Содержание
Ионный двигатель NASA доставит человека на Марс за две недели
Ученые из Мичиганского университета в сотрудничестве с ВВС США и НАСА вывели на новый уровень ионный двигатель X3, который, в теории, сможет доставить человека на Марс за две недели, пишет Space.com.
Читайте «Хайтек» в
В исследовательском центре NASA Glenn в Огайо исследователи Мичиганского университета смогли увеличить максимальную мощность ионного двигателя X3 (разновидность двигателя Холла) до 100 кВт, что является рекордом для данного типа.
«Мы показали, что X3 может работать с мощностью более 100 кВт, — говорит руководитель проекта Алек Галлимор. — Он работал с огромным диапазоном мощности от 5 кВт до 102 кВт с электрическим током до 260 ампер. Он генерировал 5,4 ньютона тяги, что является самым высоким уровнем тяги, достигнутым любым плазменным двигателем на сегодняшний день». Предыдущий рекорд составляет 3,3 ньютона.
Ионные двигатели используют электричество (обычно генерируемое солнечными батареями или газовым топливом) для вытеснения плазмы — газоподобного облака заряженных частиц — из сопла, создавая таким образом тягу.
По данным NASA, такой метод тяги способен разогнать космический корабль гораздо быстрее, чем химические двигатели. В частности, максимальная скорость химических ракет составляет 5 км/с, тогда как двигатель Холла способен достичь скорости в 40 км/с. Это означает, что корабль с таким двигателем может долететь до Марса за две недели, при условии, что он стартует, когда расстояние между нашими планетами будет минимальным (56 млн км).
SpaceX спровоцирует триллионный бум в аэрокосмической отрасли
Технологии
По словам Галлимора, ионные двигатели к тому же более экономичны и требуют меньше топлива, если пропеллентом выступает газ, вроде ксенона, а не солнечные батареи. Так, исследовательский зонд NASA — Dawn, — который вышел недавно на орбиту карликовой планеты Церес, как раз использует ионный двигатель на базе ксенона.
Минус ионного двигателя состоит в слабой тяге: чтобы разогнать корабль, ему нужно работать довольно длительное время. Поэтому, например, его нельзя использовать на Земле, только в космосе.
Нынешние ионные электрические установки, доступные на рынке, создают тягу всего в 3-4 кВт, тогда, как для отправки человека на Марс нужны более мощные установки, способные достичь мощности в 500 кВт или даже 1 МВт.
Новая ИИ-камера от Google повергла в ужас Илона Маска
Технологии
Ученые надеются, что X3, который сейчас вышел только на уровень 100 кВт, в течение ближайших 20 лет сможет справиться с этой задачей. Особенностью X3 также является его конструкция — вместо одного канала для выхода плазмы, он использует три. Это позволило уменьшить размеры двигателя, сохранив при этом показатели мощности.
В следующем году команда ученых проведет еще один большой тест, задачей которого будет выяснить, сможет ли ионный двигатель малой тяги проработать 100 часов подряд. По словам Галлимора, инженеры также разрабатывают специальную магнитную экранирующую систему, которая должна защитить стенки двигателя от повреждения плазмой. Без нее X3, вероятно, столкнется с поломками уже через несколько тысяч часов, говорит он.
Экран же позволит двигателю работать на полную мощность несколько лет.
Двигатель X3 станет центральной частью электрической силовой установки XR-100, которую разрабатывает Aerojet Rocketdyne для программы NextSTEP.
В МТИ создали дешевую «дышащую» проточную батарею
Идеи
Компания Ad Astra, которую возглавляет астронавт Франклин Чанг-Диас, получила в 2015 году от NASA грант в размере $9 млн на разработку ракетного двигателя, который сможет доставить человека на Марс всего за 38 дней.
Ионный двигатель показал новый рекорд производительности
Привет, Гость!
Войти
Главная »
Блоги Экспертов И ИТ-Компаний »
Ионный двигатель показал новый рекорд производительности
Возможность размещать посты на проекте остановлена
Редакция CNews готова принять пресс-релизы компаний на адрес news@cnews.
ru.
Приглашаем вас делиться комментариями о материалах CNews на наших страницах платформ Facebook, Telegram и Twitter.
Разрабатываемый Мичиганским университетом и ВВС США новый ионный двигатель X3 для аэрокосмического агентства NASA установил новый рекорд эффективности. На фоне этих новостей у некоторых экспертов загорелись глаза, и все они как один предполагают, что такая технология однажды будет использоваться для доставки людей на Марс.
Двигатель X3 относится к так называемому типу ускорителей Холла. Для создания двигательного импульса такая установка создает направленный поток ионов. Генерируемая внутри специальной камеры плазма, которая выбрасывается за пределы корабля, по словам NASA, позволит придать космическому кораблю больший уровень ускорения по сравнению с более традиционными химическими ракетными двигателями.
Самые эффективные химические ракетные двигатели (ХРД) позволяют разгонять космический аппарат до скорости около 5 километров в секунду, в свою очередь, ускоритель Холла способен придавать ускорение до 40 километров в секунду.
Такая эффективность будет крайне полезной для потенциально продолжительных космических полетов, как, например, на Марс. И по мнению людей, занимающихся проектом ионного двигателя, благодаря этой технологии в течение ближайших 20 лет мы сможем открыть дорогу к пилотируемым полетам к Красной планете.
Считается, что ионные двигатели могут быть гораздо эффективнее обычных ХРД, а также экономичнее, так как требуют использования меньшего объема топлива для перевозки аналогичного числа членов экипажа и оборудования на дальние дистанции. Как прокомментировал руководитель проекта разработки ионного двигателя Алек Галлимор порталу Space.com, ионное ускорение способно обеспечить до 10 раз большее покрытие расстояния при использовании одинакового с ХРД объема топлива.
Конечно же, помимо ионных двигателей, есть и другие виды перспективных технологий, дальнейшая разработка которых может вывести человечество на новый виток покоренных космических расстояний. Пожалуй, самым главным недостатком тех же традиционных ХРД является необходимость в доставке в космос огромного объема химического топлива, что, разумеется, повышает и общую массу космического корабля.
Дополнительная масса требует дополнительного топлива, дополнительное топливо повышает массу, ну и так далее. Есть вариант прямоточного ускорителя Буссарда, являющегося по своей сути термоядерным ракетным двигателем, использующим водород космического пространства в качестве топлива. В теории двигатель способен придавать ускорение практически до скорости света, но его крайне низкая эффективность ввиду особенности самой конструкции космического корабля пока оставляет проект под очень большим вопросом. А что же электромагнитный двигатель, который у всех на слуху последнее время? Вокруг него сейчас возникает больше вопросов, чем ответов. И пока мы не разберемся, как он вообще способен работать, а ученые действительно понятия не имеют как, то на лучшее надеяться не приходится.
Фанаты научной фантастики наверняка с энтузиазмом предложили бы использовать идею, которая позволит осуществлять космические путешествия быстрее скорости света – варп. Однако общая теория относительности говорит нам о том, что ничто не способно передвигаться быстрее скорости света.
Тем не менее, если мы найдем способ каким-то образом сжимать и расширять ткань пространства-времени впереди и позади нас, то в теории мы действительно сможем двигаться быстрее скорости света. Но пока современная наука солидарна с тем, что мы даже близко не подобрались к подобным технологиям.
Вернемся к ионным двигателям. Недавние испытания ускорителя X3 показали, что установка способна работать при мощности более 100 кВт и генерировать 5,4 ньютона силы, что на данный момент стало высшим показателем эффективности для любого ионного плазменного двигателя. Он также побил рекорд выходной мощности и показателей рабочего тока. Подобный успех заставил некоторых предположить, что технология в течение ближайших 20 лет начнет использоваться для доставки людей на Марс. Но так ли все замечательно? Пожалуй, лишь только отчасти.
По сравнению с теми же ХРД, ионные двигатели способны создавать очень малый объем ускорения. Другими словами, чтобы достичь того же показателя скорости, что демонстрирует химический ракетный двигатель, ионному требуется гораздо дольше работать.
Это, в свою очередь, не позволяет использовать ионные двигатели, например, в качестве стартовых, при запуске ракеты с Земли.
Инженеры предпринимают попытки решить эти проблемы с новым ионным двигателем X3, где вместо одного канала для выброса ускоряющей плазмы предлагается использование сразу нескольких. Текущей задачей проекта является разработка одновременно достаточно мощного и компактного двигателя. Дело в том, что изначальный прототип получился весьма габаритным. В то время как большинство созданных ускорителей Холла можно вручную переносить по лаборатории, X3 приходится передвигать с помощью небольшого крана.
В 2018 году инженеры собираются провести новую серию тестов и в конечном итоге посмотреть на работу двигателя, который будет оперировать в течение 100 часов без перерыва. Инженеры также ведут разработку системы экранирования, которая защитит стенки ускорителя от воздействия раскаленной плазмы, что позволит двигателю работать гораздо дольше, возможно, даже в течение нескольких лет.
Взято с hi-news.ru
Источник: https://portaltele.com.ua/news/technology/ionnyj-dvigatel-pokazal-novyj-rekord-proizvoditelnosti.html
Данный материал является частной записью члена сообщества Club.CNews.
Редакция CNews не несет ответственности за его содержание.
5 лет назад
| тэги:
Технології
Комментарии
Другие публикации
Редакция CNews готова принять пресс-релизы компаний на адрес [email protected].
Приглашаем вас делиться комментариями о материалах CNews на наших страницах платформ Facebook, Telegram и Twitter.
Ионные двигатели с сеткой (NEXT-C) — Исследовательский центр Гленна
СЛЕДУЮЩАЯ Испытательная стрельба ионного двигателя
На этой странице:
Двигатели
Эволюционный ксеноновый двигатель НАСА (NEXT) представляет собой ионный двигатель с сеткой.
В ионном двигателе ионы ускоряются электростатическими силами. Электрические поля, используемые для ускорения, генерируются электродами, расположенными на нижнем по потоку конце двигателя. Каждый набор электродов, называемый ионной оптикой или сеткой, содержит тысячи коаксиальных отверстий. Каждый набор апертур действует как линза, электрически фокусирующая ионы через оптику. В ионных двигателях НАСА используется двухэлектродная система, в которой верхний электрод (называемый сеткой экрана) заряжен сильно положительно, а нижний электрод (называемый сеткой ускорителя) заряжен сильно отрицательно. Поскольку ионы генерируются в области высокого положительного потенциала, а потенциал сетки ускорителя отрицателен, ионы притягиваются к сетке ускорителя и фокусируются из разрядной камеры через отверстия, создавая тысячи ионных струй. Поток всех ионных струй вместе называется ионным пучком. Сила тяги — это сила, которая существует между ионами вверх по потоку и сеткой ускорителя. Скорость истечения ионов в пучке зависит от напряжения, подаваемого на оптику.
В то время как максимальная скорость химической ракеты ограничена тепловой способностью сопла ракеты, максимальная скорость ионного двигателя ограничена напряжением, подаваемым на ионную оптику (которое теоретически не ограничено).
Предполагается, что NEXT будет примерно в три раза мощнее, чем NSTAR, используемый на космических кораблях Dawn и Deep Space 1. NEXT обеспечивает большую доставляемую полезную нагрузку, меньший размер ракеты-носителя и другие усовершенствования миссии по сравнению с химическими и другими электрическими двигательными технологиями для миссий Discovery, New Frontiers, Mars Exploration и Flagship по исследованию внешних планет. Исследовательский центр Гленна изготовил ионизационную камеру активной зоны испытательного двигателя, а компания Aerojet Rocketdyne спроектировала и построила узел ускорения ионов. Первые две летные единицы будут доступны в начале 2019 года..
Производительность
Двигатель NEXT представляет собой тип электрической силовой установки, в которой системы двигателей используют электричество для разгона ксенонового топлива до скорости до 90 000 миль в час (145 000 км/ч или 40 км/с).
NEXT может производить двигатель мощностью 6,9 кВт и тягой 236 мН. Он может быть снижен до мощности 0,5 кВт и имеет удельный импульс 4190 секунд (по сравнению с 3120 у NSTAR). Двигатель NEXT продемонстрировал общий импульс 17 МН·с; что является самым высоким полным импульсом, когда-либо продемонстрированным ионным двигателем. Площадь вывода пучка в 1,6 раза больше, чем у NSTAR, позволяет увеличить входную мощность двигателя при сохранении низкого напряжения и плотности ионного тока, тем самым продлевая срок службы двигателя.
Испытания
В декабре 2009 года прототип прошел испытания продолжительностью 48 000 часов (5,5 лет). Рабочие характеристики подруливающего устройства, измеренные во всем диапазоне дроссельной заслонки подруливающего устройства, оказались в пределах прогнозируемых, двигатель показал незначительные признаки деградации и готов к выполнению задач.
Статус
Первые два летательных аппарата будут доступны в начале 2019 года, как раз к возможному использованию в миссии «Новые рубежи-4».
После этого двигатель NEXT-C будет доступен для покупки как НАСА, так и промышленностью через Aerojet Rocketdyne.
Блок обработки энергии
Блок обработки энергии на ионном двигателе NEXT-C управляет выходной мощностью двигателей. Два блока обработки энергии полета (PPU) разрабатываются корпорацией Aerojet Rocketdyne в Редмонде, штат Вашингтон, и ZIN Technologies в Кливленде, штат Огайо, в поддержку проекта NEXT-C.
Производительность
Блок обработки питания работает от двух источников: широкой входной шины большой мощности от 80 до 160 В и маломощной шины номинальным напряжением 28 В. В состав блока входят шесть блоков питания. Четыре источника питания (пучок, ускоритель, разряд и держатель нейтрализатора) необходимы для работы в установившемся режиме, а два источника питания катодного нагревателя (нейтрализатор и разряд) используются во время запуска двигателя. В целом установка выдает до 7 кВт регулируемой мощности на один ионно-решетчатый двигатель.
Тесты
В настоящее время проект находится на стадии прототипа и готовится к экологическим испытаниям квалификационного уровня.
Наследие
Ионный двигатель изучается с начала 1960-х годов. Исследовательский центр Гленна НАСА имеет долгую историю лидерства в области электрических двигателей и в настоящее время является ведущим центром НАСА по ионным двигателям.
NSTAR
NASA Solar Electric Propulsion Technology Application Ready (NSTAR) Ion Thruster
Программа NASA Solar Technology Application Readiness (NSTAR) предоставила единую строку, первичную IPS для космического корабля Deep Space 1. 30-сантиметровый ионный двигатель работает в диапазоне входной мощности от 0,5 до 2,3 кВт, обеспечивая тягу от 19 мН до 92 мН. Удельный импульс колеблется от 1900 с при 0,5 кВт до 3100 с при 2,3 кВт. Требования к конструкции летного двигателя и PPU были получены с помощью около 50 опытно-конструкторских испытаний и серии испытаний на износ в NASA GRC и JPL продолжительностью 2000 часов, 1000 часов и 819 часов.
3 часа с использованием двигателей инженерной модели. Полетные массы двигателя, ППУ и БКИУ составили 8,2 кг, 14,77 кг и 2,51 кг соответственно. На верхнюю плиту ППУ было добавлено около 1,7 кг массы, чтобы удовлетворить требованиям микрометеороида DS1. Силовой кабель между двигателем и ППУ состоял из двух отрезков, которые соединялись в полевой развязке. Масса троса двигателя 0,95 кг, масса троса ППУ 0,77 кг. Сухая масса системы хранения и питания ксенона составляла около 20,5 кг. Всего для полета было загружено 82 кг ксенона. Двигатели и PPU были изготовлены для NASA GRC компанией Hughes, а DCIU был построен компанией Spectrum Astro, Inc. Разработка системы питания была результатом совместных усилий JPL и Moog, Inc.
Космический корабль DS1 был запущен 24 октября 1998 года. В течение следующих трех месяцев были завершены космические испытания и демонстрация технологии IPS. К 27 апреля 1999 года была завершена основная тяга двигательной системы NSTAR, необходимая для встречи с астероидом Брайля.
Время тяги в конце апреля составило 1764 часа. Уровни входной мощности двигателя варьировались от 0,48 кВт до 1,94 кВт. 26 июля 1999 г. DS1 получил данные спектрометра и изображения шрифта Брайля через пятнадцать минут после пролета.
Миссия DS1 была расширена, чтобы продолжить движение по профилю тяги до встречи с кометой Боррелли в сентябре 2001 года. К 30 октября 2000 года ионный двигатель наработал 6630 часов тяги. Ионный двигатель NSTAR уже продемонстрировал расход топлива более 30 кг. Для сравнения, ионный двигатель SERT II израсходовал около 9 кг ртути. Производительность по топливу является приблизительным признаком полной импульсной способности. После встречи с кометой Боррелли ионный двигатель проработает более 10 000 часов.
Информационные бюллетени
| Информационный бюллетень НАСА «Эволюционный ксеноновый двигатель — коммерческий» (NEXT-C) (1 ноября 21) | Информационный бюллетень |
Впервые в космосе ученые тестируют ионные двигатели, работающие на йоде
Вот уже несколько лет научно-фантастическая механика ионных двигателей поднимает стандарт для летающих космических кораблей, заменяя огненные хвосты ракет в качестве новой вещи.
Ионный двигатель может быть примерно в 10 раз быстрее, чем обычное топливо, и может непрерывно работать в течение длительных периодов времени, набирая по пути невероятную скорость.
Один недостаток, однако, в том, что он обычно используется с ксеноновыми двигателями. Миссия JAXA Hayabusa2 использовала классический ксенон в качестве топлива. Ксенон, тяжелый благородный газ, исключительно редко встречается на Земле, дорог и сложен в обслуживании. Вот почему французская аэрокосмическая компания ThrustMe реализует план по совершенствованию технологии ионного двигателя. Вместо ксенона предлагают использовать йод.
Йод невероятно распространен, недорог и прост в хранении с минимальными усилиями. Морские водоросли, типографская краска, молочные продукты и даже поваренная соль богаты нереактивным элементом.
«Йод значительно более распространен и дешевле, чем ксенон, и имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что его можно хранить без давления в виде твердого вещества», — говорится в заявлении Дмитрия Рафальского, технического директора и соучредителя ThrustMe.
Вместе со своей командой Рафальский разработал рабочую двигательную установку с ионно-йодным двигателем, названную НПТ30-И2. Он включает в себя все подсистемы, необходимые для ионной технологии, и умещается в одном корпусе размером примерно 10x10x10 сантиметров (около 4x4x4 дюймов).
Использование йода в качестве топлива для космических кораблей уже давно обсуждалось. Но что отличает ThrustMe, так это то, что он фактически отправил спутник в космос с помощью своего устройства, и операция прошла успешно. Свои результаты он опубликовал в среду в журнале Nature.
«Хотя йод считается революционным топливом и исследуется компаниями, университетами и космическими агентствами по всему миру, — пишет команда в своей статье, — ни одна система ранее не тестировалась в космосе».
ThrustMe интегрировала свою систему в исследовательский спутник Beihangkoshi-1, которым управляет глобальная космическая компания Spacety. Корабль был выведен на орбиту ракетой «Чанчжэн-6» 6 ноября 2020 года.
С тех пор команда ThrustMe тщательно изучает каждый аспект двигательной установки, и, согласно ее наблюдениям, все работает так, как ожидалось.
«То, что наши результаты рецензируются экспертами и общедоступны, придает сообществу дополнительную уверенность и помогает создать эталон в отрасли», — говорится в заявлении Ане Анесланд, генерального директора и соучредителя ThrustMe.
Прорыв ионного двигателя
Чтобы космический корабль двигался вперед, ему нужно что-то толкать назад. Это понятие является классическим ньютоновским мнением: «каждое действие имеет равное и противоположное противодействие». Обычные двигатели внутреннего сгорания воспламеняют химические вещества в топливе, создавая газ (и прекрасное пламя), который выталкивается выхлопными газами в нижней части космического корабля. Это толкает его вверх.
Проблема с этим методом движения космического корабля заключается в том, что он работает только короткими рывками — «действие» двигателя должно быть всегда «включено» для противоположной «реакции» космического корабля.
Ионные двигатели немного отличаются. Вместо того, чтобы выбрасывать интенсивный поток топлива, они используют концепцию, называемую ионизацией. Процесс работает примерно так:
В каждом атоме каждого элемента есть некоторое количество электронов, частиц с отрицательным зарядом, и протонов, частиц с положительным зарядом. Когда атом нейтрален, обычно это стабильное состояние, количество электронов в нем равно количеству протонов. Это создает чистый нулевой заряд для атома.
Когда атом ионизируется, меняется количество электронов — чего добиваются ионные двигательные установки.
Ионный двигатель забирает и удаляет электроны из группы атомов, превращая их в заряженные «ионы». При наличии четного числа отрицательных и положительных ионов создается нейтральная среда, называемая плазмой. Суть плазмы в том, что она реагирует на электрические или магнитные поля.
Ионные двигатели имеют внутри магнитные сетки, которые создают поля и в конечном итоге выбрасывают положительные ионы.
Ионы, выбрасываемые с чрезвычайно высокой скоростью из задней части космического корабля, толкают его вперед. Бонусный балл? Двигатели используют значительно меньше «топлива», чем химические ракеты.
Несмотря на то, что поначалу толчок очень легкий — один ученый НАСА описывает первоначальный толчок как легкий удар — со временем он набирает скорость. В течение дней, месяцев или лет скорость увеличивается сама по себе.
Ксенон обычно используется для этой операции, потому что, поскольку это благородный газ, его легче оторвать или оторвать от электронов. Он также уже находится в газообразном состоянии, что способствует продвижению процесса индукции плазмы. Но, согласно ThrustMe, атомы йода являются достойным конкурентом.
Йод лучше?
Йод имеет ряд ограничений. Основная причина, по которой ученые не занимались созданием йодных двигателей в прошлом, заключается в том, что этот элемент слишком агрессивен в твердом состоянии. Но чтобы сохранить йод в качестве игрока в игре с двигателями, необходимо хранить его в твердом состоянии, потому что это обеспечивает самое дешевое обслуживание.
Команда пишет, что «йод обладает высокой электроотрицательностью, что может привести к коррозии многих распространенных материалов» и что «вибрации во время запуска и движения космического корабля на орбите могут привести к тому, что твердый йод распадется на куски, что может привести к повреждению двигательной установки или привести к плохому тепловому контакту при нагреве».
Но с другой стороны, экипаж преодолел это препятствие, используя керамические контейнеры для переноса атомов йода в двигатели, что, казалось, помогло. Они также обнаружили, что твердый йод можно легко нагреть, чтобы он превратился в газ и начался процесс ионного движения.
Следует также отметить, что другие компании, такие как SpaceX, также ищут новые соединения для ионных двигателей. Исследователи говорят, что SpaceX выбрала криптон в качестве топлива для спутников Starlink. «Однако, — пишут они в статье, — криптон имеет более высокий порог ионизации и меньшую атомную массу, чем и ксенон, и йод, а требуемая мощность двигательной установки увеличивается более чем на 25% для достижения того же уровня тяги».