горизонтальной плоскости. К трубкам и гвоздям Дуарте подключил трансформатор, способный выдавать напряжение в девять киловольт и силу тока в 50 миллиампер.

В конструкции двигателя гвозди выступают в качестве катода, а медные трубки — анода. При включении напряжения воздух вокруг гвоздей ионизируется и притягивается анодом, возникает воздушный поток, который и формирует незначительную тягу за соплом двигателя. Сдвинутся с места такая силовая установка не может, но способна колыхать обрезки бумаги.

Концепцию ионного двигателя впервые предложил американский ученый Роберт Годдард. В 1954 году технологию детально описал ученый Эрнст Штулингер, а первый функционирующий двигатель был собран в 1959 году в NASA. Он смог проработать на протяжении 31 минуты. В качестве маршевого двигателя ионная силовая установка была впервые использована на космическом аппарате Deep Space в 1998 году.

Современные ионные двигатели способны непрерывно работать на протяжении трех лет. В них для создания реактивной тяги используются как правило аргон или ксенон. Эти инертные газы разгоняются в электрическом поле. Положительными качествами ионного двигателя является малое энергопотребление и расход топлива, а серьезным недостатком — микроскопическая тяга, составляющая до 250 миллиньютонов.

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.

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).

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

Технология находится в процессе разработки!

Ионный двигатель создает возможность разогнать космический аппарат в условиях невесомости до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих типов космических двигателей.

Сущность, строение и принцип работы ионного двигателя:

– тип электрического ракетного двигателя
, принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.

Впервые устройство ионного двигателя
было предложено русским ученым К.Э. Циолковским в 1906 г. В дальнейшем осуществлялось теоретическая проработка данного вопроса. В настоящее время происходит его практическое воплощение.

Работает, используя ионизированный газ и электричество
.

Рабочим телом, как правило, является ионизированный инертный газ (аргон, ксенон и т. п.), но иногда и ртуть.

Инертный газ подается в ионизатор (газоразрядную, ионизирующую камеру) ионного двигателя
. Сам по себе газ нейтрален, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Зажигание двигателя инициируется кратковременной подачей электронов, эмитируемых в газоразрядную (ионизирующую) камеру. В ионизаторе высокоэнергетические электроны производят ионизацию рабочего тела – газа. 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 (положительно-заряженной и отрицательно-заряженной). 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 космический аппарат, согласно третьему закону Ньютона. Электроны, пойманные в катодную трубку (нейтрализатор), выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов.

Для выработки электричества используются солнечные батареи
. Но в дальнейшем планируется использовать ядерные
установки.

Использование внешнего магнитного поля в ионном двигателе
позволяет повысить энергоэффективность системы.

Ионные двигатели
характеризуются высоким импульсом. Они расходуют малое количество газа для совершения маневра.

Схема и устройство ионного двигателя:

Преимущества ионного двигателя для космического аппарата:

– создает возможность разогнать космический аппарат в условиях невесомости до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих типов космических двигателей,

–
расходует меньше топлива, чем обычные реактивные двигатели,

– 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,

– для функционирования ионного двигателя достаточно небольшой электрической мощности – от 150 до 500 Ватт
. Двигатели мощностью от 150 до 500 Ватт могут быть установлены на малые космические аппараты,

– низкая рабочая температура в отличии от обычных реактивных двигателей,

–
рабочее тело не обязательно должно быть высокой степени чистоты в отличии от обычного топлива в химических ракетах,

– простота сборки и эксплуатации конструкции,

–
ионный двигатель позволит увеличить срок эксплуатации космических аппаратов в 2-3 и более раза,

– для путешествия на Марс (и обратно) достаточно ионного двигателя мощностью порядка 50 кВт.

Перспективы применения ионных двигателей:

Применение ионных двигателей
в космических аппаратах открывает новые перспективы развития космонавтики, в частности, запускаемых космических аппаратов.

Современные тенденции таковы, что доля запускаемых тяжелых космических аппаратов (свыше 1000 кг) неуклонно снижается и составляет порядка не более 30% от всех запусков.

Все более востребованными становятся малые космические аппараты, имеющие вес от 100 кг до 500 кг, находящиеся на низкой орбите до 1000 км. и функционирующие продолжительное время – в течение 5-10 лет.

К малым космическим аппаратам относятся спутники и системы мобильной связи и радионавигации, мониторинга Земли, атмосферы и околоземного космического пространства.

Ионные двигатели
в ближайшем будущем позволят заменить двигатели орбитального движения малых космических аппаратов, что увеличит срок их активной работы (эксплуатации) в 2-3 раза и продлит срок их жизни с 2-3 лет до 5-10 лет.

В отдаленной перспективе планируется оснащать все, в т.ч. тяжелые, космические аппараты ионными двигателями, что позволит совершать путешествия к далеким планетам и звездам, пилотируемые экспедиции к планетам Солнечной системы, тяжелые транспортные перелеты.

Достигнутые технические характеристики ионного двигателя. Тяга, скорость, КПД ионного двигателя:

Применение ионных двигателей:

–
управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли (в настоящее время),

–
главный тяговый двигатель небольшой автоматической космической станции (в настоящее время),

–
главный тяговый двигатель тяжелых космических аппаратов (в будущем).

Человек вышел в космос благодаря ракетным двигателям на жидком и твердом топливе. Но они же и поставили под вопрос эффективность космических полетов. Для того чтобы сравнительно небольшой хотя бы «зацепился» за его устанавливают на вершине ракеты-носителя внушительных размеров. А сама ракета, по сути, это летающая цистерна, львиная доля веса которой отведена под топливо. Когда все оно израсходуется до последней капли, на борту корабля остается мизерный запас.

Чтобы не упасть на Землю, периодически поднимает свою орбиту импульсами Топливо для них — примерно 7,5 тонны — несколько раз в году доставляют автоматические корабли. Но на пути к Марсу такой дозаправки не предвидится. Не пора ли распрощаться с устаревшими схемами и обратить внимание на более совершенный ионный двигатель?

Для того чтобы он заработал, безумных количеств топлива не потребуется. Только газ и электричество. Электроэнергия в космосе добывается улавливанием светового излучения Солнца панелями солнечных батарей. Чем дальше от светила, тем меньше их мощность, поэтому придется воспользоваться еще и Газ поступает в первичную камеру сгорания, где он бомбардируется электронами и ионизируется. Получившуюся холодную плазму отправляют на разгорев, а потом — в магнитное сопло, на разгон. Ионный двигатель выбрасывает из себя раскаленную плазму со скоростями, недоступными обычным ракетным двигателям. И получает необходимое ускорение.

Принцип работы настолько прост, что можно собрать демонстрационный ионный двигатель своими руками. Если электрод в форме вертушки предварительно сбалансировав, установить на острие иглы и подать высокое напряжение, на острых концах электрода появится синее свечение, создаваемое срывающимися с них электронами. Их истечение создаст слабую реактивную силу, электрод начнет вращаться.

Увы, ионные двигатели обладают настолько мизерной тягой, что не могут оторвать космический аппарат от поверхности Луны, не говоря уже о наземном старте. Наиболее наглядно это можно увидеть, если сравнить два корабля, отправляющихся к Марсу. Корабль с жидкостными двигателями начнет перелет после нескольких минут интенсивного разгона и потратит чуть меньше времени на торможение у Красной планеты. Корабль с ионными двигателями будет разгоняться два месяца по медленно раскручивающейся спирали, причем такая же операция ждет его в окрестностях Марса…

И все же ионный двигатель уже нашел свое применение: им оснащен ряд беспилотных космических аппаратов, отправленных в многолетние разведывательные миссии к ближним и дальним планетам Солнечной системы, в пояс астероидов.

Ионный двигатель — та самая черепаха, которая обгоняет быстроногого Ахилла. Израсходовав все топливо в считанные минуты, жидкостный двигатель умолкает навсегда и становится бесполезным куском железа. А плазменные способны работать годами. Не исключено, что ими будет оснащен первый космический аппарат, который на досветовой скорости отправится к — ближайшей к Земле звезде. Предполагается, что перелет займет всего лишь 15-20 лет.

Плюсы и минусы: как работают электростатические двигатели

Если попросить любого из нас представить реактивный двигатель, то воображение рисует струи огня, вырывающиеся из сопла и толкающие самолет или огромную ракету. Однако реактивные двигатели могут быть и другими: в них аппарат толкает поток ионизированных частиц, которые приводятся в движение электромагнитным полем. Подробнее о том, как это работает и в чем основной недостаток подобных устройств, поговорим в этом материале.

Нужно больше ионов!

На основанном выше принципе работают так называемые электрические ракетные двигатели. Мы подробно остановимся на двух типах электростатических двигателей — ионных и плазменных, — которые уже успешно применяются на космических аппаратах.

В электростатических двигателях создается электростатическое поле (привет, капитан очевидность) — электрические заряды, которые его «производят», неподвижны в пространстве и не изменяются со временем. В этом поле и разгоняются частицы рабочего тела — так в ракетостроении называют вещество, которое выбрасывают из летательного аппарата, чтобы создать тягу. В качестве рабочего в электрических ракетных двигателях могут использоваться практически любые жидкости, газы и их смеси, но для электростатических двигателей как правило используют благородный газ ксенон.

В целом, принцип работы ионного двигателя довольно прост. Нейтральные по заряду атому ксенона поступают в ионизатор, где бомбардируются электронами. Эти электроны выбивают собственные электроны ксенона, в результате чего в ионизаторе образуются положительно заряженные ионы ксенона и свободные электроны, то есть газ в состоянии плазмы.

Положительно заряженные ионы притягиваются к сеткам системы извлечения, между которыми поддерживается большая разность потенциалов. В результате ионы разгоняются и выбрасываются из двигателя. Ну а дальше все по третьему закону Ньютона — действию всегда есть равное противоположное действие: ионы вылетают, аппарат толкают.

Помните, у нас еще остались свободные электроны? Они собираются на специальную катодную трубку, которая выведена в камеру ионизации, и выбрасываются под небольшим углом к потоку ионов.

Концептуально второй тип электростатических двигателей — двигатели на эффекте Холла — работает по тому же принципу. Эффект Холла заключается в том, что если расположить проводник в перпендикулярные относительно друг друга электрическое и магнитное поля, то на краях этого проводника возникнет разность потенциалов.

Такой двигатель эффективнее, чем ионный, поскольку в нем для создания тяги задействуются и положительные ионы, и электроны.

Плюсы и минусы

Возможно, именно ионные двигатели откроют нам путь к исследованию и последующему освоению Солнечной системы. По крайней мере, если не считать разнообразные фантастические варианты вроде антиматерии, термоядерных установок и варп-ядра, это лучшее, что инженеры придумали и смогли реализовать. Основное достоинство ионных двигателей — это крайне низкий расход рабочего тела. Например, аппарату Dawn на полет к астероиду Веста и малой планете Церера (а это, на минуточку, почти семь миллиардов километров) потребовалось всего 425 килограммов ксенона. У двигателей также высокий удельный импульс (отношение создаваемой тяги к расходу топлива). Ионы выбрасываются с очень большой скоростью — например у рекордного Dual-Stage 4-Grid, созданного совместно Европейским космическим агентством и Австралийским национальным университетом в 2006 году, скорость выхлопа достигла (pdf) 210 км/с. Впрочем, обычно он варьируется в пределах 20–50 км/с, но и это намного выше, чем 3–5 км/с у химических ракетных двигателей. Благодаря этому упоминавшийся Dawn смог установить рекорд негравитационного (то есть без использования маневров, когда аппарат ускоряется за счет гравитационного воздействия массивных небесных тел) ускорения, достигнув скорости 11,1 км/с (почти 40 000 км/ч).

Важным преимуществом для длительных полетов является то, что ионный двигатель может работать беспрерывно в течение многих лет. Так, NEXT, который был построен Aerojet Rocketdyne, отработал рекордные на тот момент 48 тысяч часов, или 5,5 года. Наконец, ионные двигатели могут похвастаться впечатляющим КПД — 60–80 %.

Впрочем, долговечность ионных двигателей все же ограничена. Поскольку металлические части контактируют с плазмой, они со временем разрушаются. Так что инженеры постоянно ищут более устойчивые материалы, ведь для полетов к дальним объектам необходимо быть уверенным, что двигатель проработает многие годы.

Другой недостаток ионного двигателя — для его работы нужно много энергии, до 7 кВт. Солнечные батареи не вариант (особенно если мы собираемся лететь в глубины нашей системы), поэтому аппараты с ионными двигателями необходимо комплектовать либо очень емкими батареями, либо небольшими ядерными реакторами, которые обеспечат достаточную мощность.

И если первые два недостатка инженеры с успехом преодолевают, то третий пока что является наиболее существенным. У ионных двигателей очень маленькая тяга, которая измеряется в миллиньютонах. Рекорд принадлежит разработанному NASA и Мичиганским университетом X-3 — 5,4 ньютона. Для сравнения, тяга самой мощной в истории ракеты-носителя Super Heavy должна составить 75 315 000 ньютонов.

В условиях вакуума тяга — не самая важная характеристика, но стартовать с поверхности другого небесного тела аппараты с ионным двигателем не смогут. У них не хватит тяги для преодоления притяжения и сопротивления атмосферы. Так, например, случилось со спутниками Starlink, которые оборудованы холловскими двигателями. Из-за магнитной бури верхние слои атмосферы стали более плотными, и аппараты не смогли выйти на расчетную орбиту. Поэтому пока оптимальной выглядит комбинация традиционных химических и ионных двигателей.

Впрочем, ионные двигатели — это очень перспективное направление. Они уже установлены на две сотни космических аппаратов, включая МКС и базовый модуль китайской орбитальной станции Тяньхэ. Благодаря ионному двигателю зонд «Хаябуса» долетел до астероида Итокава и вернулся обратно с образцом вещества, а европейский BepiColombo доберется до Меркурия. Возможно, однажды именно ионные двигатели позволят нам долететь до границ Солнечной системы и еще дальше.

Аналитика.

Российские ученые намерены к 2024 году разработать разные конфигурации плазменных ракетных двигателей

поделиться новостью

11.04.22 05:30

Об этом шла речь на семинаре госкорпорации «Росатом» «Управляемый термоядерный синтез и плазменные технологии» с участием ведущих ученых и экспертов.

В мероприятии приняли участие представители Росатома и его предприятий (АО «ВНИИНМ», АО «Наука и инновации», АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» и других), НИЦ «Курчатовский институт», АО ГНЦ «Центр Келдыша», НИУ «МЭИ». Участники семинара обсудили результаты исследований и перспективы создания плазменных ракетных двигателей в России. Работы по этим направлениям включены в третий федеральный проект комплексной программы «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в Российской Федерации на период до 2024 года» (КП РТТН).

Виктор Ильгисонис, руководитель федерального проекта, директор направления научно-технических исследований и разработок Госкорпорации «Росатом», объяснил необходимость создания плазменных ракетных двигателей грядущим освоением дальнего космоса и обеспечением необходимого паритета в этой области. Этому способствуют возможность летательных аппаратов оперативно менять околоземную орбиту и траекторию, маневрировать при необходимости. «В третьем федеральном проекте мы остановились на трех направлениях создания электрореактивного ракетного двигателя (ЭРД): электростатический (ионный и холловский), магнитоплазменный ускоритель и безэлектродный плазменный ракетный двигатель (БПРД). Два первых направления достаточно хорошо изучены нашими учёными и понятны, третье направление – новая концепция, которая получила развитие в XXI веке. В основе лежит идея независимого нагрева плазменного рабочего тела с использованием циклотронного резонанса. Работы по программе распределены между тремя исполнителями: ГНЦ РФ ТРИНИТИ (входит в научный дивизион Росатома – АО «Наука и инновации») – магнитоплазменные ускорители, ГНЦ «Центр Келдыша» – ионный и холловские (плазменный) двигатели, НИЦ «Курчатовский институт» реализует задачу построения безэлектродного плазменного ракетного двигателя (БПРД)», – рассказал он.

Константин Гуторов, руководитель проекта в АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ», представил концепцию создания прототипа плазменного ракетного двигателя с повышенными параметрами тяги и удельного импульса на базе магнитоплазменного ускорителя, позволяющего эффективно использовать мощность источника энергии. «Разработку прототипа плазменного ракетного двигателя в ГНЦ РФ ТРИНИТИ планируем завершить в 2024 году. На данный момент на квазистационарном плазменном ускорителе продемонстрирован удельный импульс выше 100 км/с для водородной плазмы в режиме однократных импульсов, что позволяет достигнуть целевых показателей прототипа при переходе в частотный режим работы и иметь тяговую мощность в 300 кВт при КПД выше 55%», – сказал руководитель проекта.

Александр Ловцов, научный руководитель ГНЦ «Центр Келдыша», рассказал на семинаре о развернутых работах по разработке модулей электрореактивного ракетного аппарата на базе холловского и ионного двигателей нового поколения. «На данный момент нами разработан эскизный проект на модуль электрореактивного ракетного двигателя максимальной мощностью 250 кВт, который включает три ионных двигателя номинальной мощностью 80 КвТ и максимальной 100 кВт. Кроме этого, разработаны, изготовлены и испытаны макеты ключевых элементов этого модуля. К 2024 году мы планируем завершить его изготовление и приступить к испытаниям», – поделился он результатом проделанной работы.

Сергей Коробцев, заместитель начальника научного комплекса НИЦ «Курчатовский институт», рассказал о создании мощного безэлектродного плазменного ракетного двигателя и его конкурентных преимуществах перед традиционными ионными и холловскими. В частности, он отметил, что разработка макета прототипа БПРД мощностью 100 кВт будет завершена в 2022 году (уточнить у спикера корректность цифры), далее на модернизированном стенде Е-1 в импульсном режиме будут исследоваться его основные характеристики. Среди основных преимуществ БПРД ученый выделил увеличение ресурса из-за отсутствия электродов, практически полное использование рабочего тела (газа), оперативное (без конструкционных изменений) регулирование в широком диапазоне отношения тяга-удельный импульс. Также для его работы не требуются компенсаторы объемного заряда. «Обеспечивая длительное крейсирование в околоземном пространстве, мощные БПРД с ядерными/солнечными установками позволят разработать космические системы наблюдения, связи и управления, сделают возможным перехват нежелательных объектов, в том числе космического мусора и астероидов, позволят организовать транспортные потоки между космическими объектами, сделают реальным устройство космических станций различного назначения. Получаемые возможности обеспечат паритет космического потенциала нашей страны и ее суверенитет», – рассказал Сергей Коробцев. 

Подводя итоги семинара, ученые сошлись во мнении, что на сегодняшний день основные сложности в разработке плазменных ракетных двигателей разной конфигурации связаны с достижением компромисса между мощностью и ресурсом работы. Поэтому любые исследования, посвященные уменьшению взаимодействия плазмы со стенками исключительно важны и дают новое знание о возможностях развития. Кроме этого, участники обсудили возможность формирования единых отраслевых методик на базе важных диагностических исследований, которые проводятся в рамках третьего федерального проекта. 

Для справки:

Семинар «Управляемый термоядерный синтез и плазменные технологии» задуман как единая площадка для обсуждения научных вопросов, относящихся к исследованиям по разработке термоядерных и плазменных технологий. Он призван способствовать интеграции усилий разработчиков различных ведомств – институтов Росатома, организаций, подведомственных Минобрнауки России, НИЦ «Курчатовский институт». Работы по этой тематике выполняются в рамках федерального проекта «Разработка технологий управляемого термоядерного синтеза и инновационных плазменных технологий», включенного в КП РТТН.

Первый семинар по управляемому термоядерному синтезу и плазменным технологиям состоялся в Госкорпрации «Росатом» 25 февраля 2022 года. На нем участники обсудили этапы модернизации существующей инфраструктуры и создание нового экспериментальной установки – токамака с реакторными технологиями (ТRТ), который планируется построить в ГНЦ РФ ТРИНИТИ к 2030 году, а также вопросы, связанные с его оснащением магнитной системой из высокотемпературного сверхпроводника второго типа (ВТСП-2).

Читайте также:

08.04.22  Инвестиции в электроэнергетику положительно влияют на экономику России

05.03.22  Что будет, когда откроются торги?

04.03.22  Минфин США разрешил отменить санкции против российских евробондов

24.02.22  О последствиях санкций для рубля и простых россиян

08.02.22  Ошибки в выборе типа дизель-генераторной установки

Читать все статьи раздела Аналитика

Ионный двигатель — 2D Symbols

Ионный двигатель — тип электрического ракетного двигателя, принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле^[1]. Достоинством этого типа двигателей является малый расход топлива и продолжительное время функционирования (максимальный срок непрерывной работы самых современных образцов ионных двигателей составляет более трёх лет)^[1].
Недостатком ионного двигателя является ничтожная по сравнению с химическими двигателями тяга^[1]. По сравнению с двигателями с ускорением в магнитном слое ионный двигатель обладает большим энергопотреблением при равном уровне тяги. Ионные двигатели используют повышенные напряжения, обладают более сложной схемой и конструкцией, что усложняет решение задачи обеспечения высокой надёжности и электрической прочности двигателя.^[2]

Сфера применения: управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли (некоторые спутники оснащены десятками маломощных ионных двигателей) и использование в качестве главного тягового двигателя небольших автоматических космических станций^[1].

Ионному двигателю в настоящее время принадлежит рекорд негравитационного ускорения космического аппарата в космосе — Deep Space 1 смог увеличить скорость аппарата массой около 370 кг на 4,3 км/с, израсходовав 74 кг ксенона^[1]. Этот рекорд был побит космическим аппаратом Dawn: впервые — 5 июня 2010 года^[3], а к сентябрю 2016 года набрана скорость уже в 39 900 км/ч^[4] (11,1 км/с).

Содержание

• 1 Принцип действия
• 2 История
• 3 Культура
• 4 Миссии
  • 4.1 Действующие миссии
  • 4.2 Завершённые миссии
  • 4.3 Планируемые миссии
  • 4.4 Нереализованные миссии
  • 4.5 Проект Джефри Лэндиса
• 5 См. также
• 6 Примечания
• 7 Литература
• 8 Ссылки

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^[5], по сравнению с 3—4,5 км/с у химических ракетных двигателей). Таким образом, в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса. Это позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа по сравнению с расходом реактивной массы в химических ракетах, но требует больших затрат энергии.
Технические характеристики ионного двигателя: потребляемая мощность 1—7 кВт, скорость истечения ионов 20—50 км/с, тяга 20—250 мН, КПД 60—80 %, время непрерывной работы более трёх лет.
В существующих реализациях ионного двигателя в качестве источника энергии, необходимой для ионизации топлива, используются солнечные батареи.^[1]

Рабочим телом, как правило, является ионизированный инертный газ (аргон, ксенон и т. п.), но иногда и ртуть.
В ионизатор подаётся топливо, которое само по себе нейтрально, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом, в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны. Положительные ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из двух или трёх сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 Вольт на внутренней против -225 Вольт на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона. Электроны, пойманные в катодную трубку, выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается, во-первых, для того, чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным, а во-вторых, чтобы ионы, «нейтрализованные» таким образом, не притягивались обратно к кораблю^[1].

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

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

История

Ионный двигатель является первым хорошо отработанным на практике типом электрического ракетного двигателя. Концепция ионного двигателя была выдвинута в 1917 году Робертом Годдардом^[8], а в 1954 году Эрнст Штулингер^ru_en детально описал эту технологию, сопроводив её необходимыми вычислениями^[9].

В 1955 году Алексей Иванович Морозов написал, а в 1957 году опубликовал в ЖЭТФ статью «Об ускорении плазмы магнитным полем»^[10][11]. Это дало толчок к исследованиям, и уже в 1964 году на советском аппарате «Зонд-2» первым таким устройством, выведенным в космос, стал плазменно-эрозионный двигатель конструкции А. М. Андрианова. Он работал в качестве двигателя ориентации с питанием от солнечных батарей^[12].

Первый американский функционирующий ионный электростатический двигатель (создан в США в НАСА John H. Glenn Research Center at Lewis Field) был построен под руководством Гарольда Кауфмана^ru_en в 1959 году.
В 1964 году прошла первая успешная демонстрация ионного двигателя в суборбитальном полёте (SERT I)^[1]. Двигатель успешно работал в течение запланированной 31 минуты.
В 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II)^[13]. Малая тяга и низкий КПД надолго отвадили американских конструкторов от применения электрических и ионных двигателей.

Тем временем в Советском Союзе продолжалась разработка и улучшались характеристики. Были разработаны и применялись различные типы ионных двигателей на различных типах космических аппаратов. Двигатели СПД-25 тягой 25 миллиньютон, СПД-100^[14], и другие серийно устанавливались на советские спутники с 1982 года^[15].

В качестве основного (маршевого) двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1 (первый запуск двигателя — 10 ноября 1998 г.). Следующими аппаратами стали европейский лунный зонд Смарт-1, запущенный 28 сентября 2003 года^[16], и японский аппарат Хаябуса, запущенный к астероиду Итокава в мае 2003 года^[1].

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

Европейское Космическое Агентство установило ионный двигатель на борту спутника GOCE, запущенного 17 марта 2009 года на сверхнизкую околоземную орбиту высотой около 260 км. Ионный двигатель создаёт в постоянном режиме импульс, компенсирующий атмосферное трение и другие негравитационные воздействия на спутник^[1].

Культура

Впервые ионный двигатель появился в фантастике в 1910 году — в романе Дональда В. Хорнера «Аэроплан к солнцу: приключения авиатора и его друзей»^[17][18]. Ионный двигатель широко представлен в фантастической литературе, компьютерных играх и кинематографе (так в «Звёздных войнах» экономичный ионный двигатель развивает скорость до трети световой и используется для перемещения в обычном пространстве на небольшие по космическим меркам расстояния — например в пределах планетарной системы^[19]), но для практической космонавтики стал доступен только во второй половине XX века. Реальный ионный двигатель по своим техническим характеристикам (и в первую очередь по силе тяги) значительно уступает своим литературным прообразам (так Эдгард Чуэйри образно сравнивает ионный двигатель с автомобилем, которому нужно двое суток для разгона с 0 до 100 км/ч)^[1].

Миссии

Действующие миссии

• Artemis^[16]
• Dawn
• LISA Pathfinder (ЕКА) использует ионные двигатели в качестве вспомогательных для точного контроля высоты.
• BepiColombo. Запущен 20 октября 2018 года. ЕКА использовует ионный двигатель в этой меркурианской миссии, наряду с гравитационными манёврами и химическим двигателем для перехода на орбиту вокруг Меркурия в качестве искусственного спутника^[16]. На аппарате работает самые мощные на сегодняшний день 4 ионных двигателя суммарной тягой 290 мН^[20].

Завершённые миссии

• SERT (англ. Space Electric Rocket Test, рус. Тест Космического Электрического Двигателя — программа NASA, в которой на спутниках впервые был использован ионный двигатель)
• Deep Space 1
• Hayabusa (вернулся на Землю 13 июня 2010 года)
• Smart 1 (завершил миссию 3 сентября 2006 года, после чего был сведён с орбиты)
• GOCE (после исчерпания запасов рабочего тела сошёл с орбиты)

Планируемые миссии

• Международная космическая станция. По состоянию на март 2011 года планировалась доставка на МКС электромагнитного двигателя (VASIMR) Ad Astra VF-200 с мощностью в 200 кВт VASIMR. VF-200 представляет собой версию VX-200^[21]. Поскольку доступная электрическая мощность на МКС меньше 200 кВт, проект ISS VASIMR включал в себя систему батарей, которая накапливала энергию для 15 минут работы двигателя.
• Solar Orbiter.

Нереализованные миссии

Компьютерная модель Прометея-1

NASA ввело проект «Прометей», для которого разрабатывался мощный ионный двигатель, питающийся электричеством от бортового ядерного реактора. Предполагалось, что такие двигатели в количестве восьми штук могли бы разогнать аппарат до 90 км/с. Первый аппарат этого проекта Jupiter Icy Moons Explorer планировалось отправить к Юпитеру в 2017 году, однако разработка этого аппарата была приостановлена в 2005 году из-за технических сложностей. В 2005 году программа была закрыта^[22]. В настоящее время идёт поиск более простого проекта АМС для первого испытания по программе «Прометей»^[23].

Проект Джефри Лэндиса

Geoffrey A. Landis^ru_en предложил проект межзвёздного зонда с ионным двигателем, получающим энергию через лазер от базовой станции, что даёт некоторое преимущество по сравнению с чисто космическим парусом. В настоящее время данный проект неосуществим из-за технических ограничений — например, он потребует силы тяги от ионных двигателей в 1570 Н при нынешних 20—250 мН^[24](по другим данным рекорд тяги у современных ионных двигателей 5,4 Н^[25]).

См. также

• Ионный источник
• Плазменный ракетный двигатель
• Электрический ракетный двигатель
• Электромагнитный ракетный ускоритель
• Пучковое оружие («ионная пушка»)
• Эффект Бифельда — Брауна

This article uses material from the Wikipedia article
«Ионный двигатель», which is released under the
Creative Commons Attribution-Share-Alike License 3. 0. There is a list of all
authors in Wikipedia

Нетрадиционные ракетные двигатели — ионные двигатели

Введение

Ионные двигатели создают тягу за счет испускания пучков ионов — согласно закону действия и противодействия Ньютона 3 ^rd . Существуют различные методы ускорения ионов, но, как правило, все конструкции имеют преимущество большого отношения заряда топлива к массе. Это означает, что высокая скорость истечения может быть создана небольшой разностью потенциалов. Следовательно, требуется меньшая масса топлива.

Таким образом, ионные двигатели не подходят для использования на Земле. Вместо этого их следует использовать в космосе, где пригодится их способность сохранять малую тягу в течение длительного периода времени. Например, в настоящее время они используются для орбитального маневрирования и удержания станции. Существует 3 основных типа ионных тяг: электростатический , электромагнитный и электротермический . В этом разделе мы сосредоточимся на первых двух, поскольку электротермические приводы не являются чем-то необычным.

Электростатические ионные двигатели

Концепция работы

Атомы топлива сначала ионизируются электронами, образуя ионы в двигательной камере. Этот процесс обычно осуществляется путем бомбардировки атомов топлива электронами. Это приводит к тому, что они теряют свои собственные электроны, образуя положительные ионы. Потерянные электроны поглощаются сеткой/стенкой двигателя.

Положительные ионы диффундируют в плазменную оболочку. Попадая в плазменную оболочку, ионы испытывают электрическое поле между положительной и отрицательной сетками (на выходе из камеры). Электрическая сила, пропорциональная заряду иона и величине электрического поля, будет ускорять ион по направлению к выходу с ускорением, пропорциональным электрической силе и массе иона.

На выходе ионы фокусируются на узких отверстиях отрицательной сетки и выбрасываются в космос с большими скоростями. По Ньютону 3 9Согласно закону 0005 rd сила, действующая на ион, вызывает равную и противоположную реакцию на двигатель/космический корабль. Чтобы обеспечить полную нейтральность заряда космического корабля, электроны также выбрасываются с катода к ионам позади космического корабля.

Типы электростатических ионных двигателей

Существует 2 основных типа электростатических ионных двигателей; ионный двигатель с сеткой и двигатель с электроэмиссионным двигателем/коллоидным двигателем .

Ионный двигатель с сеткой был первым типом электростатического ионного двигателя. Дальнейшее изучение подобных концепций для повышения эффективности привело к идее электрического двигателя / коллоидного двигателя с полевой эмиссией. Ионные двигатели с сеткой в ​​основном используются для приведения в движение космических кораблей, в то время как электрические двигатели с полевой эмиссией обеспечивают очень малые уровни тяги, что позволяет более точно управлять космическим кораблем. Коллоидный двигатель обеспечивает еще более низкий уровень тяги, что делает его идеальным для чрезвычайно точного управления космическим кораблем.

Ионный двигатель с сеткой

Схема типичного ионного двигателя с сеткой, NSTAR

Типичный ионный двигатель с сеткой относится к типу Кауфмана. Его действие можно разделить на ионизацию, ускорение и нейтрализацию.

Ионизация: Ксенон чаще всего используется в качестве топлива. Ксеноновое топливо сначала впрыскивается в плазму ионизационной камеры, где оно ионизируется бомбардировкой электронами из полого катода. Электроны, сталкиваясь с атомами ксенона, заставляют его терять один электрон на атом с образованием положительных ионов ксенона. Электронная бомбардировка может быть достигнута различными методами. Первый метод представляет собой разряд постоянного тока, при котором электроны возвращаются от катода к аноду. (например, типа Кауфмана). Второй метод — это радиочастотный разряд, при котором электроны циркулируют в поле электромагнитных радиоволн (например, радиочастотный ионный двигатель, RIT). Последний метод — это электронный циклотронный резонанс, при котором электроны возбуждаются микроволнами, вращающимися вокруг электромагнитного поля (например, двигатели Mu и High Power Electric Propulsion (HiPEP)). Затем ионы ксенона извлекаются из ионизационной камеры через многоапертурную сетчатую экстракционную систему путем диффузии.

Ускорение: Ионы ксенона входят в систему сетки (между положительной и отрицательной сеткой). Разность потенциалов до 1280 В между положительной (экран) и отрицательной (ускоритель) молибденовой сеткой создает электрическое поле, которое ускоряет ионы, выходящие из выхлопных газов, со скоростью более 100 000 км/ч. Энергия ионов обычно достигает 1–2 кэВ для NSTAR. Сила реакции этой струи ионного потока из выхлопа двигателя создает тягу двигателя.

Нейтрализация: Чтобы космический корабль не получил суммарный отрицательный заряд из-за истечения положительных ионов, катодный нейтрализатор вводит электроны в выхлопные газы для нейтрализации положительных ионов ксенона.

Электрическая двигательная установка с полевой эмиссией/коллоидные двигатели

Схема электрической двигательной установки с полевой эмиссией, FEEP

Электрическая двигательная установка с полевой эмиссией (FEEP) в принципе аналогична ионному двигателю с сеткой. В случае FEEP используется жидкое топливо (обычно цезий или индий из-за их низкой энергии ионизации, низких температур плавления и большой массы). Металл извлекается непосредственно в виде жидкости в модуле эмиттера через вольфрамовую иглу/щель размером около 1 мкм.

Топливо проходит через эту щель и образует свободную поверхность на выходе из щели. Когда эмиттер действует как положительная сетка, а пластина ускорителя действует как отрицательная сетка, создается электрическое поле. Поверхность жидкого металла топлива на кончике иглы приближается к состоянию локальной неустойчивости из-за поверхностного натяжения и электрического поля. Образуется ряд выступающих выступов жидкости, известных как «конусы Тейлора».

Как только электрическое поле достигает порога 109В/нм атомы металла на кончике ионизируются и вытекают из ускорителя, оставляя после себя электроны. В результате возникает струя ионного потока, создающая тягу. Точно так же нейтрализатор удаляет чистый отрицательный заряд двигателя, испуская электроны.

Коллоидные двигатели в принципе аналогичны FEEP. Они предназначены для подачи меньших удельных импульсов и тяги для более точного контроля силы.

Применение

Ионные двигатели с сеткой уже используются во многих космических операциях в качестве двигательной установки. Ионный двигатель NSTAR на космическом корабле НАСА Deep Space 1 по состоянию на 19 февраля преодолел расстояние более 48 миллионов миль от Земли.99. Система Xenon Ion Propulsion System (XIPS), разработанная и используемая компанией Hughes Aircraft Company, в настоящее время поддерживает полеты более 100 геосинхронных спутников. Точно так же были испытаны или уже используются двигатели RIT, Mu и HiPEP. Недавние достижения включают DS4G, все еще находящийся в стадии разработки, для которого теоретические расчеты являются многообещающими.

FEEP и коллоидные двигатели уже используются во многих космических операциях в качестве метода точного управления. Система коллоидного двигателя, разработанная для миссии JPL Space Technology 7, является предшественником другой более масштабной миссии под названием «Космическая антенна лазерного интерферометра» (LISA). 12 двигателей FEEP будут установлены на корпусе LISA Pathfinder для достижения в 100 раз более точного управления, чем у обычного космического корабля.

Электромагнитные ионные двигатели

Принцип действия

Рис. 1: Поперечное сечение двигателя на эффекте Холла

Эти приводы работают по тому же принципу, что и электростатические. Основное отличие состоит в том, что теперь ионы ускоряются силой Лоренца за счет взаимодействия магнитного поля и движущихся электронов, а не кулоновской силы. Мы будем использовать два примера ниже, чтобы пояснить, как обычно работают эти двигатели. Существует несколько типов электромагнитных ионных приводов. Наиболее популярным из них является двигатель на эффекте Холла. Другие типы включают безэлектродный плазменный двигатель, магнитоплазмодинамический двигатель (MPD) и импульсный индуктивный двигатель (PIT). MPD ионизирует газы-вытеснители, такие как водород или азот, в плазму, а затем ускоряет их в магнитном поле. С другой стороны, PIT использует импульсы тяги от порохового газа, который выбрасывается из конусообразной трубы.

Двигатели на эффекте Холла

Рисунок 2: Работа двигателя на эффекте Холла

Электроны генерируются катодом, как показано на диаграмме справа. Анод заряжается, и электроны движутся к нему справа налево. Радиальное магнитное поле создается между внутренним магнитным полюсом и внешним магнитным кольцом. Это поле взаимодействует с движущимися электронами, создавая силу, которая останавливает их ускорение по направлению к аноду, заставляя их двигаться по спирали вблизи выходной плоскости. Это направление потока электронов задается E × B, что означает, что оно перпендикулярно как магнитному полю, так и электростатическому току. В качестве топлива используется газ ксенон. Это подходящий выбор, поскольку он инертен и устраняет риск взрыва из-за химической реакции.

На рис. 1 показано, как анод выполняет функцию газораспределителя. Когда атомы ксенона покидают анод и диффундируют через камеру, они сталкиваются с присутствующими электронами. Следовательно, ионы ксенона создаются. Теперь, обращаясь к Рисунку 2, мы можем видеть, что между положительным каналом и отрицательной спиралью электронов возник электростатический потенциал. Теперь эти ионы начинают ускоряться к отрицательному концу и достигают скорости до 15 000 м/с. Присутствующее магнитное поле таково, что оно достаточно сильное, чтобы заставить легкие электроны двигаться по спирали, но слишком слабое, чтобы оказывать какое-либо существенное влияние на ускорение тяжелых ионов ксенона. Когда ионы выходят, такое же количество электронов покидает камеру. Этот процесс приводит к выхлопу двигателя и позволяет поддерживать нейтральность заряда. Опять же, важна нейтральность заряда, поскольку она предотвращает повреждение оборудования.

Безэлектродные плазменные двигатели

Топливо, которое должно быть в газообразном состоянии, будет вставлено вверх по потоку. Затем он ионизируется различными способами, в том числе с использованием переменного электрического поля посредством индуктивного или емкостного разряда и с использованием электромагнитных волн. Плотная плазма диффундирует в камеру, где есть колеблющееся электрическое и магнитное поле. Взаимодействие между плазмой и индуцированными полями приводит к тому, что плазма топлива ускоряется за счет пондеромоторной силы (нелинейной силы, возникающей в колеблющемся электромагнитном поле).

Эта сила заставляет электроны и ионы течь в одном направлении в двойном слое («двойной слой» имеет два потока рядом друг с другом с противоположными зарядами). Преимущество этого в том, что ему не нужен нейтрализатор, так как заряды уже компенсируют друг друга. Кроме того, он решает проблемы эрозии и срока службы, возникающие как в двигателях на эффекте Холла, так и в двигателях с сеткой, поскольку между плазмой и электродами отсутствует контакт. Однако, хотя практические исследования этой технологии уже начались, теория существования двойного слоя вызывает много споров. Необходимо проделать гораздо больше работы, прежде чем его можно будет считать жизнеспособным ракетным двигателем.

Применение

Двигатели на эффекте Холла уже разработаны и используются в некоторых космических операциях. Были разработаны два основных типа двигателей: стационарный плазменный двигатель (SPT) и двигатель с анодным слоем (ALT), также известный как двигатель с анодным слоем (TAL). В 2002 году Исследовательский центр Гленна в США объявил, что они построили и испытали новый двигатель на эффекте Холла, «NASA-457M», который, по-видимому, был в десять раз мощнее своих аналогов. Европейское космическое агентство (ЕКА) использовало Двигатели на эффекте Холла для их силовой установки SMART-1 в 2003 г.

Безэлектродные плазменные двигатели были разработаны и испытаны компанией «Эльвинг» и проходят испытания для использования в космических кораблях. Принстонская исследовательская лаборатория плазмы также приступила к проверке лежащей в основе теории.

Сравнение

Сравнение электростатических и электромагнитных приводов

Принцип работы обоих семейств приводов отличается одним основным аспектом — методом ускорения ионов.

MPD, электромагнитный ионный двигатель, в настоящее время является самой мощной формой электромагнитного двигателя и может производить удельный импульс, в три раза превышающий удельный импульс, производимый электростатическими ионными двигателями. Двигатели на эффекте Холла также имеют преимущество перед ионными двигателями с сеткой, поскольку их можно легко масштабировать (поскольку у них нет сеток), они обеспечивают большую тягу и используют более широкий спектр топлива. Однако обычно они менее эффективны.

Сравнение с обычными ракетами

В этом разделе ионные двигатели сравниваются с одним из самых мощных обычных ракетных двигателей, J-2X, используемым космическим кораблем NASA Saturn V. Есть несколько преимуществ:

Более высокий удельный импульс/эффективность

Ионные двигатели имеют гораздо более высокий удельный импульс по сравнению с обычными ракетными двигателями. Это означает, что импульс на единицу массы топлива выше, и, следовательно, на борту космического корабля требуется гораздо меньше топлива, что делает его легче и эффективнее. В результате также значительно снижаются эксплуатационные расходы.

Нижняя тяга

Ионные двигатели способны создавать тягу в диапазоне микроньютонов. Это делает ионные двигатели идеальными для управления и обеспечения устойчивости космических аппаратов в космических миссиях. Однако наличие более низкой тяги также означает, что их нельзя использовать в качестве эффективного пускового механизма, поскольку потребуются миллионы этих двигателей для создания тяги, сравнимой с тягой химического ракетного двигателя. В целом, мы видим, что электростатические ионные двигатели лучше используются для движения и управления космическими кораблями, чем для запуска.

Будущее ионных двигателей

Из-за своей гораздо более высокой эффективности ионные двигатели начинают заменять традиционные методы космического движения. Многие геоспутники, работающие на ионных двигателях, могут работать дольше и экономить на энергопотреблении и затратах на запуск. Многие космические корабли, такие как космический корабль NASA Dawn и космический корабль JIMO, используют ионные двигатели в качестве основного двигательного механизма. Дальше будет больше. Исследования ионных двигателей в будущем в основном направлены на использование новых источников энергии, таких как ядерные источники, для разработки более мощных двигателей с ионными двигателями с большей скоростью и тягой. Технологии ионной оптики на основе углерода и электронного циклотронного резонанса увеличат срок службы ионных приводных двигателей и позволят проводить более длительные космические операции. Ионные двигатели могут стать ключом к дальнейшему исследованию космоса.

Космические характеристики различных электростатических и электромагнитных ионных приводов

Библиография

1. «Электродвижение» Википедия wikipedia.org/wiki/Electric_propulsion>
2. «Ионный двигатель NSTAR» Boeing
3. «Электростатический ионный двигатель» Википедия
4. Баттерворт-Хейс, Филип. «Концепции ионного движения». Aerospace America, март 2006 г. Рестон, Америка, март 2006 г.
5. Бета-энциклопедия «Электростатические ионные двигатели».
6. «Ионный двигатель в глубоком космосе 1». Наука в НАСА.
7. «Радиочастотный ионный двигатель» EADS Astrium
8. Э. Фостер, Джон. «Ионный двигатель Hi-PEP». Публикация НАСА. Сентябрь 2004 года. Кливленд, Огайо. Стр. 6
9. Уокер, Роджер. «ESA и ANU совершают прорыв в области двигателей» . Новости европейского звездного агентства, 11 января 2006 г.

.

10. «Ионный двигатель NSTAR» Веб-сайт Исследовательского центра Гленна.
11. Бландино, Джон. «Электродвижение» Движение и энергия. Aerospace America, декабрь 2003 г. Рестон, Америка, декабрь 2003 г.
12. Д.М. Гебель и И. Кац, «Основы электрического движения, ионные и холловские двигатели», John Wiley & Sons, Нью-Йорк, 2008 г. Глава 9.
13. «Автоэлектронная двигательная установка». Сайт Альта-спейс.
14. Лаборатория неравновесной газовой и плазмодинамики «ТЭД и коллоидные двигатели».
15. М. Маррезе, Коллин. «Применение полевых эмиттерных катодов в электродвигателях» Лаборатория реактивного движения. Пасадена, Калифорния.
16. «Двигатель J-2X» Pratt & Whitney.
17. «Ионный двигатель» Википедия
18. «Расширенные концепции силовой установки». Интернет-энциклопедия науки.
19. Эмселлем, Г. «Конструктивные характеристики и характеристики безэлектродного плазменного двигателя». 4-я Международная конференция по двигателям космических аппаратов (ESA SP-555). 2–9 июня 2004 г.

.

20. Грег Гебель. «Усовершенствованные космические ракетные двигательные установки». В ОБЩЕСТВЕННОМ ДОСТОЯНИИ. глава 3 из 7. 01 июня 08.
21. Европейское космическое агентство. «Электродвигатель космического корабля: двигательная установка Smart 1»
22. Компания Элвинг.
23. Роберт Х. Фрисби и Иоаннис Г. Микеллидес. «Ядерно-электрический импульсный индуктивный двигатель (NuPIT): анализ миссии для Prometheus». Калифорнийский технологический институт.
24. Исследовательский центр Гленна. «Магнитоплазмодинамические двигатели». НАСА.

Ионные двигатели: больше не только для TIE-истребителей

Ракетные двигатели космических кораблей бывают разных форм и используют различные виды топлива, но большинство из них основаны на химических реакциях для выброса топлива из сопла, при этом сила реакции приводит в движение космический корабль в противоположном направлении. Эти ракеты обладают высокой тягой, но они относительно неэкономичны по топливу, и поэтому, если вы хотите сильно изменить скорость, вам нужно нести много тяжелого топлива. Доставить это топливо на орбиту тоже дорого!

Ионные двигатели в их различных формах предлагают альтернативное решение – мизерная тяга, но высокая топливная экономичность. Этот крошечный толчок не оторвет вас от земли на Земле. Однако при длительном применении в космическом вакууме это может привести к огромному изменению скорости или дельта V.

Такой способ работы означает, что ионный двигатель и небольшая масса топлива теоретически могут создать дельта-V намного больше, чем у химических ракет, идеально подходит для дальних космических полетов на Марс и других применений. Давайте посмотрим, как работают ионные двигатели, и рассмотрим их интересные применения в мире космических кораблей!

Все дело в удельном импульсе

Химические ракетные двигатели обеспечивают огромную тягу, но им не хватает топлива.
Ионные двигатели не помогут вам выйти из-под земного притяжения и не работают в атмосфере, но станут полезными, когда вы находитесь в космическом вакууме. Предоставлено: НАСА, общественное достояние

Прежде чем мы погрузимся в мир ионных двигателей, важно понять концепцию удельного импульса и эффективности использования топлива для ракетных двигателей всех типов. Удельный импульс измеряет, насколько эффективно ракетный двигатель создает тягу из массы, которую он выбрасывает назад, будь то химическим или любым другим способом. Чем выше удельный импульс ракетного двигателя, тем большую тягу он создает на массу топлива.

Импульс — это интеграл силы по времени, измеряемый в ньютон-секундах. Удельный импульс, когда мы смотрим на импульс на вес топлива, таким образом, измеряется в ньютон-секундах, деленных на ньютоны, или просто в секундах. Это немного сбивает с толку, но для новичков просто имейте в виду, что более высокие значения удельного импульса означают большую эффективность использования топлива.

Для сравнения, твердотопливные ракетные ускорители космического корабля «Шаттл» получают удельный импульс всего 250 секунд, в то время как ракетные двигатели на жидком кислороде и жидком водороде могут достигать около 450 секунд. Электростатические ионные двигатели почти на порядок лучше, порядка 2000-3000 секунд, а некоторые достигают в экспериментах ближе к 10000 секунд, в то время как экспериментальный электромагнитный ионный двигатель VASIMR предсказывает удельный импульс до 12000 секунд.

Повышение топливной экономичности имеет реальные последствия для космических путешествий. Это означает, что ионный двигатель может достичь заданного изменения скорости космического корабля с гораздо меньшим количеством топлива — в некоторых отношениях на порядок меньше. В заявке, касающейся поддержания орбиты МКС, один расчет предполагал, что ионный двигатель может сократить годовое потребление топлива космической станцией с 7500 кг до всего 300 кг. Это имеет эффект потока, когда ракетам-носителям, доставляющим это топливо на космическую станцию, нужно меньше топлива, чтобы вывести его на орбиту, что повышает эффективность по всем направлениям.

Как работает тяга с помощью электричества

Ионные двигатели бывают разных форм, но основной принцип прост: электричество используется для ускорения ионов до высокой скорости, вытесняя их из двигателя, что приводит к реакции сила, которая приводит в движение сам космический корабль. В качестве топлива используется нейтральный газ, который ионизируется за счет отрыва электронов от атомов, в результате чего образуются положительные ионы, которые можно легко ускорить электростатическими или электромагнитными средствами для создания тяги. Ксенон, криптон или аргон являются обычным выбором для этих двигателей, хотя в некоторых конструкциях экспериментировались с другими материалами, такими как магний, цинк и йод. Однако в подавляющем большинстве ионных двигателей используется газообразное топливо.

Электростатические двигатели

Схема электростатического ионного двигателя с сеткой. Износ решеток с течением времени ограничивает срок службы этих двигателей. Предоставлено: NASA

Электростатические ионные двигатели используют различные методы ускорения ионов для создания тяги. Электростатические ионные двигатели с сеткой — одна из наиболее популярных конструкций, в которых рабочий газ бомбардируется электронами с образованием ионизированной плазмы. Затем набор электродов с сеткой заряжается разностью потенциалов, ускоряя положительные ионы, выходящие из двигателя. Затем отдельный катод выбрасывает низкоэнергетические электроны в выхлопной поток двигателя, чтобы гарантировать, что космический корабль не получит чистый отрицательный заряд.

Двигатели на эффекте Холла заменяют электроды с сеткой на газораспределительный анод и магнитное облако электронов, действующее как сам катод. Более тяжелые положительные ионы выбрасываются из двигателя, а более легкие электроны остаются в магнитном поле. Точно так же внешний катод используется для нейтрализации выхлопного потока, как и в конструкциях двигателей с сеткой.

Схема двигателя на эффекте Холла. Сотни таких двигателей использовались для стабилизации советских спутников в 20 веке. Предоставлено: Финли МакУолтер, общественное достояние

Эти конструкции нашли широкое применение в реальных миссиях. Одно из первых применений было в советских спутниках, которые использовали двигатели на эффекте Холла вместо химических ракет для обслуживания станций. Именно здесь спутники должны периодически применять тягу с течением времени, чтобы противодействовать тонкому атмосферному сопротивлению, которое они испытывают. Крошечная тяга, обеспечиваемая двигателями на эффекте Холла, подходит для этой цели, поскольку применяется в течение длительного периода для значительного общего изменения скорости. Потребляемая мощность этих двигателей составляла порядка 1,35 кВт, создавая тягу 83 мН для удельного импульса около 1500-3000 секунд.

Более поздняя технология применена на китайской космической станции Тяньгун, которая использует четыре двигателя на эффекте Холла для поддержания своей орбиты с течением времени. НАСА также надеется использовать эту технологию на космическом корабле Psyche, который будет использовать четыре двигателя на эффекте Холла SPT-140. Инженеры подсчитали, что загруженный 922 кг ксенонового топлива потребуется в 15 раз больше топлива, если вместо этого Psyche будет полагаться на химические ракеты.

Двигатель на эффекте Холла SPT-140 проходит испытания. Четыре таких двигателя будут установлены на космическом корабле NASA Psyche. Авторы и права: НАСА, общественное достояние

Ионные двигатели с сеткой также нашли широкое применение. Ионный двигатель НАСА NSTAR был установлен на зонде Deep Space 1, который был отправлен в полет к комете и астероиду в конце 1990-х годов. Ионный двигатель с сеткой выдавал всего 92 мН тяги при мощности 2,1 кВт, но его высокий удельный импульс в 1000–3000 секунд позволил значительно сэкономить массу по сравнению с химической ракетой для межпланетного путешествия. Ионный двигатель, работающий на ксеноне, проработал в общей сложности 16 265 часов во время миссии, обеспечив общее изменение скорости (дельта-V) 4,3 километра в секунду, что является самым большим показателем для любого космического корабля, использующего собственную бортовую двигательную установку.

Другие миссии в дальнем космосе также полагались на эту технологию. Зонд JAXA Hayabusa полагался на ионный двигатель, чтобы помочь ему встретиться с астероидом Итокава. Миссия НАСА Dawn также использовала эту технологию, будучи оснащенной тремя такими же ксеноновыми ионными двигателями, которые использовались в программе Deep Space 1, хотя на практике запускались только по одному. НАСА было более чем готово указать на низкую тягу, доступную от двигательной установки, отметив, что разгон до 60 миль в час займет четыре дня, что плохо сравнимо с 3,5 секундами, достигнутыми средним современным Ferrari.

Электромагнитные двигатели

Прототип магнитоплазмодинамического (MPD), испытанный НАСА. Предоставлено: НАСА, общественное достояние

Электромагнитные ионные двигатели генерируют свою тягу из нейтральной плазмы, якобы состоящей из равного количества положительных ионов и отрицательных электронов, и часто упоминаются в литературе как «плазменные двигатели». Они бывают разных конструкций, в большинстве из которых используется радиоэнергия для ионизации газа в камере. Затем создается магнитное поле для ускорения в целом нейтральной плазмы из двигателя. Эти конструкции часто имеют то преимущество, что им не нужны специальные электроды нейтрализации для исправления дисбаланса заряда выхлопных газов, а также они не используют электроды в газовом потоке для ускорения ионов, уменьшая источник износа по сравнению с электростатическими конструкциями.

Одним из наиболее хорошо разработанных примеров является двигатель VASIMR VX-200, который с 2008 года разрабатывается в различных формах компанией Ad Astra Rocket. Цель состоит в том, чтобы запустить двигатель на уровне мощности 100 кВт в течение 100 часов, чтобы показать, как двигатель может генерировать огромную дельта-V для долгосрочных миссий. В июле 2021 года компания достигла рубежа в 82,5 кВт за 28 часов. Двигатель работает со скоростью истечения порядка 50 км/с, с удельным импульсом около 5000 секунд.

Электромагнитные конструкции часто обещают большую тягу, чем электростатические двигатели, хотя большинство из них все еще находятся на стадии исследований. Проблемы с такими конструкциями включают проблемы с потреблением высокой мощности и проблемы с отработанным теплом. Если бы это удалось преодолеть, такие конструкции, как увеличенный электромагнитный двигатель VASIMIR, могли бы доставить космический корабль с Земли на Марс всего за 39 дней по сравнению с шестимесячным путешествием обычной химической ракеты. Единственное, вам понадобится источник питания, способный выдавать от 10 до 20 мегаватт мощности, и поместить его в космический корабль.

Взгляд в будущее

Ионные двигатели в их различных формах в некотором роде представляют собой технологию, которая еще не доказала свою полную эффективность. Они уже добились больших успехов, отправляя небольшие космические зонды в дальние пункты назначения, потребляя при этом гораздо меньше топлива. Тем не менее, мы все еще далеки от того, чтобы использовать их, чтобы помочь нам доставлять людей в пункты назначения за пределами нашей собственной орбиты. Предстоит еще многое сделать, прежде чем вы отправитесь в свой будущий космический отпуск на корабле с ионным двигателем, но через 50 или 100 лет ионный корабль может стать горячим билетом на Марс!

Ion Propulsion — Propulsion 2

1. Что такое Ion Propulsion?
2. Конструкция ионного двигателя
3. Теория ионного двигателя
4. Преимущества
5. Недостатки

Ионный двигатель — это разновидность электрического двигателя, используемого для приведения в движение космических кораблей. Он создает тягу, ускоряя ионы с помощью электричества. Здесь топливо ионизируется, а затем попадает в область сильного электрического поля, где происходит ускорение положительных ионов. Проходя через сетку, они покидают двигатель в виде высокоскоростной выхлопной струи. Электроны не уходят, поэтому выхлоп заряжен положительно. В конечном итоге это приведет к возникновению тормозящего поля между космическим кораблем и выхлопом, и, таким образом, поток электронов будет разряжаться в выхлоп, чтобы нейтрализовать космический корабль. Электроны несут небольшой импульс, поэтому на тягу это не влияет.

На приведенной ниже схеме показано, что двигатель разделен на две камеры. Топливо поступает в ионизационную камеру в виде нейтральных молекул газа. В камере возникает радиальное электрическое поле, и электроны испускаются с катода (который может быть термоэмиссионным эмиттером). Электроны ускоряются радиальным полем и достигают энергии в несколько тонн электрон-вольт, что достаточно для ионизации нейтральных атомов ракетного топлива при столкновении.

Чтобы увеличить длину пути электронов и гарантировать, что они столкнутся с как можно большим количеством нейтральных атомов, предусмотрено аксиальное магнитное поле, которое заставляет их двигаться по спирали. Таким образом, ионизация становится эффективной; то есть количество образующихся ионов в зависимости от электронного тока максимально.

Теоретически вся электрическая энергия в электротермическом двигателе поступает в выхлопной поток, но в электромагнитном двигателе каждый ион в выхлопе должен создаваться с энергией около 20–30 эВ на ион. Эта энергия не уходит в движение, а теряется. Таким образом, важно максимизировать эффективность ионизации.

Атомы ионизированного топлива дрейфуют под небольшим отрицательным полем через первую сетку в ускорительную камеру. Сетки имеют высокий потенциал поперек них и разнесены на 1-2 мм. Ионы набирают энергию в сильном электрическом поле и, проходя через внешнюю сетку, формируют ионный пучок. Нет необходимости в сопле для создания тяги, потому что движение ионного пучка упорядочено, а не хаотично.

Принципиальная схема ионного двигателя

Конструкция ионного двигателя :

Ионный двигатель состоит из пяти основных частей : источника питания, блока обработки энергии, системы управления топливом, управляющего компьютера. и ионный двигатель. Источник питания может быть любым источником электроэнергии, но обычно используются солнечные или атомные батареи. Солнечная электрическая двигательная установка использует солнечный свет и солнечные элементы для выработки электроэнергии. Ядерная электрическая двигательная установка использует ядерный источник тепла, соединенный с электрическим генератором.

Блок обработки энергии преобразует электроэнергию, вырабатываемую источником питания, в мощность, необходимую для каждого компонента ионного двигателя. Он генерирует напряжения, необходимые для ионной оптики и разрядной камеры, и большие токи, необходимые для полых катодов. Система управления топливом управляет потоком топлива из топливного бака к двигателю и полым катодам. Он был разработан до такой степени, что больше не требует движущихся частей. 9Управляющий компьютер 0254 контролирует и контролирует работу системы. Затем ионный двигатель обрабатывает топливо и энергию для приведения в движение космического корабля.

Теория ионного двигателя :

Концепция ионного двигателя проста, как описано выше. Теория работы также относительно проста, и, поскольку она сильно отличается от теории тепловой ракеты, полезно включить здесь краткое описание, чтобы можно было оценить сильные стороны и ограничения.

Как и во всех реактивных двигательных установках, тяга в конечном счете зависит от передачи количества движения от выхлопного потока к транспортному средству. Скорость истечения напрямую определяется разностью потенциалов между решетками. Каждый из ионов, падающих через эту разность потенциалов, получает фиксированное количество энергии, которое непосредственно преобразуется в скорость.

Другим параметром тяги является массовый расход. Для ионного двигателя это напрямую связано с током, протекающим между сетками, а сам ионный ток становится выхлопным потоком. Чтобы увеличить тягу данного ионного двигателя, необходимо увеличить ток; но его нельзя увеличивать бесконечно, так как существует естественный предел. Именно этот предел мы можем исследовать теоретически.

Схематическая диаграмма ионного двигателя с сеткой

Преимущества ионного двигателя :

• Удельный импульс очень высок.
• Ионный двигатель очень эффективен. Он может давать свою небольшую тягу в течение очень длительного времени.
• Ионные двигатели потребляют очень небольшое количество газа и разгоняют его до очень высоких скоростей, в отличие от химических двигателей, которые потребляют большое количество газа и выбрасывают его на малых скоростях.

Недостатки ионного двигателя :

• Очень низкое ускорение по сравнению с химическими ракетами.
• Низкая тяга не позволяет использовать его для старта с поверхности планеты — тяга просто слишком мала, корабль вообще не будет двигаться (к тому же ионные двигатели работают только в вакууме).
• В отличие от химической ракеты (где топливо также является источником энергии), ионному двигателю также нужен внешний источник энергии.

Чтобы найти больше тем на нашем веб-сайте…

Поиск:

Хотите сослаться на Википедию? Пожалуйста, нажмите здесь…

Ищи:

Пожалуйста, подпишитесь на нас и поставьте лайк 🙂

Ионная двигательная установка — DLR Portal

Космический корабль Dawn с ионным двигателем

Изображение
1/3,
Кредит:

НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт/UCLA/McREL.

Космический аппарат Dawn с ионным двигателем

Ионный двигатель Dawn потребляет максимум 2500 Вт. Для выработки электроэнергии на расстоянии до 420 миллионов километров от Солнца космический корабль имеет большие солнечные батареи с размахом 20 метров.

Загрузка

Ионный двигатель во время пробного запуска

Изображение
2/3,
Кредит:

НАСА/Лаборатория реактивного движения.

Ионный двигатель во время пробного запуска

Ионная двигательная установка во время пробного запуска с характерной синей струей ионов ксенона, ускоренных в магнитном поле.

Download

Ксеноновый бак зонда Dawn

Изображение
3/3,
Кредит:

НАСА/Лаборатория реактивного движения.

Ксеноновый бак зонда Dawn

450 кг инертного газа ксенона в этом резервуаре хватает примерно на 50 000 часов работы.

Скачать

В отличие от большинства межпланетных зондов, Dawn приводится в движение не химическим ракетным двигателем, а ионно-солнечной силовой установкой, особенно подходящей для дальних полетов. Эта инновационная концепция двигателя была впервые использована в 1998 году в миссии НАСА Deep Space 1 к комете Боррелли. В 2004 году европейцы успешно испытали собственную ионную двигательную установку на лунном зонде Smart 1. Обе миссии были важными техническими демонстрациями для дальнейшего развития электрических космических двигательных установок.

В ионной двигательной установке электроны выбрасываются в магнитное поле, содержащее благородный газ ксенон. При ударе атом ксенона теряет один из своих отрицательно заряженных электронов и превращается в положительно заряженный ион. Затем магнитное поле ускоряет ионы ксенона из реактивной струи. Результирующая тяга не превышает давления листа бумаги на вытянутую ладонь — крошечная по сравнению с химическими ракетными двигателями, но все равно эффективная.

Секрет заключается в долговечности ионной технологии. В то время как химические двигательные установки работают всего несколько минут, генерируя тягу за этот короткий период, электрические двигатели могут работать недели и даже месяцы, постепенно разгоняя космический корабль небольшими шагами. В длительном межпланетном перелете их тяга даже теоретически может превысить тягу самой мощной ракеты-носителя.

Ключом к долговечности космических аппаратов с ионным двигателем является их низкий расход топлива. Для работы Dawn в течение 24 часов требуется всего 250 граммов ксенона. В конце миссии двигатели проработают 50 000 часов и израсходуют всего 425 кг ксенона. Тогда каждый килограмм топлива будет производить в 10 раз больше тяги, чем килограмм водорода и кислорода в обычном ракетном двигателе.

На пути к Весте «Рассвет» достиг самого большого увеличения скорости, которого когда-либо достигал любой межпланетный космический корабль. Все маневры ускорения и торможения, взятые вместе, вплоть до самой нижней орбиты вокруг Цереры, составят около 2000 дней работы трех ионных двигателей «Рассвета»; общее изменение скорости космического корабля за это время составит 38 620 километров в час — это, по сравнению с обычной технологией химических двигателей, почти тяга американской ракеты Delta II.

Экономия топлива ионного двигателя позволяет Dawn следовать амбициозной траектории, которая была бы невозможна с химическим двигателем, оставаясь при этом в пределах затрат. Впервые в истории космонавтики космический корабль выйдет на орбиту вокруг двух небесных тел последовательно. Веста, а затем и Церера вначале выведут космический корабль на орбиту на расстоянии нескольких тысяч километров. Запустив свою двигательную установку, Dawn проведет несколько недель, приближаясь к целевому объекту по внутренней спирали.

Продолжить чтение

Контакт

• Elke Heinemann

  Немецкий аэрокосмический центр (DLR)

  
  
  Коммуникации и отношения со СМИ
  

• Ulrich Köhler

  Немецкий аэрокосмический центр (DLR)

  Институт планетарных исследований

Досье по данной теме

• Рассвет — Миссия на Весте и Церере

Загрузки

• 9Брошюра 0018: Рассвет — миссия к астероидам Веста и Церера (2011)

  1 МБ I PDF

  Миссия к астероидам Веста и Церера

• Больше публикаций

Больше публикаций

Новый двигатель нового космического корабля

						12 ноября 1998 г. Противоположности притягиваются, а симпатии отталкиваются. Это верно в отношении любви и даже в большей степени в отношении электричества и магнетизма, где этот принцип управляет бесчисленными электрическими и магнитными штуковинами — от компасов и электродвигателей до электронно-лучевой трубки, которая, вероятно, позволяет вам читать это.
		. Художественная визуализация Deep Space 1. Предоставлено НАСА. Связанные Почему файлы Астероиды Совершенно новая планета Кометы Далекая планета? Роботы на Марсе				. Предполагается, что отталкивание противоположностей приведет космический корабль Deep Space 1 на широкую орбиту Солнца. Но футуристический двигатель таинственным образом вышел из строя всего через несколько минут после включения, и операторы космического корабля пытаются выяснить, что же пошло не так. В то время как футуристический корабль — если он тронется в путь — планирует посетить астероид и распадающуюся комету, его настоящая задача — проверить технологии снижения затрат для предстоящих космических миссий. Как и многие корпорации, НАСА заинтересовано в сокращении штатов, поэтому корабль спроектирован так, чтобы работать с небольшим количеством человеческих советов — его компьютеры следят за его состоянием, расставляют приоритеты и звонят домой только в случае одиночества (фактически раз в неделю). Хотя план состоит в том, чтобы испытать автономную эксплуатацию всего за одну неделю, сравните средний космический корабль, на котором присутствует фаланга тепло- окровавленных надзирателя сгрудились перед экранами компьютеров. Назовите это заговором НАСА по экономии денег или подавлению загара монитора. Помимо автоматизации, запуск Deep Space 1 25 октября привлек внимание к ионному двигателю, который мы обязаны назвать двигателем «космической эры». За годы, потраченные на «Звездные войны» и «Звездный путь», вы узнаете ионный двигатель как невероятно мощную альтернативу ракете, которая разгоняет заряженные частицы (ионы) до дьявольских скоростей. Вы знаете, что ионные двигатели могут толкать город-9Космический корабль размером 0433 к далеким галактикам до того, как первый барабан будет наполовину закончен. Слабак, но упорный Тем не менее, даже если маленький двигатель Deep Space 1, наконец, отправится в космос и будет работать так же хорошо, как на земле, он не оправдает этих ожиданий. Да, он разгонит ионы примерно до 60 000 миль в час, но ускорит ли он многие из них? Даже с педалью в пол, двигатель толкает космический корабль так же сильно, как лист бумаги давит вашу руку. Этот ионный двигатель не для нетерпеливых, так как потребуется целый день, чтобы разогнать корабль еще на 30 футов в секунду — примерно так же быстро, как если бы он разогнался после падения гравитации Земли на 9 секунд.0254 одна секунда . Тем не менее, после нескольких месяцев работы эта крошечная сила разгонит корабль до 8000 миль в час.
		Deep Space 1 поднимается со своего рабочая платформа, дающая крупный план экспериментального ионного двигателя на солнечной энергии . Ионный двигатель — это первый химический двигатель, отличный от , который будет использоваться в качестве основного средства приведение в движение космического корабля. Предоставлено НАСА.				Так в чем же большое преимущество? Эффективность. Двигатель толкает свой выхлоп примерно в 10 раз быстрее, чем химический выхлоп ракеты, говорит Роберт Нельсон, ученый миссии Deep Space 1. Если принять во внимание большую солнечную батарею, говорит он, фактическое преимущество падает примерно вдвое: Суть в том, что, если принять во внимание все компромиссы между этим двигателем и обычными химическими двигателями, вы можете управлять космическим кораблем в межпланетном полете примерно с одним-девятью часами.0433 пятая масса для топлива». Но сокращение массы за счет этого может привести к значительному выигрышу на самом дорогом этапе — в первую очередь, в отрыве от земли. «Когда вы уменьшаете массу космического корабля в пять раз, это большое дело», — говорит Нельсон. Эти преимущества обещают снизить вес и стоимость миссии — обе цели Deep Space 1. Пока мы ожидаем потенциального исправления двигателя, мы попытаемся ответить на эти мучительные вопросы: что такое ионный двигатель и как он работает? Ионный двигатель перемещает ионы за счет электростатического отталкивания. Ксеноновое топливо поступает слева. Катод испускает электроны, которые врезаются в атомы ксенона, выбивая электрон и создавая положительные ионы ксенона. Ионы выталкиваются давлением газа через отверстия в положительной сетке. Затем электрическое поле между положительной и отрицательной сетками ускоряет ионы и выбрасывает их обратно. Луч нейтрализуется электронами. В противном случае ионы будут притягиваться обратно к отрицательной сетке, компенсируя тягу. Предоставлено НАСА. Все заряжено… Ионный двигатель делает две простые вещи. Он создает заряженные частицы — или ионы — и ускоряет их в направлении, противоположном предполагаемому направлению движения. Ионные двигатели подвергают атомы (в данном случае ксенон) воздействию электронов, которые выбивают электроны из атомов, образуя заряженные ионы ксенона. Ионы реагируют на магнитные и электрические поля, и эти ионы притягиваются к положительной сетке в задней части камеры обжига. Электрическое поле сети ускоряет ионы, превращая их в призрачный голубой луч, движущийся со скоростью около 60 000 миль в час. Последним шагом является нейтрализация этого пучка ионов. В противном случае они будут притянуты обратно к положительным поверхностям космического корабля и компенсируют тягу. В то время как Deep Space 1 является первой миссией, использующей ионный двигатель в качестве основного двигателя, ионный двигатель совершил полет в 1964 году и проработал 31 минуту. Второй двигатель проработал пять месяцев после запуска в 1970 году. Несмотря на привлекательность высоких технологий, ионные двигатели основаны на том же элементарном ньютоновском принципе, что и обычные ракетные двигатели: на каждое действие есть равная и противоположная реакция. Выхлоп идет в одном направлении, а ракета движется в другом. Несмотря на экзотическую конструкцию, ионный двигатель основан на том же простом уравнении, что и любой другой ракетный двигатель. Сила (F), которую он производит, равна массе (M) движущегося топлива, умноженной на его ускорение (A). Таким образом, F = МА. Поскольку химические ракеты «всего лишь» ускоряют свой выхлоп примерно до 6000 миль в час (здесь это только относительное слово!), увеличение скорости выхлопа может освободить космический корабль от этого тупикового физического уравнения: для увеличения тяги требуется больше топлива, но все же ускорение этого топлива занимает вечно- больше топлива. Вместо увеличения F за счет добавления массы двигатель делает то же самое, увеличивая A, что позволяет уменьшить M. Помимо чрезвычайной скорости луча, самой большой новинкой ионного двигателя является его источник энергии. Химические ракеты хранят энергию в химикатах, а ионные двигатели получают энергию от солнечных батарей, которые вырабатывают электричество для электростатического поля, движущего ионы. Это ограничивает мощность двигателя до 2400 Вт, производимых этими фотогальваническими элементами. Таким образом, солнечно- 9Ионные двигатели 0433 можно использовать во внутренней части Солнечной системы, где много солнечного света. Нельсон говорит, что они могут работать так далеко, как пояс астероидов. . — Дэвид Тененбаум Чтобы узнать об удивительных перспективах рентгеновской астрономии, нажмите здесь!
						. Кредиты | Обратная связь | Поиск ©1998, Университет Висконсина, Попечительский совет.

Ионный двигатель — Марспедия

Ионные двигатели требуют источников энергии, ядерных или солнечных.

Электрические приводы не являются новой технологией. Они доступны уже много лет. Однако отсутствие подходящей миссии и, в частности, отсутствие адекватного источника энергии затормозило их развитие. Хотя электрическая тяга не очень мощная, она исключительно эффективна и может применяться в течение очень длительного времени. Таким образом, несмотря на крошечные ускорения, транспортное средство с ионными двигателями может в конечном итоге достичь очень высоких скоростей.

Содержание

• 1 Электротермические силовые установки
  • 1.1 Резистор
  • 1,2 Аркджеты
  • 1.3 Микроволновые двигатели и двигатели ECR
• 2 Электромагнитные двигательные установки
  • 2.1 Магнитоплазмодинамические (MPD) двигатели ^[1]
  • 2,2 ВАСИМР
  • 2,3 Импульсные плазменные двигатели
• 3 Электростатические силовые установки
  • 3.1 Эффект Холла
  • 3,2 Ионная сетка
  • 3.3 Коллоидные ускорители и FEEP
  • 3,4 НаноПТ
• 4 Термоядерные ионные системы
  • 4. 1 Масштабированный радиоизотопный позитронный двигатель
  • 4.2 Термоядерный синтез с импульсным делением (PuFF)
• 5 Пропелленты
  • 5.1 Межзвездная плазма
  • 5.2 Водород
  • 5,3 Ксенон
  • 5,4 Аргон
  • 5,5 Криптон
  • 5,6 Вода
  • 5,7 Гелий
  • 5,8 Жидкие металлы
  • 5,9 Наножидкости
• 6 Каталожные номера

Электротермические двигательные установки

Электродвигатели Resistojets

Arcjets

Arcjet нагревает топливо с помощью электрической дуги, а не химической реакции. Следовательно, это тепловой двигатель. ISP от дугового реактивного двигателя может быть выше, чем для химической ракеты, но остается на уровне около 500 с, что на порядок меньше, чем требуется для систем, более эффективных, чем стандартные химические ракеты.

Микроволновые и ЭЦР двигатели

Электромагнитные двигательные установки

Магнитоплазмодинамические (MPD) двигатели ^[1]

В двигателе MPD газ ионизируется, превращается в плазму и подается в ускорительную камеру, где происходит взаимодействие между электрическим током в плазме и магнитным полем, создаваемым электромагнитами, толкает плазму до высоких скоростей. Васимир является приложением этого принципа.

Один из лучших кандидатов на межпланетный двигатель. Однако, поскольку он более эффективен при больших размерах, отсутствие подходящего источника энергии для проверки принципа в космосе затормозило развитие этой технологии. Возможны двигатели с тягой до 500 Н и более. ВЫСШИЙ ^[2] , усовершенствованный двигатель MPD, использующий высокотемпературные сверхпроводники, был предложен для использования в миссиях Земля/Луна, и он также может повысить грузоподъемность для миссий Земля/Марс.

VASIMR

Двигатель Vasimr (магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом) по состоянию на 2011 год имеет оптимальный удельный импульс 5000 с. Требуемая мощность 200 кВт, КПД 60%, тяга 6 Н. Топливо — аргон, но можно использовать и другие газы. Концепция должна быть масштабируемой до 500 Н на единицу.

Импульсные плазменные двигатели

Вещество превращается в всплеск плазмы короткоживущей электрической дугой (представьте себе свечу зажигания), и плазма ускоряется электрическим полем между анодом и катодом. Это простой, но неэффективный тип двигателя, который при КПД 10% не подходит для транспортировки на Марс.

Тем не менее, в ^[3] предлагается гораздо более мощная версия, которая, хотя по-прежнему имеет КПД всего 50%, может быть дополнительно модернизирована для обеспечения требуемой тяги. Предлагаемым топливом будет литий. Дизайн очень простой и может быть очень легким.

Электростатические двигательные установки

Эффект Холла

Двигатель на эффекте Холла — это (в основном) российская технология. Налетано более 200 единиц. Производительность двигателя сравнима с ионной сеткой. Двигатели на эффекте Холла физически меньше двигателей с ионной решеткой. Это явное преимущество для некоторых конфигураций. Википедия цитирует эффективность до 75%

Ионная решетка

Двигатель с ионной решеткой представляет собой зрелую технологию, характеристики которой очень близки к требованиям межпланетной транспортной миссии.

Текущая модель НАСА — двигатель NEXT. Тяга двигателя очень мала, 0,2 Н на двигатель, при мощности 6,9 кВт и КПД 70%. Топливо — ксенон. Имея ширину около 600 мм на единицу, они физически велики.

Двигатель Hipep Ion имеет КПД 80% и характеристики, аналогичные NEXT. HIPEP имеет прямоугольную форму и может быть собран в плотные сетки. Тестируемая модель имела размеры 600 мм x 1200 мм (приблизительно, требуется подтверждение).

Коллоидные ускорители и FEEP

NanoFET

Эта технология находится на очень ранних стадиях разработки. Топливо состоит из крошечных капелек полупроводников, заключенных в белковую оболочку. Метод движения использует электрические поля для ускорения частиц. Эффективность может быть очень высокой. Предполагаемый рынок — это микроспутники, но, возможно, можно будет «распечатать» большие платы этих микродвигателей, используя технологии производства микропрессоров, и в конечном итоге достичь требуемой тяги (с миллионами двигателей).

Термоядерные ионные системы

Масштабированная радиоизотопно-позитронная двигательная установка

Экспериментальная система, описанная в ^[4] , продемонстрированная в ^[5] и анимированная в ^{[6] 0007 60006 Dynamics Positron. основывается на более ранней работе по соединению энергии, полученной в результате аннигиляции электронов / позитронов, с дейтерием [8] , формируя возможную конструкцию высокопроизводительного ракетного двигателя. В этой конструкции 79 Kr замораживается на охлаждаемой пластине, образуя источник позитронов при естественном распаде. Эти позитроны затем замедляются, формируются в последовательность импульсов, а затем фокусируются через набор оптики ионного пучка на дейтерий, содержащийся на металлической ленте. Затем эти позитроны аннигилируют электроны в дейтерии, быстро высвобождая энергию и зажигая термоядерный синтез. Затем плавящийся дейтерий образует расширяющийся шар горячей плазмы, который выходит через магнитное сопло, обеспечивающее тягу. Он также испускает нейтроны, воспроизводящие 79 Kr из 78 Kr хранится в резервуарах вокруг реакционной камеры. Затем 79 Kr обогащается из резервуаров Kr с помощью процесса обогащения, предложенного Миллсом и др. [9] .}

Pulsed Fission Fusion (PuFF)

PuFF ^{[10] [11]} — экспериментальная двигательная установка космического корабля, использующая высокоэнергетическую плазму, образующуюся в результате управляемой микротермоядерной детонации, похожая на микродвигатель Orion с прогнозируемой Исп 30 000 секунд, тяга 29КН и вес космической системы 240 тонн ^{[12] [13]} , что позволяет теоретически профилировать полет с Земли на Марс за 39 дней ^[14] . 4_2He}}} + п {\ displaystyle {\ ce {n}}} + ~ 17 МэВ {\ displaystyle {\ ce {17 МэВ}}} 94_2He}}} + p{\displaystyle {\ce {p}}} + ~18МэВ{\displaystyle {\ce {18МэВ}}}

Эта побочная реакция важна, поскольку, хотя синтез D/D требует больше тепла для воспламенения , он оставляет значительно больше энергии в продуктах реакции вместо высокоэнергетических нейтронов, как в D/T-синтезе ^[19] . Тритий производится на месте за счет захвата нейтронов ⁶ Li в литиевом бланкете вокруг реакционной камеры или, альтернативно, с использованием твердой активной зоны мишени ⁶ LiD ^[20] . Литий, дейтерий и ²³³ U (через торий) достаточно распространены на Марсе, поэтому эту систему можно построить или заправить на Марсе.

Пропелленты

Межзвездная плазма

Дипольный привод ^{[21] [22]} Роберта Зубрина использует заряженные частицы в свободном пространстве для создания тяги через набор внешних электростатических решеток. Эти решетки простираются наружу, как солнечный парус, и ускоряют проходящие через них заряженные частицы за счет электрического поля между ними.

Водород

Водород является эффективным топливом, очень подходящим для двигателей с высоким ISP. Некоторые предлагали извлекать водород из лунных полюсов.

Ксенон

Ксенон — это инертный газ, который относительно легко ионизируется и имеет большую плотность, чем другие инертные газы. Это лучший выбор в качестве топлива для большинства типов ионных двигателей, и его можно использовать в качестве ионизирующего агента в системе охлаждения для обеспечения необходимой плазмы для МГД-генератора. Ксенон довольно дорогой, около 20 долларов за литр (6 г). В атмосфере Земли содержится около 45 миллиардов тонн ксенона. Из соображений стоимости и доступности аргон может быть лучшим выбором, чем ксенон.

Аргон

Аргон — инертный газ, составляющий почти 1% атмосферы Земли. Его можно использовать вместо ксенона в качестве топлива для электрических двигателей. Также должна быть возможность использовать его в качестве ионизирующего агента в системе охлаждения для работы МГД-генератора. Двигатель Vasimir может использовать аргон в качестве топлива. Аргон доступен в марсианской атмосфере и может быть природным ресурсом для космических электрических двигателей.

Криптон

Криптон, еще один инертный газ, используется SpaceX для двигателей в своем проекте Constellation.

Вода

Вода была предложена для некоторых видов тепловых ракет. Высокие температуры и необходимость ионизации в электрических двигателях, вероятно, привели бы к диссоциации воды на ее компоненты.

Гелий

Гелий довольно легко ионизируется.

Жидкие металлы

Натрий, литий, свинец, свинец, висмут, ртуть – все они были предложены для использования в электрических двигателях. Опасения по поводу токсичности во время испытаний привели к отказу от ряда этих металлов.

Жидкие соли

Наножидкости

Наночастицы во взвешенном состоянии в несущей жидкости могут иметь интересные движущие свойства.

Ссылки

1. ↑ http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetoplasmadynamic_thruster
2. ↑ https://www.youtube.com/watch?v=Au54kj-qkpg
3. ↑ http://alfven.princeton.edu/papers/tem_jpc2002.pdf
4. ↑ https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/201
   

   063.pdf
   

5. ↑ https://www.youtube.com/watch?v=HH70-FdP-os
6. ↑ https://www.youtube.com/watch?v=EBjt2CgZACU
7. ↑ http://www.positrondynamics.com
8. ↑ https://doi.org/10.1063/1.5127534
9. ↑ https://link.springer.com/content/pdf/10.1393/ncr/i2011-10064-5.pdf
10. ↑ https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20180008679.pdf
11. ↑ https://www.youtube.com/watch?v=_Ux5UpDWfEU
12. ↑ https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20180006409.pdf
13. ↑ https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20140012884.pdf
14. ↑ https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20140008798.pdf
15. ↑ https://ntrs.