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

Ионный двигатель для ракет. ESA испытало прямоточный ионный двигатель. Двигатель на антиматерии

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

Европейское космическое агентство провело испытания прямоточного ионного двигателя, использующего в качестве рабочего тела воздух из окружающей атмосферы. Предполагается, что небольшие спутники с таким двигателем смогут практически неограниченно находиться на орбитах с высотой 200 или менее километров, сообщается в пресс-релизе агентства.

Принцип работы ионных двигателей основан на ионизации частиц газа и их разгоне с помощью электростатического поля. Частицы газа в таких двигателях разгоняются до значительно больших скоростей, чем в химических двигателях, из-за чего ионные двигатели имеют гораздо больший удельный импульс и расходуют меньше топлива. Но у ионных двигатель есть и важный недостаток — крайне малая тяга, по сравнению с химическими двигателями. Из-за этого они редко применяются на практике, в основном на небольших аппаратах. К примеру, такие двигатели используются на зонде Dawn, сейчас на орбите карликовой планеты Церера, и будут использоваться в миссии BepiColombo , которая должна отправиться к Меркурию в конце 2018 года.

Как и в химических двигателях, в используемых сейчас ионных двигателях применяется запас топлива, как правило, ксенона. Но существует и концепция прямоточных ионных двигателей, которая, правда, пока не применялась на летавших в космос аппаратах. Ее отличие заключается в том, что в качестве рабочего тела предлагается использовать не конечный запас газа, загружаемый в бак перед запуском, а воздух из атмосферы Земли или другого атмосферного тела.

Схема работы двигателя

ESA–A. Di Giacomo

Предполагается, что относительно небольшой аппарат с таким двигателем сможет практически неограниченно находиться на низких орбитах с высотой примерно от 150 километров, компенсируя атмосферное торможение тягой двигателя, работающего на поступающем в него воздухе из атмосферы. В 2009 году ESA запустило спутник GOCE , который смог за счет постоянно включенного ионного двигателя с запасом ксенона пробыть на 255-километровой орбите в течение почти пяти лет. После этого агентство занялось разработкой прямоточного ионного двигателя для аналогичных низкоорбитальных спутников, и теперь провело первые испытания такого двигателя.

Испытания проходили в вакуумной камере, в которой располагался двигатель. Изначально в него подавали ускоренный ксенон. После этого в газозаборное устройство начали добавлять смесь кислорода с азотом, имитирующую атмосферу на высоте 200 километров. В конце испытаний инженеры провели тесты с исключительно воздушной смесью для проверки работоспособности в основном режиме.

Испытания двигателя с воздухом в качестве топлива

Прямоточный ионный двигатель

Создание ионного двигателя

Мы продоожаем рассказывать про виды двигателей
.

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 , 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-200 может дать тягу уже в 5 ньютонов.

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

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

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

Напоследок видео испытаний ионного двигателя
VX-200.

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.

Самый эффективный двигатель в космосе

Содержание

1. Преимущества и недостатки обычных двигателей
2. Принцип работы ионного двигателя
3. Откуда берутся ионы
4. Где использовались
5. Поиск решения
6. Альтернативные решения
7. Российские двигатели

Когда мы смотрим на зрелищные пуски космических кораблей, у многих невольно возникает вопрос — почему двигатели в них до сих пор работают на химическом топливе? Неужели взрывать кучу водорода или керосина — это лучшее, что мы можем сделать?

Принцип работы ракет кажутся очень примитивными — берем тонны жидкого или твердого топлива, поджигаем его с помощью окислителя, а затем используем энергию вырывающихся газов, чтобы получить ускорение.

Несмотря на примитивность, такой тип двигателей вполне подходит для своих задач — струя газа дает ракете достаточное ускорение, чтобы преодолеть земное притяжение и выйти в космос. Кроме того, такому двигателю не нужны атмосфера — окислитель ракета несет на своем борту.

Преимущество химического двигателя заключается в том, что он вырабатывает огромное количество энергии за короткое время — как раз то, что нужно, чтобы поднять большое количество груза в космос. Однако критический недостаток этих двигателей заключается в том, что они невероятно неэффективны.

К примеру, ракета-носитель тяжелого класса «Ангара-А5», при стартовой массе 780 тонн, выводит на низкую опорную орбиту 24 тонны полезного груза или на геостационарную около 4 тонн. К тому времени как ракета выходит на заданную орбиту, все топливо в двигателях заканчивается. Конечно, ни о каких маневрах или ускорениях в течение недель или даже месяцев, речи идти не может.

Вполне предсказуемо, что перечисленные недостатки химических ракет, подтолкнули ученых к поиску других принципов работы двигателей, особенно для аппаратов, уже выведенных в открытый космос. И одним из самых удачных вариантов сегодня, является ионный двигатель.

Ионный двигатель

Одна из важнейших характеристик эффективности космического двигателя — скорость выброса вещества. Самая эффективная химическая ракета может выбрасывать горячие газы из сопла со скоростью 5 км/с. Ионные двигатели, могут выбрасывать отдельные атомы со скоростью 90 км/с — такая скорость выброса дает космическому аппарату гораздо более эффективное ускорение.

Лучшие химические ракеты имеют КПД около 35%, в то время как ионные двигатели имеют коэффициент полезного действия 90%.

Принцип работы ионного двигателя

Глядя на то, как работает ионный двигатель, невольно вспоминаешь научную фантастику. Вместо горячих газов ионные ускорители выбрасывают ионы — заряженные частицы вещества, образованные из атомов или молекул, когда те приобретают или теряют один, или несколько электронов.

В случае с ионным двигателем они испускают положительно заряженные ионы, которые потеряли свой электрон. С помощью магнитного поля, двигатель ускоряет их до невероятных скоростей и выбрасывает из сопла, передавая ускорение космическому аппарату.

Откуда берутся ионы

Двигатели создают их, генерируя плазму внутри аппарата. Нейтральные атомы газа, например, ксенона, бомбардируются электронами. Эти столкновения высвобождают еще больше электронов, превращая их в положительно заряженные ионы. Эта плазменная смесь из электронов и положительно заряженных ионов имеет общий нейтральный заряд.

При этом электроны удерживаются в камере, что приводит к еще большей ионизации, в то время как положительные ионы откачиваются через специальную сетку. Когда они проходят через эту сетку, высокое напряжение ускоряет их до 90 км/с. Каждый вылетевший из сопла ион придает крошечное ускорение аппарату.

Вся система работает от солнечных батарей, поэтому нет необходимости в дополнительной системе питания или аккумуляторах, что значительно увеличивает полезную нагрузку аппарата.

Большая проблема заключается в том, что ускорение от ионов действительно крошечное. Тяга ионных двигателей измеряется в миллиньютонах, то есть в тысячных долях ньютона. Это можно сравнить с удержанием листка бумаги в руке — вот какие силы задействованы.

Однако эти двигатели могут непрерывно работать в течение нескольких дней, недель и даже месяцев, ускоряясь и постепенно набирая скорость. У химических ракет, для сравнения, топливо закончилось бы за несколько минут. Поэтому если космический аппарат уже выведен из гравитационного поля планеты, ионный двигатель становится весьма эффективным.

Некоторые космические агентства уже использовали ионные двигатели в своих миссиях в космосе. И хотя разработки велись на протяжении десятилетий, применить их долгое время не решались из-за большого риска.

Где использовались

1 миссия стартовала в 1998 году. НАСА запустило космический аппарат «Deep Space 1», на борту которого испытывалось 12 новых экспериментальных технологий. Например, электроника с низким энергопотреблением, солнечные концентраторы, различные научные приборы и солнечная электрическая двигательная установка. Ионные двигатели аппарата работали в течение огромного количества времени позволив получить информацию о нескольких астероидах, кометах и даже долететь до Марса.

Космический аппарат «Deep Space 1»

После успеха миссии, НАСА предоставило новый аппарат «Dawn» с тремя дополнительными ионными двигателями. Это позволило космическому аппарату выйти на орбиту астероида Веста, произвести наблюдения, свернуть с орбиты и отправится к карликовой планете Церера. При этом топлива в баке аппарата хватит, чтобы посетить еще несколько космических объектов.

Чтобы лучше понять силу ионных двигателей, представьте, что разгон аппарата «Dawn» от 0 до 100 км/ч. занимает примерно 96 часов непрерывной работы. Не самый быстрый современный автомобиль легко наберет эту скорость за 10 секунд.

Космический аппарат «Dawn»

Ионные двигатели использовались для переноса космического аппарата Европейского Космического Агентства «Smart 1» с околоземной орбиты на лунную, а также на японском космическом аппарате «Хаябуса». Этот тип двигателей испытывался на Земле, и успешно выдержал более 5 лет непрерывной работы.

Поиск решения

Как уже упоминалось, основная проблема ионных двигателей заключается в очень малой тяге, однако у ученых уже есть некоторые идеи для ее увеличения.

Первая — значительно увеличить количество электричества и силу магнитного поля, используемого для ускорения ионов. Для этого, вместо солнечных панелей, НАСА рассматривало возможность создания ионного двигателя, работающего на ядерном реакторе. Агентство планировало миссию по изучению ледяных спутников Юпитера. Новый ионный двигатель «NEXIS», работающий на ядерном реакторе, должен был доставить аппарат по очереди: к Ганимеду, Каллисто и, затем, к Европе.

Ионный двигатель «NEXIS»

Космический аппарат планировалось вывести на орбиту Земли по частям, произвести сборку, после чего запустить к Юпитеру с помощью 8 ионных двигателей. Полет до точки назначения длился бы от 5 до 8 лет. На изучение Каллисто, а затем Ганимеда отводилось 6 месяцев, затем аппарат должен был выйти на орбиту Европы и через 30 дней покинуть место назначения. При удачном течении экспедиции, аппарат мог бы посетить еще орбиту Ио — еще одного спутника Юпитера. Миссия была отменена в 2005 году.

Альтернативные решения

Есть и другие способы увеличения мощности ионных двигателей. НАСА, например, тестирует версию ионных двигателей с высокой тягой, известную как двигатель на эффекте Холла «X3». Этот двигатель способен развивать 5,4 ньютона силы. Это все еще очень мало, но несравнимо больше чем у предыдущих двигателей, развивающих мощность в тысячные доли ньютонов.

Одна из перспективных идей для ионных ускорителей разрабатывается в Европейском Космическом Агентстве. Это прямоточный ионный двигатель, для которого не требуются топливные баки — на низких орбитах, он втягивает молекулы воздуха прямо из атмосферы, ионизирует их и выбрасывает из сопла, создавая тягу. Поскольку электроника будет работать на солнечной энергии, а топливо для двигателей будет забираться прямо из атмосферы, он сможет работать без дозаправки в течение неограниченного количества времени. Такую технологию можно применять не только на орбите Земли — ее можно использовать везде, где есть атмосфера: на Марсе, Венере или Титане.

Российские двигатели

В СССР работы по ионным двигателям велись еще с начала 80-х годов. Сегодня в космических аппаратах для коррекции орбиты спутников используются стационарные плазменные двигатели (СПД) производства ОКБ «Факел». Разработкой ионных двигателей также занимается Конструкторское бюро химавтоматики совместно с Московским авиационным институтом.

Исследовательский центр имени М.В. Келдыша (входит в состав Госкорпорации «Роскосмос») рассчитывает провести летные испытания новых ионных двигателей в 2025-2030 годах. Такие двигатели малой мощности будут использоваться в низкоорбитальных малых космических аппаратах, высокой — в тяжелых транспортных системах. Стандартный срок активного существования современной двигательной установки, как и аппарата в целом, — 15 лет.

Ионные двигатели уже внесли свой вклад в освоение космоса, и в ближайшие годы мы увидим еще больше миссий, оснащенных ими. Они могли бы стать первым шагов в освоении Марса в ближайшие десятилетия.

МКС, Луна, другие планеты: куда долетят плазменные двигатели

— Плазменные двигатели находят все большее применение в космосе, у России в этой области сохраняются лидирующие позиции. Расскажите, когда задумались об использовании таких двигателей?

— Это произошло в начале 60-х годов. Но первые идеи по ускорению ионов электрическим полем в слое плазмы с поперечным магнитным полем были высказаны еще в конце 50-х годов научным сотрудником Института атомной энергии (ИАЭ) Аскольдом Жариновым. И в 1961 году им была предложена схема двигателя с анодным слоем, реализующая эту идею. Вслед за этим в 1962 году другой сотрудник ИАЭ Морозов Алексей Иванович предложил ускорять ионы в протяженном слое плазмы со скрещенными электрическим и магнитным полями полями определенной конфигурации, и первые лабораторные модели будущих стационарных плазменных двигателей (СПД) были созданы в ИАЭ под его руководством к 1964 году. К 1968 году были созданы уже длительно работающие модели,

а в 1972 году на спутнике «Метеор» были проведены первые испытания этих двигателей, которые оказались очень успешными.

Обычно спутник при его запуске не попадает точно на ту орбиту, которая является удобной с точки зрения периодического обзора поверхности Земли. И этот экспериментальный двигатель смог изменить высоту орбиты спутника примерно на 17 км и перевести его на так называемую солнечно-синхронную орбиту, что было воспринято как большой успех и ускорило дальнейшие разработки СПД (стационарного плазменного двигателя. — «Газета.Ru»).

— К электрореактивным двигателям относятся плазменные и ионные двигатели. В чем их отличие?

— В ионном двигателе ускоряются электрическим полем только ионы и формируется униполярный (с зарядами одного знака) поток. Поэтому через систему ускорения в каждый момент времени можно пропустить только определенный поток ионов, потому что их объемный заряд ограничивает плотность тока ионов и плотность получаемой тяги.

К настоящему времени разработано несколько типов плазменных двигателей. Основное их отличие от ионных двигателей состоит в том, что ускорение истекающих из двигателя ионов в них осуществляется в плазменной среде, содержащей в единице объема примерно одинаковое число ионов и электронов, что снимает ограничение тока ускоряемых ионов их объемным зарядом. Это позволяет получать в плазменных двигателях существенно большие плотности потока ускоренных ионов и реактивной тяги, а двигатели для получения одинаковой тяги получаются значительно меньших размеров.

— СССР лидировал в области разработки СПД?

— После первого запуска СССР работы по созданию СПД ускорились, и вплоть до 90-х годов их разработка проводилась только в СССР. Американцы начинали эти работы также в начале 60-х годов, но через несколько лет забросили их, сочтя, что эти двигатели не очень эффективны.

После того как у нас все пошло хорошо, американцы и специалисты других стран вернулись к идее в начале 90-х годов. Они стали знакомиться с результатами, приглашать наших специалистов, завязывать совместные работы. И к 2000-м годам они накопили опыт для того, чтобы начать собственные разработки.

— Чем определяется срок службы двигателя, запасом топлива или износом?

— Срок службы, конечно, определяется тем, сколько рабочего вещества («топлива») заправлено в баки (как и в автомобиле). Кроме того, всякий двигатель все равно рано или поздно изнашивается. Оказалось, что в СПД трудно идеально сфокусировать поток ионов, который «задевает» стенки разрядной камеры и «стесывает» их, что определяет ресурс двигателя. Первые двигатели могли работать 100 часов, первые полетевшие двигатели могли работать тысячи часов, а современные двигатели могут уже работать десятки тысяч часов.

Так что в настоящее время ресурс двигателя, как правило, превышает необходимый для его работы в течение срока активного существования космического аппарата.

Электроракетные двигатели (ЭРД) отличаются от химических реактивных двигателей тем, что они экономнее использует рабочее вещество, которое в зарубежных работах называется «топливом». Это основное достоинство ЭРД. Если у жидкостного реактивного двигателя скорость истечения газов составляет максимум 4-5 км/с, то СПД уже обеспечивает скорость истечения 10-20 км/с. А сегодня этот показатель достигает и 30 км/с, что в 3-10 раз лучше, чем у химических двигателей малой тяги. Соответственно, для получения одной и той же тяги необходимо тратить во столько же раз меньше рабочего вещества.

— Что служит топливом?

— «Топливо» характерно для химических двигателей, в которых энергия на его ускорение получается за счет его сжигания. В ЭРД же частицы рабочего вещества ускоряются за счет электрической энергии, подводимой к двигателю извне. До самого последнего времени в СПД в качестве рабочего вещества использовался ксенон. Это инертный газ с большой атомной массой, хорошо ионизируется и неплохо хранится. В последнее время начал использоваться и криптон. Он похуже с точки зрения эффективности двигателя, но зато существенно дешевле. С ксеноном проблема в том, что он очень дорогой, редко распространен в природе и производится в относительно небольших количествах. До последнего времени в мире добывалось лишь несколько десятков тонн ксенона в год.

И поэтому, когда понадобилось большое количество рабочего вещества, Илон Маск для своей многотысячной группировки Starlink перешел на криптон. Тут нас американцы уже опередили.

Наши работы по криптону пока были чисто исследовательскими, поскольку такой потребности жесткой у нас не было и до его применения у нас дело еще не дошло.

— Почему, тем не менее, западные компании используют наши СПД ОКБ «Факел»?

— «Факел» начал разрабатывать СПД, начиная с первого образца, испытанного в космосе, и с тех пор производит двигатели СПД-50, СПД-70, СПД-100 и СПД-140, которые летают на наших и западных спутниках. Поэтому у «Факела» накоплен очень большой опыт создания именно летной продукции, и в достаточно больших объемах. Как результат, у двигателей «Факела» очень мало отказов. На Западе же до последнего времени не было специализированных предприятий, которые промышленно выпускали этот тип двигателей, и у них не было такого большого опыта применения СПД в космосе, как у «Факела».

— Какую главную проблему решают СПД в космосе?

— До последнего времени это было в основном приведение в рабочую точку на геостационарной орбите (ГСО) и поддержание спутников в этой точке в течение 10-15 летнего срока их активного существования, что позволяло уменьшать массу необходимого для этого РВ и за счет этого увеличивать массу целевой аппаратуры. В последние годы решается новая проблема: у нас есть определенный набор ракет-носителей (РН), которые могут выводить на опорные орбиты КА определенной массы, а дальше либо разгонным блоком доводят КА на ГСО, либо потихонечку (из-за малой тяги) переводят его на целевую орбиту с помощью СПД. Из-за малой тяги тратится больше времени, но зато можно доставить туда в полтора-три раза большую массу за 3-6 месяцев..

Например, «Протон», используя традиционный разгонный блок, может вывести на ГСО чуть больше 3 тонн, а «Союзы» — около полтонны.

Если же использовать ЭРД, то «Союз» с РБ и ЭРД уже может доставить на ГСО 2-2,5 тонны. А на «Протоне» с РБ и ЭРД спокойно доставляются туда 4 и больше тонн. Это получается долго, но эффект по доставляемой массе в конечном счете значительно больше. Чем дольше мы работаем с ЭРД, тем больше эффект по массе.

— Если СПД у нас используются давно, то в чем заключается ваша работа в МАИ по созданию электрореактивной системы довыведения и коррекции орбиты аппаратов повышенной массы?

— Наш институт уже многие годы работает с АО «Информационные спутниковые системы» (АО ИСС), являющимся основным разработчиком геостационарных спутников связи и передачи информации в России, по поиску путей и разработке способов использования ЭРД для повышения эффективности названных спутников. Эти работы проводились как по отдельным договорам между МАИ и АО ИСС, так и в рамках кооперации науки и промышленности в соответствии с постановлением правительства №218. При этом наши специалисты изучили разные носители, разные разгонные блоки, разные схемы выведения, программы управления тягой. В чем сложность полета на ЭРД? Космический аппарат с системой управления его движением на основе ЭРД делает много-много витков до того, как он выйдет, например, на ГСО. Ими была обоснована целесообразность применения ЭРД, и были разработаны и рекомендованы новые программы управления этим движением с малой тягой.

Далее у нас был создан макетный образец основных элементов двигательной системы, которая может быть использована для решения названной задачи. Мы изучали совместную работу двигателя СПД-140Д, который у нас еще не применялся, с системой электропитания, которую разработал Томский НПЦ «Полюс». Поскольку двигатель — это газоразрядное устройство, требуется специальная отработка его совмещения с системой электропитания.

Если вы хотите достаточно быстро доставить до целевой орбиты с помощью СПД тяжелый спутник, вам нужна большая тяга — можно использовать два двигателя или двигатели СПД-140 с большей тягой. Поэтому нами велась предварительная проработка такой возможности. Кроме того, нами проведены стыковочные испытания — это совместная работа двигателя, системы преобразования и управления.

Космический аппарат имеет солнечную батарею, которая производит электроэнергию с напряжением 27, 50 или 100 вольт. А дальше для того, чтобы двигатель работал, нужна система преобразования напряжения и управления. Мы показали, что в принципе можно надежно запускать и устойчиво работать с теми двигателями, которые есть сейчас у «Факела», с той системой преобразования и управления, которую разработал НПЦ «Полюс».

Новое направление, которое мы сейчас сами разрабатываем, — это двигатели на криптоне. МАИ экспериментирует с системами разной мощности, начиная от 100 Вт до десятка киловатт. Это достаточно широкий диапазон. Мы создаем конкурентоспособные образцы, которые можно будет переводить в летные. В частности, двигатели небольшой мощности, до 1 кВт, мы уже готовы передавать в промышленность. И уже ждем заказчиков, которые будут делать двигатели.

— Правильность ваших расчетов уже была подтверждена реальными пусками?

— Система довыведения на базе двигателей СПД в России уже сработала при запуске шести спутников на ГСО. Впервые она была реализована при выведении КА «Экспресс АМ5» и «Экспресс АМ6», которые невозможно было доставить на ГСО без использования ЭРД, поскольку массы КА превышали на 100 -200 кг возможности ракеты.

Поэтому были использованы штатные двигатели системы ориентации и коррекции космических аппаратов на базе двигателей СПД-100, и они были доведены до ГСО названными двигателями, которые дальше использовались для коррекции орбит.

— В чем была уникальность парного запуска одним «Протоном» спутников «Экспресс-80» и «Экспресс-103» 31 июля 2020 года?

— На них уже были установлены специальные двигатели, которые были предназначены для довыведения. Общая масса спутников составляла на ГСО более 4 тонн, т.е. значительно больше, чем при обычном запуске на геостационар РН «Протон» с разгонным блоком. С добавлением же ЭРД они одним запуском выводились на промежуточную орбиту, а дальше каждый из них довыводился на свою орбиту двумя двигателями СПД-100. Один за 160, а другой — за 149 суток, а эффект увеличения доставляемой массы на ГСО массы двух КА составил 775 кг.

Время работы геостационарных спутников сейчас составляет примерно 15 лет. По сравнению с 15 годами, даже полгода — это не такая страшная величина. Поэтому многие сейчас так и делают — и у нас, и за рубежом.

— Какие перспективы открывает использование более мощных СПД?

— Американцы рассматривали возможность использования коммерческих двигателей ОКБ «Факел» для реализации межпланетных перелетов. Американские и японские зонды, например, аппарат «Хаябуса», уже летали к астероидам на ионных двигателях. Ионные двигатели обладают еще большими скоростями истечения и считаются более перспективными для реализации полетов в дальний космос. А СПД считаются подходящими для решения околоземных задач. На двигателях типа СПД самый дальний полет был совершен к Луне по Европейской программе «Смарт 1».

Мы так далеко не заглядываем, в основном пока смотрим на Луну в части использования этих двигателей. В частности, рассматриваются варианты лунных паромов, с помощью которых можно перевозить грузы к Луне и/или обратно.

Рассматривалась также возможность реализации межпланетных полетов автоматических космических аппаратов с СПД. Так, наши баллистики уже моделировали полеты таких КА к дальним планетам и показали, что в ряде случаев удается достичь цели даже быстрее, чем с использованием традиционных химических двигателей.

— Можно ли использовать СПД для поддержания высоты орбиты МКС или будущей станции РОСС?

— Предложения такие уже делались и нами, и другими специалистами. Например, МКС можно поддерживать не обычными грузовыми кораблями «Прогресс», а «Прогрессом», оборудованным двигательной установкой на основе СПД, который будет поддерживать станцию на нужной орбите, компенсируя аэродинамическое сопротивление с меньшими затратами рабочего вещества и, следовательно, с меньшим числом запусков «Прогрессов».

— Какого двигателя достаточно для этих целей?

— Например, два двигателя масштаба СПД-140. На МКС электроэнергии принципиально должно хватить, потому что сейчас на борту МКС производится больше 100 кВт и можно выделить нужную мощность на уровне 10 кВт для такой двигательной установки.

Думаю, что и при разработке новой станции РОСС такое предложение может быть реализовано.

— Каковы перспективы создания СПД с питанием от ядерного источника вместо солнечного?

— СПД уже летал с электропитанием от ядерного источника. Прорабатываются также проекты с использованием ядерно-электрических буксиров с ионными двигателями. Это специфичные и достаточно сложные устройства, которые могут быть разработаны и применяться для реализации перспективных лунных и межпланетных программ.

7 Различных типов ракет — На основе движущей силы и их использования

Ракетная двигательная установка — это увлекательная технология. Технология, которая генерирует достаточную тягу для перемещения летательных аппаратов по воздуху. Но знаете ли вы, что ракетная технология была изобретена китайцами в 13 веке?

Конечно, тогда ракеты использовались не для запуска космических аппаратов, а для военных целей. В 1380 году мир увидел свою первую ракетную установку, которая на самом деле была огненной стрелой, названной «осиное гнездо», созданное династией Мин.

До середины 20 века ракеты не использовались в промышленных или научных работах. Фактически, первая ракета, которая могла летать достаточно высоко, чтобы выйти из земной атмосферы, была впервые запущена в 1942 году Германией. В 1957 году Советский Союз запустил первую ракету, которая вывела на эллиптическую низкую околоземную орбиту первый искусственный спутник (Спутник 1).

С тех пор космические агентства и научно-исследовательские центры разработали многочисленные ракетные технологии для получения эффективной тяги. Мы перечисляем самые популярные из них, которые привлекли внимание людей за последние семь десятилетий.

Так сколько на самом деле типов ракет? По сути, ракеты можно разделить на две категории:

На основе движущей силы

1. Твердотопливная Ракета

Космический челнок «Колумбия» был запущен с помощью двух твердотопливных ракет-носителей

Все старые ракеты приводились в движение твердотопливными двигателями. Однако теперь появились новые конструкции, более современные виды топлива и функции с использованием твердого топлива. В настоящее время усовершенствованные твердотопливные двигатели в основном используются на разгонных блоках серии Delta и на сдвоенных разгонных блоках «Спейс шаттла».

Твердое топливо может быть изготовлено из многочисленных соединений, например, черного порошка (содержит древесный уголь, серу и нитрат калия), цинк-серы, нитрата калия и композиционных топлив на основе нитрата аммония или перхлората аммония.

Поскольку эти ракеты могут быть надежно запущены в короткие сроки, а твердое топливо может храниться в течение длительного периода времени, они часто используются в военных целях. Маленькие ракеты, такие как Nike Hercules и Honest John, и большие баллистические ракеты, такие как Vanguard и Polaris, используют двигатели на твердом топливе.

Хотя эти ракеты могут обеспечить высокую тягу при относительно низкой стоимости, они не столь эффективны, как современные ракеты на жидком топливе. Они могут использоваться только для выведения на низкую околоземную орбиту до 2 тонн полезной нагрузки.

2. Ракета на жидком топливе

Как следует из названия, жидкостные ракеты используют жидкое топливо для создания тяги. В отличие от твердого топлива, жидкие состоят либо из одного, либо из двух химических веществ (бипропелленты). Жидкое топливо в значительной степени предпочтительнее твердого топлива из-за его высокой плотности и высокого массового соотношения для ракеты.

Инертный газ хранится в баке двигателя под чрезвычайно высоким давлением для принудительного ввода топлива в камеру сгорания. Хотя двигатели имеют меньшее массовое соотношение, они более надежны и поэтому в основном используются в спутниках для поддержания орбиты.

Жидкие ракеты можно далее разделить на три группы: монотопливные ракеты (с одним топливом), двухтопливные ракеты (с двумя различными видами топлива) и более совершенные трехтопливные ракеты (с тремя видами топлива).

Наиболее популярными являются двухтопливные ракеты, работающие на жидком топливе (углеводороде или жидком водороде) и жидкостном окислителе (жидкий кислород). В ракете может также использоваться криогенный двигатель, в котором и окислитель, и топливо — это газы, которые при низких температурах превращаются в жидкость.

Первый зарегистрированный полет такой ракеты состоялся в 1926 году, когда профессор Роберт Х.Годдард экспериментировал с аппаратом, использующим жидкий кислород и бензин в качестве топлива.

3. Плазменная ракета

Плазменная двигательная установка 1961 г. Предоставлено: НАСА

В плазменном двигателе тяга создается из квазинейтральной плазмы (где ионы и электроны упакованы в равных количествах). Это тип электрического двигателя, который использует токи и потенциалы (производимые внутри плазмы) для ускорения заряженных частиц в плазме.

За последние два десятилетия многие институты работали или в настоящее время работают над плазменными двигателями, включая Иранское космическое агентство, Австралийский национальный университет и Европейское космическое агентство.

Плазменные ракеты могут быть легко построены и использованы не один раз из-за их простой теории работы и дешевого топлива (большое количество газов, а также их комбинации могут быть использованы в качестве топлива). В отличие от обычных химических ракет, плазменные ракеты не используют все свое топливо сразу, что делает их легко пригодными для использования в полете.

Однако самая большая проблема с плазменными ракетами — это производство достаточного количества электричества для превращения газов в плазму. И из-за их относительно низкой тяги они не подходят для запуска тяжелых спутников. В среднем плазменная ракета может производить примерно 1/2 килограмма тяги. Более того, при использовании плазменных двигателей всегда существует вероятность разрушения ракеты.

VASIMR (переменная удельная импульсная магнитоплазменная ракета) — это новейшие типы ракетных двигателей, работающих на плазме, которые ионизируют топливо в плазму с помощью радиоволн. Одним из многих преимуществ плазменного двигателя является его более высокое удельное значение импульса или Isp, чем у любого другого типа ракет.

Хотя плазменные двигатели до сих пор не используются в коммерческих целях, несколько небольших версий уже успешно развернуто и протестировано. В 2011 году НАСА совместно с компанией по производству двигателей, базирующейся в Массачусетсе, запустило в космос на борту экспериментального спутника Tacsat-2 первый в истории подруливающий аппарат Холла (плазменный).

4. Ионная ракета

Испытание зажигания ионного двигателя в Лаборатории реактивного движения НАСА

Ионные двигатели — это еще одна форма электрического движения, которая использует электрический ток для ускорения положительных ионов. Более конкретно, они используют электростатическую или электромагнитную силу для ускорения ионов и создания тяги.

Ионные двигатели ионизируют топливо, добавляя/удаляя электроны для получения ионов. Ксенон в основном используется в качестве топлива из-за его ионизирующих возможностей и высокой атомной массы, которая производит достаточное количество тяги при ускорении ионов.

Поскольку ксенон является инертным газом с впечатляющей плотностью хранения, его можно эффективно хранить на космических аппаратах. Большинство ионных двигателей используют процесс, известный как термоэмиссия для получения электронов.

Ионные двигатели не могут работать в атмосфере Земли, где ионы присутствуют вне двигателя. Они не могут преодолеть никакого заметного сопротивления воздуха и работают только в вакууме пространства. В настоящее время ионные двигатели (разработанные НАСА) используются для поддержания более чем 100 геосинхронных спутников связи в надлежащем положении.

Первой в мире успешной миссией в дальнем космосе с использованием ионных двигателей была НАСА Deep Space 1 (в 1990 году). Позже JAXA запустила космический корабль Hayabusa в 2003 году, который все еще находится в эксплуатации.

На данный момент НАСА работает над двумя различными ионными двигателями — кольцевым двигателем и эволюционным ксеноновым двигателем НАСА, чтобы увеличить срок эксплуатации космических аппаратов и снизить эксплуатационные расходы.

На основе использования

5. Ракетный автомобиль

Opel RAK.2

Возможно, вы слышали о реактивных машинах, но что насчет ракетных машин? В отличие от реактивного автомобиля, ракетный автомобиль несет и топливо, и окислитель, что устраняет необходимость в компрессоре и воздухозаборнике, что, в свою очередь, снижает общий вес и минимизирует сопротивление.

Эти автомобили могут работать на своих двигателях в течение коротких промежутков времени (<20 секунд), и благодаря их великолепному соотношению тяги к весу они могут быстро достигать высокой скорости.

Ракетные автомобили когда-то были популярны среди гонщиков драг-рейсинга в Соединенных Штатах, но после огромного роста цен на перекись водорода они потеряли свое преимущество и в конечном итоге были запрещены в стране по соображениям безопасности. Тем не менее они все еще работают в некоторых частях Европы.

В 2018 году Tesla Motors обнародовала свои планы по производству дорожных автомобилей с ракетным двигателем. Он будет доступен в качестве дополнительной комплектации в моделях Roadster. Компания будет интегрировать двигательное оборудование (двигатели с холодным газом), которые используют сжатый воздух для повышения производительности.

6. Ракетный ранец

Концепция ракетного ранца существует почти столетие, но она не стала популярной вплоть до 1960-х годов. Это маломощная силовая установка, которая перевозит людей из одного места в другое на небольшие расстояния.

В ракетных пакетах обычно используется перекись водорода в качестве топлива для перемещения человека по воздуху. Однако технология ракетного блока практически не продвинулась с 1950-х гг. Общий массовый коэффициент, по-видимому, является главным виновником, который ограничивает время полета до секунд.

Хотя легкие двигатели, работающие на кислороде и паре, могут обеспечить приличную величину тяги, ракета дает относительно низкую скорость выхлопа и, следовательно, слабый удельный импульс. Существующие реактивные ранцы могут летать только приблизительно 30 секунд, с максимальной скоростью около 120 км/ч.

Реактивные ранцы также могут быть построены с турбореактивными двигателями, работающими на керосиновом реактивном топливе. Они могут достигать большей высоты и более длительного полета, длящегося несколько минут, но их сложно построить и слишком дорого. До сих пор был изготовлен только один рабочий прототип, который прошел летные испытания в 1960-х годах.

7. Ракетный самолет

Самолет X-15

Ракетные двигатели также могут быть использованы в авиации. Ракетные самолеты могут достигать гораздо более высоких скоростей, чем самолеты аналогичного размера, но только на небольших расстояниях. А поскольку им не нужен атмосферный кислород, они идеально подходят для полетов на больших высотах.

Ракетные самолеты были впервые спроектированы немцами во время Первой мировой войны. Однако у этих первоначальных конструкций были некоторые серьезные проблемы с производительностью, которые позже были устранены британскими инженерами в 1950-х годах, когда они разработали свои очень эффективные турбореактивные конструкции. Они могут обеспечить более короткие взлеты и намного более высокое ускорение.

Из-за интенсивного использования ракетных двигателей ракетные двигатели в основном используются в самолетах-перехватчиках и космических самолетах. X-15 является одним из самых популярных образцов ракетных самолетов. Это был ракетообразный самолет с своеобразным клиновидным вертикальным хвостом и короткими крыльями, построенный Североамериканской авиацией. На этапе эксплуатации он установил рекорд высоты и скорости в 354 200 футов и 4 520 миль в час.

Электрический ракетный мотор на азоте

История космических исследований насчитывает уже более полувека. До сих пор почти все космические аппараты оснащались ракетными маршевыми двигателями на химическом топливе. С их помощью человечество освоило околоземное пространство, добралось до Луны и отправило автоматические станции к Солнцу и к ближним и дальним планетам.

Двигатели на химическом горючем будут использоваться еще долгие годы. Однако их возможности ограничены энергетикой химических окислительно-восстановительных реакций. Все современные ракеты в перерасчете на единицу израсходованного горючего создают не слишком большую тягу. Поэтому в дальний полет, к примеру, к внешним планетам Солнечной системы, на сегодняшний день можно отправить лишь относительно легкий аппарат.

А траекторию такого корабля прокладывают так, чтобы на пути к месту назначения он разгонялся в гравитационных полях встречных планет или их спутников. Именно по этой причине для дальних полетов столь узки стартовые «окна», интервалы времени с благоприятным расположением планет – благоприятным не в астрологическом смысле, а в соответствии с требованиями, налагаемыми небесной механикой.

Ракетный двигатель любого типа выбрасывает в окружающее пространство вещество, которое называют рабочим телом. Из дюз обычных ракет истекают газообразные продукты сгорания топлива. В электроракетном двигателе рабочим телом служит поток плазмы, разогнанной электромагнитными силами. Если когда-нибудь будет построена фотонная ракета, ее рабочим телом станут световые кванты. А вот ракета без рабочего тела – нонсенс, запрещенный законом сохранения количества движения.

Космические аппараты уже давно оснащают ионными моторами. Эта разновидность электрореактивного двигателя вообще не потребляет химического горючего, поскольку обеспечивается энергией от аккумуляторов, радиоизотопных генераторов или же солнечных батарей. Однако в своем нынешнем виде такие двигатели развивают очень слабую тягу, не более нескольких граммов. Поэтому их применяют либо для корректировки спутниковых орбит, либо для медленного, но длительного ускорения аппаратов непосредственно в космическом пространстве.

Именно такой мотор был установлен на американском космическом зонде DeepSpace1, который 22 сентября 2001 года совершил пролет мимо кометы Борелли. 27 сентября 2007 года с мыса Канаверал был запущен 1250-килограммовый корабль Dawn, который в следующем десятилетии будет исследовать крупный астероид Весту и карликовую планету Цереру, чьи космические пути лежат между орбитами Марса и Юпитера. Он оснащен тремя ионными моторами, каждый из которых создает тяговое усилие величиной в 90 миллиньютонов – примерно 9 граммов.

В Лаборатории реактивного движения Массачусетского технологического института построено несколько действующих моделей космического электрореактивного двигателя нового типа. Для него придумано и название – мини-геликонный плазменный толкатель. Этой программой руководит выпускник Московского физико-технического института Олег Батищев. Он рассказал о ней Русской службе «Голоса Америки» в специальном интервью.

А.Л.: Олег, чем Ваш мотор отличается от предшественников?

О.Б.: Начнем с того, что он будет гораздо дешевле в эксплуатации. Нынешние электрореактивные двигатели в качестве рабочего тела используют ксенон, а это очень дорогой газ. Наш мотор прекрасно действует на азоте или аргоне, которые практически ничего не стоят. Баллон со сжатым азотом обходится где-то в 7-9 долларов, а маленькая бутылочка ксенона тянет на тысячу. Кроме того, этот двигатель конструктивно прост и рассчитан на куда более продолжительную работу в космическом пространстве. Наконец, его тяговый ресурс можно многократно наращивать без особого увеличения размеров. Расчеты показывают, что при мощности порядка тысячи киловатт диаметр двигателя составит около 30 сантиметров. Обычный плазменный мотор в таком случае был бы раз в десять больше.

А.Л.: А как он устроен и действует?

О.Б.: Газ поступает в кварцевую цилиндрическую камеру. На нее навита металлическая обмотка, создающая внутри камеры сильное магнитное поле. Рядом расположена антенна специальной конструкции, которая служит источником коротковолнового радиоизлучения.Оно создает в газе электрический пробой, который приводит к рождению ионно-электронной плазмы. Внешнее магнитное поле рассчитано таким образом, что оно сильно разгоняет плазменные потоки и направляет их к выходу из камеры. Благодаря этому и возникает реактивная тяга. Этой тягой можно управлять, меняя темпы подачи газа и поступления электромагнитной энергии. Скорость вылетающих ионов очень высока, она раз в десять больше скорости выхода рабочего тела из ракетных двигателей на химическом топливе. Поэтому наш двигатель, как и другие плазменные моторы, очень экономно расходует запасы газа.

А.Л.: В каких космических полетах можно использовать такие моторы?

О.Б.: В принципе, в любых. Но мы ориентируемся на его применение для корректировки спутниковых орбит и разгона в космосе лунных кораблей следующих поколений. Однако пока это дело будущего. Сейчас нам предстоит исследовать работу двигателя на разных режимах и получше понять физические процессы, которые имеют место внутри камеры с плазмой. Возможно, попробуем менять геометрию самой камеры, ее ведь не обязательно делать цилиндрической. Нужно также обеспечить быстрый отвод тепла от мотора, а то он, чего доброго, и расплавится. Есть и другие инженерные и физические проблемы, которые требуют решения. В общем, дел еще много.

А.Л.: В таком случае, желаю всяческих успехов. И большое спасибо за беседу.

Исследовательская работа «Ракетные двигатели для межпланетных полётов»

16

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

«Школа №7» города Сарова Нижегородской области

Муниципальная научно-практическая конференция

исследовательских и проектных работ

обучающихся начальных классов

«Хочу всё знать!»

Направление «Естественно-математические дисциплины»

Исследовательская работа

«Ракетные двигатели для межпланетных полётов»

Работу выполнил:

обучающийся 4 класса А

Шведов Даниил Андреевич

Руководитель:

учитель начальных классов

МБОУ Школа №7

Чемшит Алла Алексеевна

+7 (920) 014-72-95

г. Саров

2016 г.

Содержание:

1. Введение 3

2. Гипотеза 4

3. Цель работы 4

4. Задачи работы 4

5. Исследовательская часть 4-10

— формулы ракетодинамики 5

— типы ракетных двигателей и принципы их работы 6-8

— создание модели ионного двигателя своими руками 9-10

6. Заключение

— результаты исследований 11

— вывод 11

7. Список используемой литературы и интернет — источников 12

8. Приложение 13-15

Введение

Задача освоения космоса является актуальной для всего человечества. Это необходимо для научных исследований, которые проводятся для того, чтобы узнать устройство нашего мира, изучить влияние космоса на него. В далёкой перспективе возможно освоение других планет.

Техническому исследованию космоса предшествовало развитие астрономии и создание крупных и относительно эффективных ракет в начале 20 века. Началом эпохи освоения космоса можно считать запуск первого искусственного спутника Земли — Спутник-1, запущенного Советским Союзом 4 октября 1957 года.

С тех пор человечество значительно продвинулась в освоении космоса. Мы не представляем свою жизнь без космических технологий, на околоземной орбите развёрнуты целые группировки спутников связи и навигации, действует международная космическая станция.

А как обстоят дела с освоением дальнего космоса? Современные космические корабли могут летать очень далеко. Американский проект Вояджер стартовал 20 августа 1977 года, пролетел всю Солнечную систему, при этом предал на Землю фотографии планет. Марсоход НАСА Curiosity отправился к Красной планете 26 ноября 2011 года. Посадка на Марс состоялась 6 августа 2012 года. Марсоход работает и по сей день. Готовятся новые марсианские проекты.

Но на межпланетные перелёты требуется очень много времени. Например, марсоход летел до марса 9 месяцев, а Вояджеру потребовалось 38 лет на то, чтобы пролететь Солнечную систему.

А всё это потому, что космические корабли используют двигатели только на старте и на начальной стадии полёта. Дальше никакие двигатели не используются, скорость корабля не увеличивается. Существующие ракетные двигатели позволяют разогнать корабль до скорости 12 км/с.

Так можно ли сконструировать двигатель, позволяющий работать на протяжении всего полёта, который бы при этом разгонял корабль до существенно больших скоростей?

Разработки таких двигателей ведутся с середины прошлого века. Это электрические ракетные двигатели. Они не могут поднять корабль с земли, но в космосе должны разогнать корабль до огромной скорости.

Гипотеза: возможно ли создать такой тип двигателя, применяя современные технологии?

Целью данной работы является исследование возможности создания двигателей данного типа.

Задачи:

• изучить типы ракетных двигателей и принципы их работы;

• провести эксперименты на модели ионного двигателя, изготовленного своими руками в домашних условиях;

• показать возможность получения высокого напряжения, необходимого для работы ионных двигателей от низковольтных источников.

Исследовательская часть

Чтобы понять принцип работы двигателя, нужно понять принципы реактивного движения.

Из научной литературы и интернет-источников я узнал, что реактивное движение подчиняется закону сохранения импульса. Импульс — это произведение массы тела на его скорость. При этом обязательно учитывается направление движения (вектор). При взаимодействии тел импульс одного тела может частично или полностью передаваться другому телу. Если на систему тел не действуют внешние силы со стороны других тел, то такая система называется замкнутой.

В замкнутой системе векторная сумма импульсов всех тел, входящих в систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой. При реактивном движении происходит отбрасывание массы рабочего вещества.

Пусть в начальный момент времени масса ракеты была M 0. Скорость, с которой рабочее вещество отбрасывается от ракеты называется скоростью истечения. Обозначим её Vr. При этом сама ракета начинает двигаться в противоположном направлении. Обозначим скорость движения ракеты как V. При этом массу ракеты после отбрасывания вещества m обозначим как M. Пусть двигатель за малое время dt отбросил массу m. Напишем закон сохранения импульса:

m×Vr = M×V

Из закона сохранения импульса следует — чем больше скорость истечения или масса отбрасываемого вещества, тем больше скорость ракеты. Максимальная скорость ракеты получится при израсходовании всего запаса топлива. Если массу ракеты без топлива обозначить Me, а начальную массу ракеты с топливом М0, то получим:

V max = Vr ×ln

Эта формула известна в ракетодинамике как формула Циолковского.

Из этой формулы следует, что для увеличения скорости ракеты намного выгодней увеличивать скорость истечения, чем массу рабочего вещества. Значит нужно найти способы увеличения скорости истечения рабочего вещества. Для этого рассмотрим различные виды двигателей для космических аппаратов.

Типы ракетных двигателей и принципы их работы.

Видов ракетных двигателей не так много, но все они разительно отличаются между собой не только особенностями конструкции, но и принципом работы. Именно поэтому каждый вид нужно рассматривать отдельно.

Химические ракетные двигатели (ХРД)

Этот тип двигателей на сегодняшний день является единственным, который массово используется для выведения в открытый космос космических аппаратов, кроме того, он нашел применение и в военной промышленности. Химические двигатели делятся на твердо- и жидко-топливные в зависимости от агрегатного состояния ракетного топлива.

Твердотопливный двигатель вмещает в своем корпусе топливо и окислитель в твердом состоянии, причем контейнер с топливом – это одновременно и камера сгорания. Топливо обычно имеет форму стержня с центральным отверстием. В процессе окисления стержень начинает сгорать от центра к периферии, а газы, полученные в результате сгорания, выходят через сопло, образуя тягу. Это самая простая конструкция среди всех ракетных двигателей. В жидкостных РД топливо и окислитель находятся в жидком агрегатном состоянии в двух раздельных резервуарах. По каналам подачи они попадают в камеру сгорания, где смешиваются и происходит процесс горения. Продукты сгорания выходят через сопло, образуя тягу. В качестве окислителя обычно используется жидкий кислород, а топливо может быть разным: керосин, жидкий водород и т.д. Химические ракетные двигатели обладают большой тягой, они позволяют поднять космический корабль с поверхности Земли, и вывести его в космос. Также эти двигатели могут использоваться для посадки на другие планеты. Но скорость истечения рабочего вещества не превосходит 3 км/с. Она ограничена химической энергией, заключённой в жидком или твёрдом топливе.

Ядерные ракетные двигатели (ЯРД)

Этот тип РД вырабатывает энергию не при сгорании топлива, а в результате нагревания рабочего тела энергией ядерных реакций. Топливо в твердофазных ЯРД – это ТВЭЛы, такие же, как в ядерных реакторах. Они находятся в корпусе двигателя, в процессе распада делящегося вещества выделяют тепловую энергию. Рабочее тело – газообразный водород или аммиак – контактируя с ТВЭЛом, поглощает энергию и нагревается, увеличиваясь в объеме и сжимаясь, после чего выходит через сопло под высоким давлением. За счёт более сильного нагрева рабочего вещества в ЯРД удаётся обеспечить большую тягу и скорость истечения рабочего вещества.

ЯРД также могут поднять корабль с земли, а также сообщить ему значительную скорость в космосе. Скорость истечения рабочего вещества может достигать 6-8 км/с.

Электрические ракетные двигатели (ЭРД)

Электрический РД, работает за счет электрической энергии. Тяга ЭРД зависит от мощности источника электрической энергии. Такой двигатель никогда не поднимет ракету с земли. В космосе он будет долго разгонять космический корабль, но может разогнать его до гигантской скорости.

Электроракетная двигательная установка состоит из самого ЭРД, строение которого зависит от его типа, систем подачи рабочего тела, системы управления и источника электропитания.

Электротермический РД нагревает поток рабочего тела за счет тепла, выделяемого нагревательным элементом, или в электрической дуге. Разогретое вещество выбрасывается из сопла, создавая тягу. В электрической дуге температура рабочего вещества достигает 5000 °C. Поэтому, скорость истечения рабочего вещества получается более 10 км/с, что существенно выше чем у других типов двигателей.

При температуре в 5000 °C рабочее вещество превращается в плазму. В целом плазма электрически нейтральна, но она проводит электрический ток. Поэтому можно попытаться разогнать плазму, используя магнитное поле. Таким образом, скорость истечения может быть дополнительно увеличена и превосходить 20 км/с. Так работает плазменный двигатель.

А нельзя ли еще увеличить скорость истечения? Можно, если вместо сильного разогрева использовать другие способы разгона рабочего вещества. Мы прекрасно знаем, что частицы, имеющие электрический заряд, сами разгоняются в электрическом поле. Скорость частицы зависит от разности потенциалов электрического поля, которую проходит частица. Разность потенциалов — это напряжение. Таким образом, чтобы разогнать заряженную частицу необходимо пропустить ее между двумя электродами, к которым подведено напряжение. ЭРД, использующий этот принцип, называется электростатическим. В нем скорость истечения определяется приложенным напряжением, которое может быть достаточно большим и ограничивается только источником питания. Теоретически скорость истечения ограничивается скоростью света. Именно этот тип двигателя будет предметом моей исследовательской работы, как наиболее перспективный для дальних космических полетов.

Если нейтральный атом приобретает или теряет электрон, то образуется отрицательный или положительный ион. Это заряженная частица, которая может ускоряться в электрическом поле. Поэтому первой частью такого двигателя является ионизатор. Далее должен быть ускоритель, к которому прикладывается ускоряющее напряжение. После ускорителя ионы набирают необходимую скорость. Однако, их заряд сохранился, а противоположный заряд остался на корпусе корабля. Тогда ускоряющее напряжение будет скомпенсировано напряжением, создаваемым полем разделенных зарядов и истечение прекращается, Чтобы этого не произошло, на выходе из двигателя заряд ионов должен быть нейтрализован. Тогда дальше они будут двигаться как нейтральные атомы, разогнанные до очень высокой скорости. Для этого на выходе ионного пучка ставится нейтрализатор, который направляет в ионный пучок поток электронов или противоположно заряженных ионов. Поэтому последней частью ионного двигателя должен быть нейтрализатор.

Создание модели ионного двигателя своими руками

Для исследования принципов работы ионных двигателей была создана экспериментальная модель. Эта модель далека от реального космического двигателя, но позволяет понять принцип его работы, оценить возможную тягу и определить параметры источника питания

Экспериментальная модель ионного двигателя состоит из источника питания, высоковольтного преобразователя напряжения, ионизатора, ускоряющего электрода он же является нейтрализатором. Для упрощения конструкции элементы фокусировки исключены. В качестве рабочего вещества используется воздух. Для ионизации воздуха используется коронный разряд. При экспериментах с моделью двигателя оценивалась тяга двигателя в зависимости от напряжения питания и количества разрядников. Измерялась также потребляемая мощность от первичного низковольтного источника питания.

Схема модели двигателя показана на рисунке1

Рисунок 1 Схема модели ионного двигателя.

Общий вид экспериментальной установки, изготовленной мною дома, показан на рисунке 2.

Рисунок 2 Общий вид экспериментальной установки.

Для оценки тяги двигатель сделан в виде крутильных весов. Зависимость тяги двигателя от напряжения и количество разрядников оценивалось по скорости вращения.

Преобразователь напряжения выполнен на современных полевых транзисторах и обеспечивает преобразование напряжения первичного источника питания 12 В в высокое напряжение до 15000 В, необходимое для работы модели ионного двигателя. Высокое напряжение регулируется установкой напряжения первичного источника питания.

Под действием высокого напряжения на электродах ионизатора возникает электрический коронный разряд ионизирующий воздух. Образовавшиеся положительные ионы ускоряются в электрическом поле, создаваемым высоковольтным преобразователем напряжения, создавая тягу.

Как и предполагалось, тяга двигателя оказалась очень малой, менее 1 грамма. При увеличении напряжения питания тяга увеличивается. Также тяга увеличивается при увеличении числа разрядников, при этом потребляемая мощность от источника питания не возрастает. Это говорит о возможности увеличения эффективности преобразования энергии источника в энергию ионного пучка.

Заключение

Результаты исследований:

1. Изучены принципы реактивного движения, устройство и принципы работы двигателей для космических аппаратов.

2. Проведены эксперименты на модели ионного двигателя. Эксперименты показали очень малую тягу (менее 1 грамма при весе источника питания 400 г). Тяга может быть существенно увеличена при улучшении конструкции двигателя.

3. Показана возможность получения высокого напряжения, необходимого для работы ионных двигателей от низковольтных источников, причём я понял, что при использовании современных полупроводниковых приборов эффективность преобразования напряжения получается очень высокая если у преобразователя малый вес. Это особенно важно при использовании для питания двигателей солнечных батарей.

Вывод:

Проведённая исследовательская работа говорит о возможности создания современных ионных двигателей и источников питания для них при использовании современных технологий и материалов. Данной работой я подтвердил свою гипотезу.

Список используемой литературы:

1. Гильзин К. А. Двигатели невиданных скоростей. Издательство «Машиностроение», 1965.

2. Короченцев И. С. Впереди своего века. Издательство «Машиностроение», 1970.

3. Энциклопедия «Космонавтика» под редакцией В.П. Глушко. Москва. «Советская Энциклопедия», 1985.

Ссылки на интернет — источники:

Ракетные двигатели

http://publ.lib.ru/ARCHIVES/S/Sovetskaya_Enciklopediya/_Sovetskaya_Enciklopediya.html

http://physics.ru/

Приложение

Балансировка

Изготовление ионизатора

Изготовление ускорителя

Ионизатор с источником питания

Общий вид

Подготовка к испытаниям

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

об эволюционном ксеноновом двигателе НАСА — коммерческий (NEXT-C)

Электродвигатель на солнечной энергии | Aerojet Rocketdyne

Загрузка. ..

Устойчивая и надежная космическая двигательная установка

Солнечная электрическая двигательная установка (SEP) обычно используется для перемещения спутников на их надлежащие орбитальные позиции и удержания их на месте, когда они там находятся. При питании от бортовых солнечных батарей системы SEP используют значительно меньше топлива, чем сопоставимые традиционные химические двигательные установки.

Aerojet Rocketdyne является мировым лидером в разработке, квалификации и полетах электрических двигательных установок, которые позволяют выполнять гражданские, оборонные и коммерческие задачи для различных клиентов. Мы поставили более 600 электрических двигателей, которые на сегодняшний день установлены на более чем 250 спутниках.

Преимущества SEP

• Меньшая стартовая масса из-за меньшего количества топлива позволяет снизить стоимость запуска
• Уменьшенная масса топлива обеспечивает дополнительную грузоподъемность
• Увеличено время маневрирования и полета спутника при том же количестве топлива

Обеспечение пилотируемых миссий в дальнем космосе

В дополнение к операциям со спутниками системы SEP являются ключевыми для обеспечения будущих пилотируемых миссий в дальний космос. Aerojet Rocketdyne разрабатывает передовые электрические двигательные установки, которые позволят людям вернуться на Луну и на Марс. SEP будет играть решающую роль в эффективной доставке грузов и полезной нагрузки в дальний космос до прибытия экипажа.

Текущие продукты SEP

• XR-5: Проверенная в полете подсистема двигателя Холла XR-5 в настоящее время используется как на коммерческих, так и на государственных спутниках, включая группировку Advanced Extremely High Frequency (AEHF) Космических сил, Northrop Grumman’s GEOstar- 3™ GEO Comsat и машины расширения миссии, а также LM2100™ GEO Comsat компании Lockheed Martin.
• AEPS: Разработанный в Исследовательском центре Гленна НАСА и Лаборатории реактивного движения двигатель Advanced Electric Propulsion System (AEPS) мощностью 12 кВт компании Aerojet Rocketdyne завершил экспериментальные испытания в 2021 году. AEPS работает на мощности 12 кВт, что более чем в два раза превышает уровень мощности электрических двигателей, используемых сегодня на спутниках. . Три двигателя AEPS будут служить основным источником движения силового и двигательного элемента (PPE) для международного лунного шлюза НАСА, чтобы обеспечить переход на орбиту и маневрирование в космосе.
• NEXT-C: NEXT-C — это солнечная электрическая двигательная установка следующего поколения, разработанная и построенная компанией Aerojet Rocketdyne на основе проверенной технологии, разработанной в Исследовательском центре Гленна НАСА. Ионная система NEXT-C мощностью 7 кВт дебютирует в ходе испытания НАСА по перенаправлению двойного астероида (DART), запуск которого состоится в 2021 году. Система NEXT-C завершила приемочные и интеграционные испытания в Исследовательском центре Гленна НАСА и была доставлена ​​в Лабораторию прикладной физики Джона Хопкинса в мае 2020 года. DART продемонстрирует потенциал NEXT-C для применения в будущих миссиях НАСА.
• XR-100: Вместе с товарищами по команде JPL, ZIN Technologies Inc. и Мичиганским университетом компания Aerojet Rocketdyne разработала и испытала систему Nested Hall Thruster мощностью 100 кВт, включая блок обработки энергии и систему подачи ксенона для программы XR-100 ( в рамках программы НАСА NextSTEP).
• MR-510 Arcjets: Aerojet Rocketdyne дуговые дуги энергии проходят через гидразиновое топливо, нагревая и ускоряя его для создания тяги и увеличения удельного импульса примерно с 220 с до 585 с. Arcjets летали на более чем 55 космических кораблях и в настоящее время используются на спутниковых автобусах Lockheed Martin LM2100™ и Boeing 702MP.
• MR-502 IMPEHT: Aerojet Rocketdyne Усовершенствованные электротермические гидразиновые двигатели (IMPEHT) повышают удельные импульсные характеристики гидразиновых двигателей за счет подачи электроэнергии через резистивный элемент. Это позволяет простой гидразиновой силовой установке обеспечивать как производительность на уровне двухкомпонентного топлива, так и производительность на монодвигателе из одной «многорежимной» системы. IMPEHT успешно запустили более 200 спутников, включая спутники Northrop Grumman GEOstar-2™, спутники Lockheed Martin Series 3000 и 4000, а также все спутники исходной группировки Iridium.

Ресурсы

• Обзор электрического движения
• ПРОДУКЦИЯ ПРОДУКЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПУЛЕКСКИ

Видео

Обновления новостей

• Август 2021 г. — Критически важный двигатель AEPS завершает разработку для Лунного шлюза НАСА
• Июнь 2021 г. — Aerojet Rocketdyne успешно демонстрирует новый электрический двигатель средней мощности
• 19 мая 2020 г. Миссия Defense Asteroid Mission
• Октябрь 2019 г. — Двигательная установка Aerojet Rocketdyne помогает открыть новый рынок спутникового обслуживания0077
• 18 октября 2018 г. — Двигатель Aerojet Rocketdyne приводит в действие четвертую сверхвысокочастотную спутниковую миссию ВВС США
• 29 августа 2018 г. — Aerojet Rocketdyne завершает исследование NextSTEP в Приложении C by Chloe Wang

  Одной из многих технологий, рассматриваемых для будущих программ космических полетов, являются ионные двигатели , которые происходят из подмножества двигателей, известных как электрические двигатели.

  Они особенно популярны благодаря высокой эффективности и длительному времени разгона . В отличие от химических двигательных установок, у которых топлива достаточно только для запуска ракеты с орбиты, у ионных двигателей есть топливо, которого хватит на много лет. Постоянное выделение этого топлива по инерции позволяет им со временем разгонять тела до чрезвычайно высоких скоростей.

  Короче говоря, они работают за счет ионизации топлива (обычно ксенона) и производства плазмы, которой можно управлять электрическими и магнитными полями для формирования тяги . Если вам нужно подробное объяснение работы ионного двигателя, вы можете прочитать «2.1 Базовая работа ионного двигателя » из моей обзорной статьи о двигателях Холла.

  Я решил, что хочу построить ионный двигатель — или хотя бы продемонстрировать концепцию. Он определенно не достоин ракетного корабля, но использует аналогичные механизмы, чтобы показать, как можно создать ионную тягу/ветер.

  Для расходных материалов я использовал:

  • Батарейный контейнер от фонарика (у меня было 3 батарейки ААА)
  • Повышающий силовой модуль (от 6–12 В до 1000 кВ)
  • 3 металлических винта (идеальная длина ~6 см)
  • 3 алюминиевые банки (у меня были банки для чая Brisk)
  • Медная проволока
  • Зажим типа «крокодил»
  • Изолента (или термоусадки)
  • Скрепка
  • Чек (или другая тонкая бумага)
  • 3D-принтер (я использовал Ender 3 V2) + нить
  • Горячий клей
  • Двусторонний скотч

  8 3D-печать деталей

  Сначала я начал с проектирования компонентов, которые будут удерживать подруливающее устройство, в TinkerCAD , простом в использовании программном обеспечении для проектирования 3D-печати.

  • Платформа A удерживает подставку и держатель банки.
  • Платформа B содержит держатель винта и имеет крышку. Эта платформа приклеивается к платформе А при печати.
  • Подставка предназначена для прикрепления чека с помощью клипсы.
  • Держатель винта входит в плоский компонент, который можно перемещать на платформе B. Это позволяет мне регулировать расстояние между винтами и банками.
  • Крышка платформы устанавливается на правую платформу после установки держателя винтов.
  • Держатель банок вмещает 3 банки.

  Профессиональный совет: При проектировании компонентов, подходящих друг к другу, убедитесь, что часть, входящая в отверстие, немного меньше самого отверстия. Я сделал ошибку, сделав их одного размера, и мне пришлось несколько раз перепечатывать некоторые компоненты.

  Я напечатал эти компоненты в течение нескольких дней (обычно их печать занимала от 5 до 13 часов), используя белая нить PLA . Я использовал Ultimaker Cura в качестве слайсера с обычными настройками и заполнением 10% . Если вы хотите печатать компоненты быстрее, я напечатал крышку и держатель банки со скоростью 150 мм/с вместо 50 мм/с, и все равно получилось нормально.

  Сборка

  Аккумуляторный контейнер служил источником питания и был (вручную) подключен к силовому модулю через зеленый и красный провода для достижения большего напряжения (приблизительно 4,5 вольта до 1000 кВ). Я закрепил модуль питания и батарейный отсек на платформе B с помощью двустороннего скотча.

  Это тот же силовой модуль, который используется в электрошокерах, поэтому при его использовании нужно соблюдать осторожность. Я убедился, что всякий раз, когда я перемещаю компоненты, контейнер батареи находится далеко от зеленого и красного проводов, соединяющих его с модулем питания. Я также старался не прикасаться к токопроводящим компонентам (проводка, гвозди, металл и т. д.) во время работы.

  Один провод на противоположном конце силового модуля был соединен с медным проводом с помощью изоленты. Затем этот медный провод был намотан на три винта в держателе винта. Обмотка медного провода вокруг трех винтов позволила всем им получить напряжение.

  Профессиональный совет: Я бы рекомендовал покрыть винты медью, чтобы сделать их более токопроводящими. Вы можете сделать это, положив лимонный сок на сумму лимона + 2 щепотки соли + 20 пенни в миску с винтами. Через несколько часов ваши винты станут темнее/медного цвета. (У меня кончились лимоны, поэтому я не смог омеднить свои винты)

  Банки были размещены на держателе в стопке без использования клея (они балансировали друг на друге). Затем я подключил другой провод от силового модуля к одной из банок с помощью зажима-крокодила и изоленты.

  Последняя часть — установка подставки. Затем я прикрепил к нему квитанцию ​​с помощью скрепки. Движение этой бумаги будет означать производство ионного ветра.

  Полностью собранный ионный двигатель должен выглядеть примерно так:

  Эта модель демонстрирует, как можно создать ионный ветер с помощью основных механизмов, используемых в ионных двигателях.

  Подача напряжения на винты заставляет их действовать как положительно заряженные аноды , при этом подавая напряжение на банки заставляет их действовать как отрицательно заряженные катоды . Это генерирует электрическое поле 90 103 .

  Из винтов получаются хорошие аноды, потому что они острые, а из банок хорошие катоды, потому что они круглые. Острие анода позволяет зарядам упаковываться вместе , усиливая электрическое поле вокруг этого места. Фактически, он становится достаточно сильным, чтобы вырывать отрицательно заряженные электроны из окружающего воздуха, превращая их в положительно заряженные ионы.

  Теперь эти положительно заряженные ионы отталкиваются от положительно заряженных анодов (винтов) и притягиваются к отрицательно заряженным катодам (банки). Двигаясь к катодам, они также сталкиваются и выбивают электроны из других молекул воздуха, создавая больше ионов , которые движутся к катодам. Эти ионы движутся через катоды в виде ионного ветра, который вы можете видеть, толкая квитанцию, когда работает ионный двигатель.

  Вот несколько видеороликов о работе ионного двигателя. Вы можете видеть, что я вручную подключаю провода силового модуля к контейнеру батареи, хотя вы можете спроектировать переключатель, если хотите. На третьем видео вы можете увидеть плазму на кончиках винтов, когда молекулы воздуха ионизируются.

  Эта модель не идеальна, и я определенно думаю, что есть несколько вещей, которые можно было бы улучшить, например:

  • Винты можно было бы покрыть медью и лучше центрировать. Для лучшего центрирования винтов потребуются некоторые изменения оригинальной конструкции держателя винтов.
  • Некоторые части напечатанных на 3D-принтере компонентов можно было уменьшить, чтобы сэкономить время печати и нить.
  • В силовую часть этой модели можно было добавить выключатель, чтобы провода от силового модуля не нужно было вручную присоединять к аккумуляторному контейнеру. Это также сделало бы использование этой модели более безопасным.

  В целом, тем не менее, я доволен продуктом, так как он успешно производит ионный ветер и даже видимую плазму.

  Есть отзывы или вопросы? Отправьте мне письмо по адресу [email protected], и я буду рад ответить!

  Вы можете узнать больше о том, чем я занимаюсь, в моих ежемесячных информационных бюллетенях. Зарегистрируйтесь здесь .

  Ионный двигатель — 2D-символы

  Эта статья о космическом корабле с ионным двигателем. Чтобы узнать о самолетах с ионным двигателем, см. Ionocraft .

  Ионный двигатель или ионный двигатель представляет собой электрическую двигательную установку, используемую для приведения в движение космического корабля. Он создает тягу, ускоряя положительные ионы электричеством. Этот термин относится строго к электростатическим ионным двигателям с сеткой и часто неправильно и свободно применяется ко всем электрическим двигательным установкам, включая электромагнитные плазменные двигатели. ^{[ citation required ]}

  Ионный двигатель ионизирует нейтральный газ, извлекая часть электронов из атомов, создавая облако положительных ионов. Эти двигатели основаны в основном на электростатике, поскольку ионы ускоряются под действием кулоновской силы вдоль электрического поля. Временно сохраненные электроны, наконец, повторно инжектируются нейтрализатор в облаке ионов после его прохождения через электростатическую сетку, поэтому газ снова становится нейтральным и может свободно рассеиваться в пространстве без дальнейшего электрического взаимодействия с двигателем. Электромагнитные двигатели, напротив, используют силу Лоренца для ускорения всех частиц (свободных электронов, а также положительных и отрицательных ионов) в одном и том же направлении, независимо от их электрического заряда, и называются плазменными двигателями, в которых электрическое поле не направление ускорения. ^{[1] [2]}

  Ионные двигатели при эксплуатации имеют потребляемую мощность 1–7 кВт, скорость истечения 20–50 км/с, тягу 25–250 миллиньютон и КПД 65–80% ^{[ 3] [4]} , хотя экспериментальные версии достигли 100 кВт, 5 Н. ^[5]

  Космический корабль Deep Space 1, оснащенный ионным двигателем, изменил скорость на 4,3 км/с, израсходовав при этом менее 74 кг ксенона. Космический корабль Dawn побил рекорд, изменив скорость на 10 км/с. ^{[3] [4]}

  Области применения включают управление ориентацией и положением орбитальных спутников (некоторые спутники имеют десятки маломощных ионных двигателей) и использование в качестве основного двигателя для маломассивных роботизированных космических аппаратов ( например, Deep Space 1 и Dawn ). ^{[3] [4]}

  Двигатели с ионной тягой применимы только в космическом вакууме и не могут перемещать транспортные средства через атмосферу, потому что ионные двигатели не работают в присутствии ионов вне двигателя. Кроме того, крошечная тяга двигателя не может преодолеть какое-либо значительное сопротивление воздуха. Космические корабли полагаются на обычные химические ракеты, чтобы первоначально выйти на орбиту.

  Содержание

  • 1 Происхождение
  • 2 Общий принцип работы
  • 3 Электростатические ионные двигатели
    • 3.1 Электростатические ионные двигатели с сеткой
    • 3.2 Двигатели на эффекте Холла
    • 3.3 Электродвигатель с полевой эмиссией
  • 4 Электромагнитные подруливающие устройства
    • 4.1 Импульсные индуктивные двигатели
    • 4.2 Магнитоплазмодинамический двигатель
    • 4.3 Безэлектродные плазменные двигатели
    • 4.4 Двухслойные подруливающие устройства Helicon
    • 4,5 ВАСИМР
    • 4. 6 Микроволновые электротермические двигатели
  • 5 Радиоизотопный двигатель
  • 6 сравнений
  • 7 Срок службы
  • 8 Пропелленты
  • 9 Энергоэффективность
  • 10 миссий
    • 10.1 Демонстрационные автомобили
      • 10.1.1 СЕРТИФИКАЦИЯ
    • 10.2 Оперативные миссии
      • 10.2.1 На околоземной орбите
        • 10.2.1.1 GOCE
      • 10.2.2 В глубоком космосе
        • 10.2.2.1 Глубокий космос 1
        • 10.2.2.2 Хаябуса
        • 10.2.2.3 Смарт 1
        • 10.2.2.4 Рассвет
      • 10.2.3 ЛИЗА Следопыт
      • 10.2.4 БепиКоломбо
    • 10.3 Запланированные миссии
      • 10.3.1 Лунная орбитальная платформа-шлюз
    • 10.4 Предлагаемые миссии
      • 10.4.1 Международная космическая станция
      • 10.4.2 МАРС-КАТ
      • 10.4.3 Межзвездный зонд
  • 11 Популярная культура
  • 12 См. также
  • • 13.1 Сноски
    • 13.2 Библиография
  • • 14.1 Артикул

  Истоки

  Первым, кто публично упомянул об этой идее, был Константин Циолковский в 1911 году.06. ^[7] Первые эксперименты с ионными двигателями были проведены Годдардом в Университете Кларка в 1916–1917 гг. ^[8] Метод был рекомендован для почти вакуумных условий на большой высоте, но тяга была продемонстрирована с потоками ионизированного воздуха при атмосферном давлении. Эта идея снова появилась в книге Германа Оберта «Wege zur Raumschiffahrt» («Пути к космическим полетам»), опубликованной в 1923 году, где он изложил свои мысли об экономии массы за счет электрического двигателя, предсказал его использование в движении космических кораблей и управлении ориентацией, а также выступил за электростатическое ускорение заряженные газы ^[6]

  Рабочий ионный двигатель был построен Гарольдом Р. Кауфманом в 1959 году на объектах Исследовательского центра Гленна НАСА. Он был похож на электростатический ионный двигатель с сеткой и использовал ртуть в качестве топлива. Суборбитальные испытания проводились в 1960-х годах, а в 1964 году двигатель был отправлен в суборбитальный полет на борту Space Electric Rocket Test 1 (SERT 1). ^{[9] [10]} Он успешно проработал запланированные 31 минуту, прежде чем упасть на Землю. ^[11] За этим испытанием последовало орбитальное испытание SERT-2 в 1970 году. Союза в 1950-х и 1960-х годах. Двигатели на эффекте Холла работали на советских спутниках с 1972 до конца 1990-х годов, в основном использовались для стабилизации спутников в направлениях север-юг и восток-запад. Около 100–200 двигателей выполнили миссии на советских и российских спутниках. ^[14] Советская конструкция двигателя была представлена ​​Западу в 1992 году после того, как группа специалистов по электрическим двигателям при поддержке Организации противоракетной обороны посетила советские лаборатории.

  Общий принцип работы

  Ионные двигатели используют пучки ионов (электрически заряженных атомов или молекул) для создания тяги в соответствии с законом сохранения импульса. Методы ускорения ионов различаются, но во всех конструкциях используется соотношение заряда и массы ионов. Это соотношение означает, что относительно небольшие разности потенциалов могут создавать высокие скорости выхлопа. Это уменьшает количество требуемой реакционной массы или топлива, но увеличивает требуемую удельную мощность по сравнению с химическими ракетами. Таким образом, ионные двигатели способны достигать высоких удельных импульсов. Недостатком малой тяги является низкое ускорение, поскольку масса электросилового агрегата прямо пропорциональна количеству мощности. Эта низкая тяга делает ионные двигатели непригодными для запуска космических аппаратов на орбиту, но эффективными для движения в космосе.

  Ионные двигатели делятся на электростатические и электромагнитные. Основное отличие заключается в способе ускорения ионов.

  • Электростатические ионные двигатели используют силу Кулона и ускоряют ионы в направлении электрического поля.
  • Электромагнитные ионные двигатели используют силу Лоренца для перемещения ионов.

  Источниками питания для ионных двигателей обычно являются электрические солнечные батареи, но на достаточно больших расстояниях от Солнца используется ядерная энергия. В каждом случае масса источника питания пропорциональна пиковой мощности, которая может быть подана, и оба обеспечивают для этого приложения почти неограниченную энергию. 9{2}} }, стандартное гравитационное ускорение Земли, и отметив, что F = ma⟹a = F / m {\ displaystyle F = ma \ подразумевает a = F / m}, это можно проанализировать. Двигатель NSTAR, создающий силу тяги 92 мН ^[15] , разгонит спутник массой 1 Мг на 0,092 Н / 1000 кг = 9,2×10 ⁻⁵ м/с ² (или 9,38×10 ⁻⁶ г). Однако это ускорение может поддерживаться месяцами или годами, в отличие от очень коротких горений химических ракет.

  F = 2ηPgIsp{\ displaystyle F = 2 {\ frac {\ eta P} {gI _ {\ text {sp}}}}}

  Где

  F сила тяги в Н,

  η эффективность

  P — потребляемая двигателем электрическая мощность в Вт, а

  I _sp – удельный импульс в секундах.

  Ионный двигатель — не самый многообещающий тип двигателя космического корабля с электрическим приводом, но на сегодняшний день он является наиболее успешным на практике. ^[4] Ионному двигателю потребуется два дня, чтобы разогнать машину до скорости шоссе. Технические характеристики, особенно тяга, значительно уступают прототипам, описанным в литературе, ^{[3] [4]} технические возможности ограничены объемным зарядом, создаваемым ионами. Это ограничивает плотность тяги (сила на площадь поперечного сечения двигателя). ^[4] Ионные двигатели создают небольшие уровни тяги (тяга Deep Space 1 примерно равна весу одного листа бумаги ^[4] ) по сравнению с обычными химическими ракетами, но достигают высокого удельного импульса или массового расхода топлива за счет ускорения выхлопа до высокой скорости. Мощность, сообщаемая выхлопу, увеличивается пропорционально квадрату скорости выхлопа, в то время как увеличение тяги является линейным. И наоборот, химические ракеты обеспечивают высокую тягу, но общий импульс ограничен небольшим количеством энергии, которая может храниться химически в топливе. ^[16] Учитывая практический вес подходящих источников энергии, ускорение ионного двигателя часто меньше одной тысячной стандартной силы тяжести. Однако, поскольку они работают как электрические (или электростатические) двигатели, они преобразуют большую часть входной мощности в кинетическую мощность выхлопа. Химические ракеты работают как тепловые двигатели, а теорема Карно ограничивает скорость истечения.

  Электростатические ионные двигатели

  Электростатические ионные двигатели с сеткой

  Основная статья: Ионные двигатели с сеткой

  Электростатические ионные двигатели с сеткой обычно используют газ ксенон. Газообразное топливо начинается без заряда; он ионизируется путем бомбардировки его энергичными электронами, поскольку передаваемая энергия выбрасывает валентные электроны из атомов газа-вытеснителя. Эти электроны могут быть обеспечены нитью накала с горячим катодом и ускорены за счет разности потенциалов по направлению к аноду. В качестве альтернативы электроны могут быть ускорены колеблющимся индуцированным электрическим полем, создаваемым переменным электромагнитом, что приводит к самоподдерживающемуся разряду без катода (радиочастотный ионный двигатель).

  Положительно заряженные ионы извлекаются системой, состоящей из 2 или 3 многоапертурных решеток. После входа в систему сеток вблизи плазменной оболочки ионы ускоряются за счет разности потенциалов между первой сеткой и второй сеткой (называемой сеткой экрана и сеткой ускорителя соответственно) до конечной энергии ионов (обычно) 1–2 кэВ. , который создает тягу.

  Ионные двигатели испускают пучок положительно заряженных ионов ксенона. Чтобы космический корабль не накапливал заряд, рядом с двигателем размещается еще один катод, который испускает электроны в ионный пучок, оставляя топливо электрически нейтральным. Это предотвращает притяжение (и возвращение) пучка ионов к космическому кораблю, что могло бы отменить тягу. ^[11]

  Исследование электростатического ионного двигателя с сеткой (прошлое/настоящее):

  • Готовность к применению солнечной технологии НАСА (NSTAR), 2,3 кВт, использовалась в двух успешных миссиях
  • Эволюционный ксеноновый двигатель НАСА (NEXT), 6,9 кВт, построено оборудование для летной квалификации
  • Ядерно-электрическая ксенон-ионная система (NEXIS)
  • Электрическая силовая установка высокой мощности (HiPEP), 25 кВт, тестовый образец построен и кратковременно работает на земле
  • Радиочастотный ионный двигатель (RIT) EADS
  • Двухступенчатый 4-сегментный двигатель (DS4G) ^{[17] [18]}

  Двигатели на эффекте Холла

  Основная статья: Двигатель на эффекте Холла

  Двигатели на эффекте Холла ускорение ионов с помощью электрического потенциала между ионами цилиндрический анод и отрицательно заряженная плазма, образующая катод. Основная часть топлива (обычно ксенон) вводится вблизи анода, где оно ионизируется и течет к катоду; ионы ускоряются к нему и через него, подхватывая электроны, когда они уходят, чтобы нейтрализовать луч и покинуть двигатель с высокой скоростью.

  Анод находится на одном конце цилиндрической трубки. В центре находится шип, который намотан для создания радиального магнитного поля между ним и окружающей трубкой. На ионы в значительной степени не влияет магнитное поле, поскольку они слишком массивны. Однако электроны, образующиеся около конца пика для создания катода, захватываются магнитным полем и удерживаются на месте за счет их притяжения к аноду. Некоторые из электронов спускаются по спирали к аноду, циркулируя вокруг пика с током Холла. Когда они достигают анода, они воздействуют на незаряженное топливо и вызывают его ионизацию, прежде чем, наконец, достичь анода и замкнуть цепь. ^[19]

  Электрическая двигательная установка с полевой эмиссией

  Основная статья: Электрическая двигательная установка с полевой эмиссией

  Электрическая двигательная установка с полевой эмиссией (FEEP) В качестве топлива используются либо цезий, либо индий. Конструкция состоит из небольшого резервуара с топливом, в котором хранится жидкий металл, узкой трубки или системы параллельных пластин, через которые протекает жидкость, и ускорителя (кольца или продолговатого отверстия в металлической пластине) примерно в миллиметре от конца трубки. Цезий и индий используются из-за их большого атомного веса, низких потенциалов ионизации и низких температур плавления. Как только жидкий металл достигает конца трубки, электрическое поле, приложенное между эмиттером и ускорителем, заставляет поверхность жидкости деформироваться в ряд выступающих выступов, или Конусы Тейлора . При достаточно высоком приложенном напряжении с кончиков конусов извлекаются положительные ионы. ^{[20] [21] [22]} Электрическое поле, создаваемое эмиттером и ускорителем, затем ускоряет ионы. Внешний источник электронов нейтрализует поток положительно заряженных ионов, чтобы предотвратить заряд космического корабля.

  Электромагнитные подруливающие устройства

  Эта статья или раздел , по-видимому, противоречат статье Электродвигатели космических кораблей . Пожалуйста, посетите страницу обсуждения для получения дополнительной информации. (апрель 2018 г.)

  Основная статья: Плазменный двигатель двигателя

  Импульсные индуктивные двигатели

  Основная статья: Импульсная индуктивная полюсни

  . способность работать на уровнях мощности порядка мегаватт (МВт). PIT состоят из большой катушки, окружающей конусообразную трубу, которая испускает газ-вытеснитель. Аммиак является широко используемым газом. При каждом импульсе в группе конденсаторов за катушкой накапливается большой заряд, который затем высвобождается. Это создает ток, который движется по кругу в направлении jθ. Затем ток создает магнитное поле во внешнем радиальном направлении (Br), которое затем создает ток в только что выпущенном газе в направлении, противоположном первоначальному току. Этот противоположный ток ионизирует аммиак. Положительно заряженные ионы ускоряются от двигателя из-за электрического поля jθ, пересекающего магнитное поле Br, из-за силы Лоренца. ^[23]

  Магнитоплазмодинамический двигатель

  Основная статья: Магнитоплазмодинамический двигатель

  Магнитоплазмодинамический двигатель (MPD) и литиевый ускоритель силы Лоренца (LiLFA) используют примерно ту же идею. Подруливающее устройство LiLFA основано на подруливающем устройстве MPD. В качестве топлива можно использовать водород, аргон, аммиак и азот. В определенной конфигурации в качестве топлива может использоваться окружающий газ на низкой околоземной орбите (НОО). Газ поступает в основную камеру, где он ионизируется в плазму электрическим полем между анодом и катодом. Затем эта плазма проводит электричество между анодом и катодом, замыкая цепь. Этот новый ток создает магнитное поле вокруг катода, которое пересекается с электрическим полем, тем самым ускоряя плазму за счет силы Лоренца.

  Подруливающее устройство LiLFA использует ту же общую идею, что и подруливающее устройство MPD, с двумя основными отличиями. Во-первых, LiLFA использует пары лития, которые можно хранить в твердом состоянии. Другое отличие состоит в том, что один катод заменен несколькими катодными стержнями меньшего размера, упакованными в трубку с полым катодом. Катоды МУРЗ легко подвергаются коррозии из-за постоянного контакта с плазмой. В двигателе LiLFA пары лития впрыскиваются в полый катод и не ионизируются до плазменной формы/разъедают катодные стержни, пока не покинут трубку. Затем плазма ускоряется с помощью той же силы Лоренца. ^{[24] [25] [26]}

  В 2013 году российская компания «Конструкторское бюро химической автоматики» успешно провела стендовые испытания своего двигателя МПД для дальнего космического полета. ^[27]

  Безэлектродные плазменные двигатели

  Основная статья: Безэлектродные плазменные двигатели

  Безэлектродные плазменные двигатели имеют две уникальные особенности: отсутствие анодного и катодного электродов и возможность дросселирования двигателя. Удаление электродов устраняет эрозию, что ограничивает срок службы других ионных двигателей. Нейтральный газ сначала ионизируется электромагнитными волнами, а затем переносится в другую камеру, где он ускоряется колеблющимся электрическим и магнитным полем, также известным как пондеромоторная сила. Такое разделение ступеней ионизации и разгона позволяет дросселировать поток топлива, что затем изменяет величину тяги и значения удельного импульса. ^[28]

  Двухслойные двигатели Helicon

  Основная статья: Двухслойные двигатели Helicon

  Двухслойные двигатели Helicon представляют собой тип плазменного двигателя, который выбрасывает высокоскоростной ионизированный газ для создания тяги. В этой конструкции газ впрыскивается в трубчатую камеру (трубка источника ) с одним открытым концом. Мощность переменного тока радиочастоты (13,56 МГц в конструкции прототипа) подается на антенну особой формы, обернутую вокруг камеры. Электромагнитная волна, излучаемая антенной, заставляет газ разрушаться и образовывать плазму. Затем антенна возбуждает в плазме спиральную волну, которая еще больше нагревает ее. Устройство имеет примерно постоянное магнитное поле в трубке источника (обеспечиваемое соленоидами в прототипе), но магнитное поле расходится и быстро уменьшается по величине по мере удаления от области источника, и его можно рассматривать как своего рода магнитное сопло. При работе резкая граница разделяет плазму высокой плотности внутри области источника и плазму низкой плотности в выхлопе, что связано с резким изменением электрического потенциала. Свойства плазмы быстро изменяются за этой границей, известной как бестоковой электрический двухслойный . Электрический потенциал внутри области источника намного выше, чем на выходе, и это служит как для ограничения большинства электронов, так и для ускорения ионов вдали от области источника. Достаточное количество электронов покидает область источника, чтобы гарантировать, что плазма в выхлопе в целом нейтральна.

  VASIMR

  Основная статья: Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом

  VASIMR, или магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом, использует радиоволны для ионизации топлива в плазму, а затем магнитное поле для ускорения плазмы из задней части ракетный двигатель для создания тяги. В настоящее время VASIMR разрабатывается частной компанией Ad Astra Rocket Company со штаб-квартирой в Хьюстоне, штат Техас, с помощью канадской компании Nautel, производящей радиочастотные генераторы мощностью 200 кВт для ионизирующего топлива. Некоторые компоненты и эксперименты с «выстрелами плазмы» тестируются в лаборатории, расположенной в Либерии, Коста-Рика. Этот проект возглавляет бывший астронавт НАСА доктор Франклин Чанг-Диас (CRC-USA). Обсуждался испытательный двигатель VASIMR мощностью 200 кВт, который будет установлен снаружи Международной космической станции в рамках плана испытаний VASIMR в космосе, однако планы этого испытания на борту МКС были отменены НАСА в 2015 году с бесплатным Вместо этого Ad Astra обсуждает летные испытания VASIMR. ^[29] Предполагаемый двигатель мощностью 200 мегаватт может сократить продолжительность полета с Земли на Юпитер или Сатурн с шести лет до четырнадцати месяцев, а на Марс — с 6 месяцев до 39 дней. ^[30]

  Микроволновые электротермические двигатели

  Микроволновые электротермические двигатели

  В рамках исследовательского гранта Исследовательского центра Льюиса НАСА в 1980-х и 1990-х годах Мартин С. Хоули и Джес Асмуссен возглавляли группу инженеров по разработке микроволнового электротермического двигателя. Двигатель (МЕТ). ^[31]

  В разрядной камере микроволновая (МВ) энергия течет в центр, содержащий высокий уровень ионов (I), вызывая ионизацию нейтральных частиц в газообразном топливе. Возбужденные частицы вытекают (FES) через область с низким содержанием ионов (II) в нейтральную область (III), где ионы завершают свою рекомбинацию, замещаясь потоком нейтральных частиц (FNS) к центру. Между тем, энергия теряется стенками камеры за счет теплопроводности и конвекции (HCC) вместе с излучением (Rad). Оставшаяся энергия, поглощаемая газообразным топливом, преобразуется в тягу.

  Радиоизотопный двигатель

  Предложена теоретическая двигательная установка на основе альфа-частиц (Не ²⁺
  _{или ⁴
  2 Не ^{2+ с зарядом алюминия 9075} ) испускается из радиоизотопа однонаправленно через отверстие в его камере. Нейтрализующая электронная пушка будет производить небольшую тягу с высоким удельным импульсом порядка миллионов секунд из-за высокой релятивистской скорости альфа-частиц. ^[32]}

  Сравнения

  333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333338

  (Apry April 2009).0337 (узнайте, как и когда удалить это шаблонное сообщение)

  Этот раздел требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив ссылки на надежные источники. Неисходный материал может быть оспорен и удален. Найти Источники: «Ионная трансляция» — News · Газеты · Книги · Ученый · JSTOR 7 (Apry April 2009)

  Данные испытаний некоторых ионных двигателей

  Двигатель	Пропеллент	Входная мощность (кВт)	Удельный импульс (с)	Тяга (мН)	Подруливающее устройство масса (кг)
  НСТАР	Ксенон	2. 3	7003330000000000000♠3300–7003170000000000000♠1700 [33]	92 макс. [15]
  ППС-1350 Эффект Холла	Ксенон	1,5	7003166000000000000♠1660	90	5.3
  СЛЕДУЮЩИЙ [15]	Ксенон	6,9 [34]	700341 00000000♠4190 [34] [35] [36]	236 макс. [15] [36]
  НЕКСИС [37]	Ксенон	20,5
  РИТ 22 [38]	Ксенон	5
  BHT8000 [39]	Ксенон	8	7003221000000000000♠2210	449	25
  Эффект Холла	Ксенон	75 [ ссылка необходима ]
  FEEP	Жидкий цезий	6×10 −5 – 0,06	7003600000000000000♠6000–7004100000000000000♠10000 [21]	0,001–1 [21]

  Экспериментальные двигатели (на данный момент миссий нет)

  Двигатель	Пропеллент	Входная мощность (кВт)	Удельный импульс (с)	Тяга (мН)	Подруливающее устройство масса (кг)
  Эффект Холла	Висмут	1,9 [40]	7003152000000000000♠1520 (анод) [40]	143 (слив) [40]
  Эффект Холла	Висмут	25 [ ссылка необходима ]
  Эффект Холла	Висмут	140 [ ссылка необходима ]
  Эффект Холла	Йод	0,2 [41]	7003151000000000000♠1510 (анод) [41]	12. 1 (нагнетание) [41]
  Эффект Холла	Йод	7 [42]	7003195000000000000♠1950 [42]	413 [42]
  HiPEP	Ксенон	20–50 [43]	7003600000000000000♠6000–7003 0000000000♠9000 [43]	460–670 [43]
  МПДТ	Водород	7003150000000000000♠1500	70034 000000000♠4900 [ ссылка необходима ]	7004263000000000000♠26300 [ ссылка необходима ]
  МПДТ	Водород	7003375000000000000♠3750	7003350000000000000♠3500 [ ссылка необходима ]	7004885000000000000♠88500 [ ссылка необходима ]
  МПДТ	Водород	7003750000000000000♠7500 [ ссылка необходима ]	7003600000000000000♠6000 [ ссылка необходима ]	7004600000000000000♠60000 [ ссылка необходима ]
  ЛиЛФА	Литий в парах	500	7003407700000000000♠4077 [ ссылка необходима ]	7004120000000000000♠12000 [ ссылка необходима ]
  FEEP	Жидкий цезий	6×10 −5 – 0,06	7003600000000000000♠6000–7004100000000000000♠10000 [21]	0,001–1 [21]
  ВАСИМР	Аргон	200	7003300000000000000♠3000–7004120000000000000♠12000	Прибл. 7003500000000000000♠5000 [44]	620 [45]
  CAT [46]	Ксенон, йод, вода [47]	0,01	690 [48] [49]	1.1–2	<1 (73 мН/кВт) [47]
  DS4G	Ксенон	250	7004193000000000000♠19300	7003250000000000000♠2500 макс.	5
  КЛИМТ	Криптон	0,5 [50]			4 [50]

  Срок службы

  Малая тяга ионных двигателей требует непрерывной работы в течение длительного времени для достижения необходимого изменения скорости (дельта-v) для конкретной миссии. Ионные двигатели предназначены для обеспечения непрерывной работы в течение интервалов от нескольких недель до нескольких лет.

  Срок службы электростатических ионных двигателей ограничен несколькими процессами. В конструкциях с электростатической сеткой ионы с перезарядкой, создаваемые ионами пучка с потоком нейтрального газа, могут ускоряться по направлению к сетке ускорителя с отрицательным смещением и вызывать эрозию сетки. Конец срока службы достигается, когда либо структура сетки выходит из строя, либо отверстия в сетке становятся достаточно большими, что существенно влияет на извлечение ионов; например, за счет обратного потока электронов. Эрозии сетки нельзя избежать, и она является основным фактором, ограничивающим срок службы. Тщательная конструкция решетки и выбор материала обеспечивают срок службы 20 000 часов и более.

  В результате испытаний электростатического ионного двигателя NASA Solar Technology Application Readiness (NSTAR) 30 472 часа (примерно 3,5 года) непрерывной тяги на максимальной мощности. Послетестовое обследование показало, что двигатель не приближается к отказу. ^{[51] [3] [4]}

  Проект NASA Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) непрерывно работал более 48 000 часов. ^[52] Испытание проводилось в высоковакуумной испытательной камере. В течение 5,5 лет испытаний двигатель израсходовал примерно 870 кг ксенонового топлива. Общий генерируемый импульс потребовал бы более 10 000 кг обычного ракетного топлива для аналогичного применения.

  Усовершенствованная электрическая двигательная установка (AEPS), как ожидается, наработает около 5000 часов, и ее конструкция направлена ​​на создание летной модели с периодом полураспада не менее 23000 часов ^[53] и полным сроком службы около 50000 часов . ^[54]

  Двигатели Холла страдают от сильной эрозии керамической разрядной камеры под воздействием энергичных ионов: испытание, проведенное в 2010 г. ^[55] , показало эрозию около 1 мм за сто часов работы, хотя это не соответствует действительности. с наблюдаемым временем жизни на орбите в несколько тысяч часов.

  Пропелленты

  Энергия ионизации составляет большой процент энергии, необходимой для запуска ионных двигателей. Таким образом, идеальное топливо легко ионизируется и имеет высокое отношение массы к энергии ионизации. Кроме того, топливо не должно сильно разрушать двигатель, чтобы обеспечить долгий срок службы; и не должны загрязнять транспортное средство. ^[56]

  Во многих современных конструкциях используется газ ксенон, так как он легко ионизируется, имеет достаточно высокий атомный номер, инертен и вызывает низкую эрозию. Однако во всем мире ксенон дефицитен и дорог.

  В более старых конструкциях использовалась ртуть, но она токсична и дорога, имела тенденцию загрязнять транспортное средство металлом и была трудна для точной подачи. Современный коммерческий прототип может успешно использовать ртуть. ^[57]

  Другие пропелленты, такие как висмут и йод, перспективны, особенно для конструкций без решетки, таких как двигатели на эффекте Холла. ^{[40] [41] [42]}

  Конструкция VASIMR (и другие плазменные двигатели) теоретически может использовать практически любой материал в качестве топлива. Однако в текущих испытаниях наиболее практичным топливом является аргон, который относительно распространен и недорог.

  Амбиполярный двигатель CubeSat (CAT), используемый на марсианской группе ионосферных исследовательских спутников. Миссия CubeSat Ambipolar Thruster (MARS-CAT) предлагает использовать твердый йод в качестве топлива для минимизации объема хранилища. ^{[48] [49]}

  Энергетическая эффективность

  Эффективность ионного двигателя представляет собой кинетическую энергию выхлопной струи, испускаемой в секунду, деленную на электрическую мощность, поступающую в устройство.

  Общая энергоэффективность системы определяется эффективностью тяги, которая зависит от скорости автомобиля и скорости выхлопа. Некоторые подруливающие устройства могут изменять скорость истечения во время работы, но все они могут быть спроектированы с различной скоростью истечения. На нижнем конце удельного импульса I _sp , общий КПД падает, потому что ионизация потребляет больший процент энергии, а на верхнем конце КПД движителя снижается.

  Можно рассчитать оптимальную эффективность и скорость истечения для любой заданной миссии, чтобы получить минимальные общие затраты.

  Миссии

  Ионные двигатели широко используются в космосе. В лучших приложениях используется длительный интервал полета, когда не требуется значительная тяга. Примеры этого включают переходы на орбиту, корректировку ориентации, компенсацию лобового сопротивления для низких околоземных орбит, точную корректировку для научных миссий и транспортировку грузов между складами топлива, например, для химического топлива. Ионные двигатели также могут использоваться для межпланетных полетов и полетов в дальний космос, где скорость ускорения не имеет решающего значения. Непрерывная тяга в течение длительного интервала может достигать высоких скоростей при потреблении гораздо меньшего количества топлива, чем традиционные химические ракеты.

  Среди электрических двигателей наиболее серьезное коммерческое и научное внимание уделяется ионным двигателям. Ионные двигатели считаются лучшим решением для этих миссий, поскольку они требуют большого изменения скорости, но не требуют быстрого ускорения.

  Демонстрационные аппараты

  SERT

  Ионные двигательные установки были впервые продемонстрированы в космосе в рамках миссий НАСА Льюиса (ныне Исследовательский центр Гленна) «Испытание космических электрических ракет» (SERT) I и II. ^[58] SERT-1 был запущен 20 июля 1964 года и успешно доказал, что технология работает в космосе, как и предполагалось. Это были электростатические ионные двигатели, использующие ртуть и цезий в качестве реакционной массы. SERT-II, запущенный 3 февраля 1970 г., ^{[59] [60]} проверил работу двух ионно-ртутных двигателей в течение тысяч часов работы. ^[61]

  Эксплуатационные миссии

  Ионные двигатели обычно используются для поддержания станции на коммерческих и военных спутниках связи на геостационарной орбите. Советский Союз был пионером в этой области, используя стационарные плазменные двигатели (SPT) на спутниках, начиная с начала 19 века. 70-е годы.

  Два геостационарных спутника ( Artemis ЕКА в 2001–03 ^[62] и AEHF-1 вооруженных сил США в 2010–12 ^[63] ) использовали ионный двигатель для изменения орбиты после отказа двигателя на химическом топливе. Boeing ^[64] начал использовать ионные двигатели для удержания станции в 1997 году и планировал в 2013–2014 годах предложить вариант на своей платформе 702 без химического двигателя и ионных двигателей для подъема на орбиту; это позволяет значительно снизить стартовую массу для заданных возможностей спутника. AEHF-2 использовал химический двигатель, чтобы поднять перигей до 10 150 миль, и вышел на геосинхронную орбиту, используя электрическую тягу. ^[65]

  На околоземной орбите

  GOCE

  16 марта 2009 г. был запущен ESA Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer (GOCE). — перетащить его на низкую орбиту (высота 255 километров) перед преднамеренным сходом с орбиты 11 ноября 2013 года.

  В глубоком космосе

  Глубокий космос 1

  НАСА разработало ионный двигатель NSTAR для использования в межпланетных научных миссиях, начиная с конца 19-го века.90-е. Он прошел космические испытания на очень успешном космическом зонде Deep Space 1 , запущенном в 1998 году. Это было первое использование электрического двигателя в качестве межпланетной двигательной установки в научной миссии. ^[58] Основываясь на проектных критериях НАСА, компания Hughes Research Labs разработала ксеноновую ионную двигательную установку (XIPS) для поддержания станций на геостационарных спутниках. ^] Компания Hughes (EDD) изготовила двигатель NSTAR, используемый на космическом корабле.

  Хаябуса

  Катер Хаябуса японского космического агентства был запущен в 2003 году и успешно сблизился с астероидом 25143 Итокава и оставался в непосредственной близости в течение нескольких месяцев для сбора образцов и информации. Он был оснащен четырьмя ксеноновыми ионными двигателями. Его ионы ксенона были созданы с помощью микроволнового электронного циклотронного резонанса и устойчивого к эрозии углеродного / углеродного композитного материала для его ускоряющей сетки. ^[66] Хотя ионные двигатели на 9У 0337 Hayabusa возникли технические трудности, реконфигурация в полете позволила отремонтировать один из четырех двигателей и позволила миссии успешно вернуться на Землю. ^[67]

  Smart 1

  Спутник Европейского космического агентства SMART-1 , запущенный в 2003 году с помощью двигателя Холла Snecma PPS-1350-G для перехода с GTO на лунную орбиту. Этот спутник завершил свою миссию 3 сентября 2006 г. в управляемом столкновении с поверхностью Луны после отклонения траектории, чтобы ученые могли увидеть 3-метровый кратер, образовавшийся в результате удара на видимой стороне Луны.

  Dawn

  Dawn запущен 27 сентября 2007 года для исследования астероида Веста и карликовой планеты Церера. В нем использовались три ксеноновых ионных двигателя Deep Space 1 (запускали по одному). Ионный двигатель Dawn способен разгоняться от 0 до 60 миль в час (97 км/ч) за 4 дня непрерывной работы. ^[68] Миссия завершилась 1 ноября 2018 года, когда у космического корабля закончилось топливо. ^[69]

  ЛИЗА Следопыт

  LISA Pathfinder — космический корабль ЕКА, запущенный в 2015 году. Он не использует ионные двигатели в качестве основной двигательной установки, но использует как коллоидные двигатели, так и FEEP для точного управления ориентацией — малая тяга этих двигателей позволяет перемещать космический корабль. инкрементальные расстояния точно. Это тест для возможной миссии LISA. Миссия завершилась 30 декабря 2017 года.

  BepiColombo

  Миссия ESA BepiColombo была запущена к Меркурию 20 октября 2018 г. ^[70] Он использует ионные двигатели в сочетании с манипуляторами, чтобы добраться до Меркурия, где химическая ракета завершит вывод на орбиту.

  Запланированные миссии

  Лунная орбитальная платформа-шлюз

  Предполагается, что лунная орбитальная платформа-шлюз будет иметь модуль под названием «Энергодвигательный элемент» (СИЗ), который будет использоваться для выработки электроэнергии для космической станции и ее ионного двигателя. . Он нацелен на запуск коммерческого автомобиля в 2022 году. ^{[71] [72]} Вероятно, ^[53] будет использовать усовершенствованную электрическую двигательную установку (AEPS) мощностью 50 кВт, разрабатываемую в Исследовательском центре Гленна НАСА и Aerojet Rocketdyne.

  Предлагаемые миссии

  Международная космическая станция

  По состоянию на март 2011 г. рассматривался будущий запуск электромагнитного двигателя Ad Astra VF-200 VASIMR мощностью 200 кВт для испытаний на Международной космической станции. ^{[73] [74]} Однако в 2015 году НАСА прекратило планы по запуску VF-200 к МКС. Представитель НАСА заявил, что МКС «не была идеальной демонстрационной площадкой для желаемого уровня производительности двигателей». Ad Astra заявила, что испытания двигателя VASIMR на МКС останутся возможным вариантом после будущей демонстрации в космосе. ^[29]

  VF-200 должен был быть летной версией VX-200. ^{[75] [76]} Поскольку доступная мощность МКС составляет менее 200 кВт, МКС VASIMR должна была включать в себя аккумуляторную систему с непрерывной зарядкой, обеспечивающую 15-минутные импульсы тяги. МКС вращается на относительно низкой высоте и испытывает довольно высокие уровни атмосферного сопротивления, что требует периодического увеличения высоты — высокоэффективный двигатель (высокий удельный импульс) для поддержания станции был бы полезен, теоретически повторное ускорение VASIMR может снизить стоимость топлива с нынешних 210 долларов. миллионов ежегодно до одной двадцатой. ^[73] VASIMR теоретически может использовать всего 300 кг газообразного аргона для обслуживания МКС вместо 7,5 тонн химического топлива — высокая скорость истечения (высокий удельный импульс) позволит достичь такого же ускорения с меньшим количеством ракетное топливо по сравнению с химическим двигателем с более низкой скоростью выхлопа, требующей большего количества топлива. ^[77] Водород вырабатывается на МКС в качестве побочного продукта и выбрасывается в космос.

  НАСА ранее работало над ионным двигателем мощностью 50 кВт для МКС, но работы были остановлены в 2005 г. ^[77]

  MARS-CAT

  Миссия MARS-CAT (Марсианский массив ионосферных исследовательских спутников с использованием амбиполярного двигателя CubeSat) представляет собой концептуальную миссию CubeSat с двумя 6U для изучения ионосферы Марса. Миссия будет исследовать его плазму и магнитную структуру, включая переходные структуры плазмы, структуру магнитного поля, магнитную активность и корреляцию с драйверами солнечного ветра. ^[48] Подруливающее устройство CAT теперь называется подруливающим устройством RF и производится компанией Phase Four. ^[49]

  Межзвездный зонд

  Джеффри А. Лэндис предложил использовать космический лазерный источник и ионный двигатель для приведения в движение межзвездного зонда. ^{[78] [79]}

  Популярная культура

  Идея ионного двигателя впервые появилась в книге Дональда Хорнера « На самолете к Солнцу: приключения отважного летчика и его друзей» (1910). ^[80]

  Ионный двигатель — основной источник тяги космического корабля Космократор в восточногерманском / польском научно-фантастическом фильме Der Schweigende Stern (1960). ^[81] Минута 28:10.

  В эпизоде ​​1968 года сериала «Звёздный путь » «Мозг Спока» Скотти неоднократно впечатлялся тем, как цивилизация использует ионную энергию. ^{[82] [83]}

  Звездные войны Фильмы и литература относятся к истребителям с двумя ионными двигателями (TIE).

  Ионные двигатели появляются как основная форма движения в вакууме для космического корабля в игре Космические инженеры .

  Ионные двигатели упоминаются как метод космического движения в Марсианин .

  Ионный привод — двигательная установка Starliner — «Авалон» в фильме «Пассажиры» -2016

  См. также

  • энергетический портал

  В этой статье использованы материалы из статьи Википедии
  «Ионный двигатель», выпускаемый под
  Лицензия Creative Commons Attribution-Share-Alike 3. 0. есть список всех
  авторы в Википедии

  От лечения рака до ионного двигателя

  Новейшая маленькая идея для микроракет Nanosat

  ---

  Наноспутники — это космические аппараты размером с мобильный телефон, которые могут выполнять простые, но ценные
  космические миссии. Десятки этих маленьких транспортных средств теперь неустанно вращаются вокруг Земли.
  выполняя ценные функции для НАСА, Министерства обороны и даже частных
  компании.

  Наноспутники заимствуют многие свои компоненты у земных гаджетов: миниатюризированы
  камеры, беспроводные радиоприемники и приемники GPS, которые были усовершенствованы для портативных
  устройства также идеально подходят для космических кораблей. Однако, говорит Л. Брэд Кинг, наноспутники требуют
  то, что вы, вероятно, никогда не сможете скачать из магазина приложений: «Даже
  лучшие смартфоны не имеют миниатюрных ракетных двигателей, поэтому нам нужно их разработать
  с нуля.»

  Миниатюрные ракеты не нужны для запуска наноспутника с Земли. Небольшие транспортные средства
  может ехать автостопом с обычной ракетой, которая и так летит туда. Но поскольку они
  путешествуют автостопом, эти наноспутники не всегда доставляются в нужном месте.
  Оказавшись в космосе, наноспутник часто нуждается в каком-то типе двигателя, чтобы переместить его из
  точки высадки на желаемую орбиту. Введите микро ракетные двигатели.

  В течение последних нескольких лет исследователи всего мира пытались построить такие
  ракеты, использующие микроскопические полые иглы для электрического распыления тонких струй жидкости,
  которые толкают космический корабль в противоположном направлении. Жидкое топливо представляет собой особый
  химическое вещество, известное как ионная жидкость. Единственная игла двигателя тоньше человеческого
  волос длиной менее одного миллиметра и создает силу тяги, эквивалентную
  вес нескольких песчинок. Несколько сотен таких иголок помещаются в почтовую марку.
  упаковать и создать достаточную тягу, чтобы маневрировать наноспутником.

  Однако эти новые электрораспылительные двигатели сталкиваются с некоторыми трудностями при проектировании. «Потому что они
  такие маленькие и сложные, их изготовление дорого, а иглы хрупкие».
  говорит Кинг, профессор машиностроения Рона и Элейн Старр.
  Механика. «Они легко разрушаются либо неосторожным ударом, либо электрической дугой.
  когда они бегут».

  Чтобы обойти эту проблему, Кинг и его команда разработали элегантную стратегию: устранить
  дорогая и утомительная микрофабрикация, необходимая для изготовления игл, позволяя
  Мать-природа позаботится о сборке. «Мы работаем с уникальным типом жидкости
  называется феррожидкостью, которая естественным образом образует стационарный узор из острых кончиков в
  жидкая поверхность, — говорит он. «Каждый наконечник в этой самособирающейся конструкции может распылять
  струя жидкости, как микроигла, поэтому нам не нужно делать никаких игл».

  Феррожидкости существуют с 1960-х годов. Они состоят из мельчайших магнитных частиц.
  взвешенный в растворителе, который перемещается под действием магнитной силы. Король иллюстрирует
  с крошечным контейнером, содержащим феррожидкость из керосина и железной пыли. Жидкость
  лежит ровно, пока он не подложит под него магнит. Затем внезапно жидкость образует регулярную
  серия пик, напоминающая горный хребет или стрижку Барта Симпсона. Эти
  пики остаются совершенно стабильными, несмотря на энергичное встряхивание и даже переворачивание контейнера
  с ног на голову. Тем не менее, он полностью жидкий, что неопровержимо доказывает прикосновение кончика пальца.
  Когда магнит удаляется, жидкость растекается до идеально плоской поверхности.

  Команда Кинга пыталась создать ионную жидкость, которая вела бы себя как феррожидкость, когда
  они узнали об исследовательской группе Сиднейского университета, которая уже сделала
  Это. Сиднейская команда использовала магнитные наночастицы, созданные компанией, занимающейся науками о жизни.
  Sirtex, которые используются для лечения рака печени. «Они прислали нам образец, и мы использовали
  это для разработки двигателя», — сказал Кинг. «Теперь у нас хорошее сотрудничество. Его
  Удивительно, что та же технология, которая используется для лечения рака, может также функционировать как микро
  ракета для космического корабля».

  Первый двигатель Кинга изготовлен из дюймового алюминиевого блока с небольшим кольцом.
  специальной жидкости. Когда магнит помещается под блок, жидкость образует
  крошечная пятиконечная корона. Когда электрическая сила затем приложена к феррожидкости
  из каждой точки выходят струи жидкости, создающие тягу. «Увлекательно
  смотрите», — говорит Кинг. «Пики становятся выше и тоньше, выше и тоньше, и
  в какой-то момент закругленные кончики мгновенно превращаются в наноострые точки и начинают излучать
  ионы».

  Ускоритель кажется почти невосприимчивым к необратимым повреждениям. Советы автоматически
  исцелять себя и заново расти, если они каким-то образом повреждены. Команда Кинга уже продемонстрировала
  его самоисцеляющие свойства, хотя и непреднамеренно. «Мы случайно повернули напряжение
  слишком высоко, и наконечники взорвались по небольшой дуге», — говорит Кинг. Хотя это будет означать
  смерть для типичного двигателя: «Из
  оставшись феррожидкостью, и снова возобновил толчок».

  Их двигатель еще не готов вывести спутник на орбиту. «Сначала мы
  надо реально понять, что происходит на микроскопическом уровне, а потом развивать
  более крупный прототип, основанный на том, что мы узнали», — сказал Кинг. «Мы еще не совсем там;
  мы не можем построить человека из жидкости, как отъявленный злодей из терминатора
  фильмы. Но мы почти уверены, что сможем построить ракетный двигатель».

  Они не похожи на ракетные двигатели, но если приложить электрическую силу к крошечным
  шипы феррожидкости, показанные выше, струи ионов вытекают наружу. Это может генерировать
  тяги достаточно, чтобы маневрировать наноспутником в космосе, говорит ученый Л. Брэд Кинг.

  Несколько сотен игл из феррожидкости могут создать достаточную тягу, чтобы маневрировать
  наноспутник.

  Л. Брэд Кинг

  Мичиганский технологический университет — государственный исследовательский университет, основанный в 1885 году в Хоутоне, штат Мичиган, в котором обучается более 7000 студентов из 55 стран мира. Ведущий технологический университет Мичигана, неизменно входящий в число лучших университетов страны по рентабельности инвестиций, предлагает более 120 программ бакалавриата и магистратуры в области науки и техники, инженерии, вычислительной техники, лесного хозяйства, бизнеса и экономики, медицинских профессий, гуманитарных наук, математики, социальных наук. наук, и искусства. Загородный кампус расположен всего в нескольких милях от озера Верхнее на Верхнем полуострове Мичигана, предлагая круглогодичные возможности для приключений на свежем воздухе.

  Ионный двигатель однажды сможет обеспечить 39-дневные полеты на Марс

  Лиза Гроссман

  Видео: посмотрите на ракету в действии всего за 39 дней (Иллюстрация: Ad Astra Rocket Company)

  Растет хор призывов отправить астронавтов на Марс, а не на Луну, но критики отмечают, что такие путешествия будут долгими и изнурительными, и на их достижение потребуется около шести месяцев. Красная планета. Но теперь исследователи тестируют новый мощный ионный двигатель, который однажды может сократить путь всего до 39 км.дней.

  Традиционные ракеты сжигают химическое топливо для создания тяги. Большая часть этого топлива расходуется при начальном отталкивании от поверхности Земли, поэтому большую часть времени, пока они находятся в космосе, ракеты движутся по инерции.

  Ионные двигатели, с другой стороны, ускоряют электрически заряженные атомы или ионы с помощью электрического поля, тем самым толкая космический корабль в противоположном направлении. Они обеспечивают гораздо меньшую тягу в данный момент, чем химические ракеты, а значит, не могут самостоятельно вырваться из-под земного притяжения.

  Реклама

  Но оказавшись в космосе, они могут давать непрерывный толчок в течение многих лет, как устойчивый бриз в задней части парусника, постепенно ускоряясь, пока они не станут двигаться быстрее, чем химические ракеты.

  Несколько космических миссий уже использовали ионные двигатели, в том числе космический корабль НАСА Dawn, который направляется к астероидам Веста и Церера, и японский космический корабль Хаябуса, который встретился с астероидом Итокава в 2005 году.

  Но новый двигатель под названием VASIMR (Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом), будет иметь гораздо большую «крутость», чем предыдущие. Это потому, что он использует генератор радиочастот, аналогичный передатчикам, используемым для трансляции радиопередач, для нагрева заряженных частиц или плазмы.

  Двигатель разрабатывается компанией Ad Astra Rocket Company, основанной в 2005 году физиком-плазмотехником и бывшим астронавтом космического корабля «Шаттл» Франклином Чанг-Диазом.

  Горячий как солнце

  VASIMR работает как паровой двигатель, первая ступень которого выполняет функцию, аналогичную кипячению воды, для создания пара. Радиочастотный генератор нагревает газ из атомов аргона до тех пор, пока электроны не «выкипят», создав плазму. Этот этап был впервые протестирован 2 июля в штаб-квартире Ad Astra в Вебстере, штат Техас.

  Плазма могла бы создавать тягу сама по себе, если бы ее выбрасывали из ракеты, но не очень эффективно. Чтобы оптимизировать эффективность, вторая ступень ракеты затем нагревает ионы примерно до миллиона градусов, что сопоставимо с температурой в центре Солнца.

  Он делает это, используя тот факт, что в сильном магнитном поле, подобно полям, создаваемым сверхпроводящими магнитами в двигателе, ионы вращаются с фиксированной частотой. Затем радиочастотный генератор настраивается на ту же частоту, вводя в ионы дополнительную энергию.

  Высокая мощность

  Сильные магнитные поля выводят плазму из задней части двигателя, толкая ракету в противоположном направлении.

  Благодаря радиочастотному генератору VASIMR может достигать уровня мощности в сто раз выше, чем у других двигателей, которые просто ускоряют свою плазму, посылая ее через серию металлических решеток с разным напряжением. В этой установке ионы, сталкиваясь с сеткой, имеют тенденцию разрушать ее, ограничивая мощность и срок службы ракеты. Радиочастотный генератор VASIMR решает эту проблему, никогда не вступая в контакт с ионами.

  «Насколько нам известно, это самый мощный источник сверхпроводящей плазмы», — говорит Джаред Сквайр, директор по исследованиям Ad Astra.

  Ученые Ad Astra начали испытания второй ступени двигателя, нагревающей плазму, на прошлой неделе. Пока что члены команды запустили двухступенчатый двигатель мощностью 50 киловатт. Но они надеются увеличить мощность до 200 кВт в ходе текущих испытаний, чего достаточно, чтобы обеспечить около фунта тяги. Это может показаться не таким уж большим, но в космосе он может перевозить до двух тонн груза, достигая Юпитера примерно за 19месяцев от стартовой позиции относительно близко к солнцу, — говорит Сквайр.

  Орбитальные ускорители

  Ad Astra и НАСА договорились о испытании ракеты в космосе, прикрепленной к Международной космической станции в 2012 или 2013 году. Потенциально VASIMR может обеспечить периодические ускорители, необходимые для удержания МКС на ее орбите.

  При нынешнем уровне мощности VASIMR может полностью работать на солнечной энергии. Сквайр говорит, что из него получится хороший буксир на околоземной орбите, вытягивающий спутники на разные орбиты. Он также может доставлять грузы на лунную базу, а поскольку он может перемещаться относительно быстро, его можно направить к опасным астероидам, чтобы гравитационно сбить их с курса за годы до того, как они достигнут Земли.

  Однако, чтобы добраться до Марса за 39 дней, двигателю потребуется в 1000 раз больше энергии, чем может дать солнечная энергия. Для этого VASIMR потребуется бортовой ядерный реактор. Ранние версии реакторной технологии использовались Советским Союзом с 1960-х по 1980-е годы, но с тех пор не использовались в космосе, и для их разработки потребуется время. «Это было бы довольно далеко», — говорит Сквайр.

  «Изменивший правила игры»

  Но возможность такого короткого путешествия на Марс недавно высоко оценил Чарльз Болден, новый глава НАСА. Он сказал, что НАСА предоставило небольшую стипендию на разработку VASIMR, и сказал, что это сотрудничество является хорошим примером партнерства с частным сектором, которое может помочь агентству достичь своих целей после того, как в 2010 году космические шаттлы будут выведены из эксплуатации.