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

Содержание

Ионные двигатели: от фантастики к реальным пускам

Наука

30 Сентября 2003 19:0930 Сен 2003 19:09

Минувшая неделя ознаменовалась успешным стартом первой в мире исследовательской станции, оснащенной ионным двигателем в качестве основного. SMART 1 – первая европейская экспедиция для исследования Луны. В то же время, это уникальная исследовательская станция нового типа, первая в новой программе ESA под названием Small Missions for Advanced Research in Technology, в ходе которой запланирована апробация целого ряда новых технологий.

Первая европейская экспедиция к Луне
SMART 1 выходит на орбиту
Спасение Artemis
Ионный двигатель Холла
Луна вновь в центре внимания
Технологическая аппаратура

Первая европейская экспедиция к Луне


Старт Ariane 5, несущая SMART 1 на борту

В минувшую субботу с космодрома Куру ракетой-носителем «Ариан 5» была успешно выведена в космическое пространство исследовательская станция европейского космического агентства SMART 1.

Спутник создан по заказу ESA (European Space Agency, Европейское космическое агентство) Шведской космической корпорацией при участии почти 30 субподрядчиков из 11 европейских стран и США. Общая стоимость проекта составила 110 млн. евро.

SMART 1 — первая автоматическая станция ESA для исследования Луны. В то же время, это уникальная исследовательская станция нового типа, первая в новой программе ESA под названием Small Missions for Advanced Research in Technology. В ходе выполнения программы запланирована апробация целого ряда новых технологий, например, связь в Ка-диапазоне и лазерная связь, автономная навигация и многое другое.

Solar Orbiter

При достаточно большом количестве аппаратуры, SMART 1 отличается малым весом (370 кг, в том числе научная аппаратура — 19 кг) и компактностью. Со сложенными солнечными батареями он представляет собой прямоугольник размером в метр. Стоимость SMART 1 примерно раз в пять меньше, чем типичной межпланетной станции ESA. Но самая главная особенность нового космического аппарата в том, что впервые в истории космонавтики ионный двигатель будет использован в качестве основного. В ближайших планах ESA — запуск еще двух аппаратов, оснащенных ионной двигательной установкой. Это BepiColombo для исследования Меркурия и Solar Orbiter — для изучения Солнца.

BepiColombo

Установленный на SMART 1 ионный двигатель потребляет 1350 Ватт электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями, и развивает тягу в 0,07 Ньютон, что примерно соответствует весу почтовой открытки. Рабочим веществом служит ксенон (запас топлива 82 кг). При этом для выхода на эллиптическую полярную орбиту вокруг Луны станции потребуется 16 месяцев. Выведение SMART 1 на расчетную орбиту представляет собой сложный многоступенчатый процесс, состоящий из нескольких этапов.

SMART 1 выходит на орбиту


Переход SMART 1 на лунную орбиту

В субботу ракета-носитель «Ариан 5» вывела SMART 1 на переходную геосинхронную орбиту с апогеем 35935 км (при расчетном значении 35873 км) и перигеем 649,5 км (при расчетном значении 648,7 км). Время работы ракеты-носителя составил 27 минут. Во вторник будет включен ионный двигатель. На первом этапе полета он должен работать практически непрерывно в течение 80 дней, за исключением периодов, когда станция будет находиться в тени Земли. При этом перигей орбиты SMART 1 будет поднят до 20 тыс. км., а затем и апогей. Когда он достигнет 200 тыс. км., станция начнет испытывать ощутимое гравитационное воздействие Луны. Гравитационные маневры будут осуществляться в конце декабря 2004 года, а затем в январе и феврале 2005 г. В конечном итоге в марте 2005 SMART 1 выйдет на орбиту вокруг Луны, а с апреля 2005 аппарат приступит к выполнению своей научной программы.

Строго говоря, ионные двигатели уже устанавливались на космических аппаратах — в последние годы, в частности, на исследовательской станции НАСА Deep Space 1 (DS 1) и на экспериментальном геостационарном спутнике связи ESA Artemis. В последнем случае, благодаря наличию на борту ионных двигателей, удалось спасти казавшийся окончательно утраченным спутник ценой в миллионы долларов.


	Телекоммуникационный спутник Artemis

Нештатная работа верхней ступени ракеты-носителя Ariane 5, выводившей на орбиту спутник Artemis, привела к тому, что орбита Artemis оказалась значительно ниже расчетной. Обычно это приводит к потере спутника. Если он несет в себе угрозу другим космическим аппаратам, его топят (тяжелые аппараты) или «сжигают» в атмосфере. Но Artemis избежал этой печальной участи.

Благодаря экстренно принятым мерам и ценой расходования практически всего запаса химического топлива, имевшегося на борту, спутник удалось перевести на круговую орбиту высотой 31 тыс. км. Но после этого надо было перевести Artemis на расчетную геостационарную (высотой около 36 тыс. км). Тогда и было принято решение воспользоваться четырьмя ионными двигателями, установленными на борту попарно. Они изначально предназначались для управления ориентацией (наклоном) спутника. Что бы осуществить переход вектор тяги двигателей был направлен перпендикулярно плоскости орбиты. Но для спасения аппарата ему необходимо было придать импульс в плоскости орбиты, и таким образом перевести на более высокую геостационарную орбиту. Artemis требовалось повернуть на 90 градусов по отношению к его нормальной ориентации.

Сложнейшая спасательная операция, потребовала выработки «на ходу» новой стратегии действий, новых режимов управления спутником и функционирования бортовой аппаратуры. Потребовалось модифицировать 20% всего бортового программного обеспечения. И все же операция прошла весьма успешно. О ее сложности свидетельствует тот факт, что только для перепрограммирования бортовой системы управления потребовалось подгрузить с Земли модифицированные блоки программного обеспечения общим объемом в 15 тыс. слов. Это была самая масштабная операция по перепрограммированию с Земли телекоммуникационного спутника.

Несмотря на скромную тягу (всего 15 миллиньютон) Artemis стал «карабкаться» на расчетную орбиту, поднимаясь на 15 км в день. Вся спасательная операция заняла 18 месяцев. 31 января 2003 года Artemis оказался именно там, где ему следовало бы оказаться еще полтора года назад. Первая в мире спасательная операция, исход которой целиком зависел от надежности ионных двигателей и слаженных действий людей на Земле, прошла успешно. Спутник, считавшийся безнадежно потерянным, приступил к нормальной работе.

Ионный двигатель Холла

По своей конструкции основной двигатель SMART 1 существенно отличается от двигателей, установленных на DS 1 и на Artemis. В случае с последними двумя аппаратами, для ускорения ионов использовалась решетка с поданным на нее потенциалом (так называемый gridded ion engine). В отличие от них SMART 1 оснащен ионным двигателем Холла, который существенно отличается по своей конструкции.

Ионный двигатель в работе

Важным преимуществом двигателей на эффекте Холла является отсутствие решетки, подвергающейся постоянной бомбардировке высокоэнергетичными ионами, вследствие чего происходит ее быстрая деградация. Что касается других характеристик ионных двигателей различной конструкции, то ситуация выглядит не столь очевидной. В общем, двигатели с решеткой позволяют получать больший удельный импульс и расходуют примерно в два раза меньше топлива (рабочего тела), чем двигатели Холла. Однако при этом двигатели Холла позволяют развить большую удельную тягу при одинаковом потреблении электроэнергии. Обе конструкции имеют свои достоинства и недостатки, и выбор предпочтительного варианта зависит в каждом случае от характера задач, стоящих перед аппаратом, и от его энергетических возможностей.

Луна вновь в центре внимания

Несмотря на то, что задумывался SMART 1 в первую очередь для отработки новых и перспективных технологий исследования космического пространства, информация о Луне, которую ему предстоит собрать, также можно назвать уникальной.

Как «Тинькофф» проводит встречи и обучает 20 000 сотрудников ежемесячно

Импортозамещение ВКС

Связь по лазерному лучу между SMART 1 и центром слежения в Тенерифе, Канарские острова

На Луне SMART 1 проведет поиск следов наличия воды (в форме льда) в кратерах, получит данные о химическом составе поверхности нашего спутника и протекающих в нем тектонических процессах. Станции предстоит впервые провести картографирование всей поверхности Луны с помощью рентгеновского и инфракрасного спектрометров с различным разрешением. Одновременно будет проводиться съемка поверхности в нескольких участках видимого спектра. Ничего подобного прежде не проводилось.

Как ожидается, собранная новым исследовательским аппаратом информация идеально дополнит данные, полученные американскими зондами Clementine (1994) и Lunar Prospector (1998), исследовавшими Луну в минувшем десятилетии. В центре внимания те вопросы, на которые у научного сообщества еще не сформировалось определенного мнения. Это происхождение нашего спутника и его эволюции. Научная программа полета рассчитана на шесть месяцев, но если к концу этого периода запас топлива еще не будет исчерпан, предполагается перевести SMART 1 на более низкую орбиту, в том числе для повышения разрешения снимков поверхности.

Технологическая аппаратура

На борту SMART 1 находится большое количество приборов, предназначенных для исследований Луны и изучения перспективных технологий.

И создал инженер ADAMa: для чего нужны человекоподобные роботы

Инновации для промышленности

Компоновка SMART 1

1. SIR – Инфракрасный спектрометр
2. Солнечные датчики
3. Стрела сенсора SPEDE (назначение — исследование свойств плазмы в окрестностях станции)
4. Камера AMIE (сверхминиатюрная, для работы в видимом и ИК-диапазоне)
5. Рентгеновский телескоп D-CIXS
6. Антенна системы связи
7. Датчики для исследования эффектов, вызванных работой ионного двигателя (EPDP)
8. Топливный бак двигателей ориентации
9. Звездный датчик
10. Двигатель для изменения ориентации солнечных батарей
11. Транспондер системы связи
12. Электроника управления ионным двигателем
13. Двигатели системы ориентации
14. Ионный двигатель с механизмом управления вектором тяги (его направление должно меняться по мере изменения положения центра масс, вызванного расходованием топлива)

EPDP и SPEDE

Для широкого использования ионных двигателей в длительных космических полетах необходимо досконально изучить побочные эффекты их длительной эксплуатации, а также характер взаимодействия с естественной электромагнитной средой, окружающей станцию. К возможным проблемам относится отклонение вектора тяги ионного двигателя от первоначальной ориентации, эрозия поверхностей, короткие замыкания, интерференция с радиосигналами, а также аккумуляция пылевых частиц. Для исследования этих эффектов предназначены приборы EPDP (исследование побочных эффектов работы ионного двигателя) и SPEDE (исследование свойств плазмы в окрестностях станции).

KaTE и RSIS

Основная задача прибора KaTE (микроволновая связь) — изучение перспектив связи в новом диапазоне электромагнитного излучения с длиной волны около 9 мм (Ка-диапазон).

Прибор RSIS (исследование радиоволн) предназначен для изучения малых вариаций движения SMART 1, вызванных нестабильностью тяги ионного движителя, с помощью Доплеровского эффекта. Регистрироваться при этом будет радиоизлучение прибора KaTE.

Laser-Link и OBAN

Laser-Link (лазерная связь) предназначен для изучения перспектив использования лазеров для связи с аппаратами, находящимися в глубоком космосе. В настоящее время ESA уже применяет лазерную связь с телекоммуникационными спутниками на геостационарной орбите.

Исследование возможности применения компьютерных технологий для автономной навигации космических аппаратов будет осуществляться посредством прибора OBAN (космическая навигация).

Картографирование лунных минералов с помощью SIR

Исследование Луны, Земли и Солнца

Сверхминиатюрная камера видимого и ИК-диапазона (AMIE) предназначена для съемки поверхности Луны.

Назначение инфракрасного спектрометра (SIR) — определение минерального состава лунных пород.

Для исследования химического состава лунных пород, а также новой технологии коллимации рентгеновского излучения предназначен D-CIXS рентгеновский телескоп.

Независимый от D-CIXS мониторинг рентгеновского излучения Солнца, сильно варьиующегося в зависимости от текущей солнечной активности, будет проводиться при помощи XCM.

Для сбора научной информации так же будет использоваться технологическая аппаратура экспериментов SPEDE и RSIS (см. выше).

Максим Рахманов / CNews.ru

Ионные двигатели в авиации | АвиаПорт.Конференция

Тема: Ионные двигатели в авиации

О ПЕРСПЕКТИВАХ ИОННЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ В АВИАЦИИ
Д.А. Боев, А.В. Ефимов, ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова»

Современное авиационное двигателестроение переживает время совершенства газотурбинных двигателей. Путь интенсификации процессов в ГТД достиг своего практического потолка. Проектируются ГТД с электрическим генератором и приводом. Уменьшаются и становятся более мощными моторы и источники энергии.
…Но может быть и нет необходимости снова превращать электрическую энергию в механическую, чтобы получить тягу для полёта и стоит вспомнить о существовании, например, ионных двигателей?
Электростатическим, или ионным, двигателем называют двигатель, в котором частицы рабочего тела, обладающие электрическим заря дом, подвергаются действию ускоряющих сил в электростатических полях. Истекающие частицы могут быть атомарными ионами, молекулярными ионами, заряженными коллоидальными частицами или даже пылинками или капля ми. Скорость истечения, приобретаемая частицами после про хождения ускоряющей камеры, определяется разностью потенциалов на концах камеры, зарядом частиц и их массой:

где: — заряд частицы — масса частицы Основными элементами ионного двигателя являются: иониза тор, ускоряющая камера, эмиттер электронов и нейтрализатор. По оценке некоторых авторов (см. например Э. Штулингер Ионные двигатели для космических полетов М. 1968 г.), достижимы скорости 30-200 км/с! Для авиации такие скорости не нужны. Здесь достаточно иметь скорость, сопоставимую со скоростью полета. Главное условие: разница импульса по замкнутому контуру вокруг летательного аппарата в проекции к направлению движения, должна быть не ниже аэродинамического сопротивления, чтобы создавать положительный им пульс тяги.
В то время как ускоряющая камера ионного двигателя выбрасывает заряженные частицы только одного знака, аппарат с ионными двигателями, чтобы остаться нейтральным, должен выделять с одинаковой интенсивностью положительно и отрицательно за ряженные частицы.
Причём, двигатель этот может работать в ЛЮБОЙ среде: если ионизировать можно газ, окружающий данный ускоритель частиц (например воздух атмосферы) — тогда мы имеем дело с атмосферным двигателем/движителем. Если ионизируется окружающая наш аппарат токопроводящая жидкость — например, морская вода, получается судовой движитель. А если разгоняются специально полученные от источника ионов частицы, то всё равно, в какой среде движется аппарат, приводимый в действие таким энергетическим источником – и это уже двигатель и для внеатмосферного аппарата.
Модель такого двигателя в своё время изготовили и с успехом демонстрировали… школьники на нескольких выставках серии «Архимед». Под руководством одного из авторов данной статьи А.В. Ефимова, в школе для особо одарённых детей «Интеллектуал» провели более подробное исследование. В его ходе постарались замерить различные параметры устройства: электрический потенциал в различных точках, возни кающую силу, протекающие токи и д.р. Журнал «Двигатель» писал об этом в №4 2009 и №3 2010 года. Этот коллектив уже имел опыт исследования подобных устройств, когда работал над проектом электростатического двигателя («Двигатель» № 2 2008 и №2 2009). Ими были проведены испытания электростатического двигателя в вакууме и получены довольно интересные результаты. Стало очевидно, что электростатический двигатель использует как ионный ветер, так и явления с ним непосредственно не связанные.

V м/c. Напряжение 21.4 Киловольта Ток 0.15 микроампер.

Распределение скорости по ширине на разных высотах: — 10 (красная}; — 30 (фиолетовая) и — 60 мм (синяя)

В 2010 г. в ЦИАМ, в лаборатории Маслова В.П. были произведены методом PIV измерения скорости движения по токов ионизированного воздуха в школьном ионолете. Правда, при напряжении меньшем «рабочего».
В результате измерения получено максимальное значение скорости — 0.77 м/c. Из соображения сохранности аппаратуры напряжение выше не поднималось, но раз наш аппарат летает, то должны получит при 30-37 КВ скорость порядка — 1. 33-1.4 м/с. Необходимо только помнить, что для ионизации и последующего разгона ионов нужно напряжении не менее 2Кв! (Желательно — выше 30Кв!)
Ионный двигатель возможно будет весьма эффективен для привода, скажем, высотных беспилотников различного рода. В частности — аппаратов легче воздуха с дистанционной беспроводной передачей энергии. А для летательного аппарата тяжелее воздуха таким ионным движителем может быть и все крыло целиком, когда источником ионов — эмиттером является передняя кромка, а поверхность крыла, превращенная в совокупность коллекторов, последовательно разгоняет ионы до требуемых скоростей. В качестве двигателя (или совокупности большого числа таких двигателей) может выступать и вся внешняя поверхность летательного аппарата.
Рассматривая тему надо всегда иметь в виду главное: электростатический двигатель – не «средство для левитации», как его пытаются представить, а именно агрегат для создания тяги в горизонтальном полёте.
Минимальная мощность на которой уже летают спортивные и экспериментальные самолёты с электродвигателем, работающим на пропеллер — порядка 50 киловатт. Мощные ВСУ для «полностью электрического» самолёта, типа представленных на салоне МАКС 2015 года — 200 КВт. Мощность, которую можно получить от маршевых ГТД, используя их как ГТУ привода электрогенератора на борту летательного аппарата — от 2 до 20 мегаватт. Это мы о том, какие имеются запасы мощности у перспективных двигателей для атмосферных летательных аппаратов.
Тема требует ещё очень и очень серьёзной проработки для того, чтобы окончательно решить вопрос о её перспективности.

ЛИТЕРАТУРА
1. Работа ведущих авиадвигателестроительных компаний в обеспечение создания перспективных авиационных двигателей. Под ред. В.А. Скибина, В.И. Солонина. ЦИАМ М. 2004 г.
2. Развитие авиационных ГТД и создание уникальных техноло гий. В.И. Бабкин, М.М. Цховребов, В.И. Солонин, А.И. Ланшин. Научно-технический журнал «Двигатель»№ 2 2013 г.
3. Некоторые результаты исследования электростатического двигателя. Д. Власенко, В. Квитко, В. Кузнецов, А.В. Ефимов. Науч но-технический журнал «Двигатель»№ 2 2008.
4. Ионолет или к вопросу об «эфекте Бифульда-Брауна». В. Кузнецов, А. Роговский, А.В. Ефимов. Научно-технический жур нал «Двигатель»№4 2009.
5. Поиски «Эффекта Бифульда-Брауна». М. Щукин, А.В. Ефимов. Научно-технический журнал «Двигатель» №3 2010.
6. Удивительные электронные устройств. Электроника для начинающего гения. Б. Яннини М Press 2008 г.
7. Ионные двигатели для космических полетов. Э. Штулингер. М. Машиностроение. 1968 г.

УДК 621.45.
наука
Замечания к вопросу О ПЕРСПЕКТИВНЫХ ДВИЖИТЕЛЯХ
Дмитрий Александрович Боев, помощник генерального директора ГНЦ РФ ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» Александр Владимирович Ефимов, научный сотрудник ГНЦ РФ ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова»
Современное авиационное двигателестроение переживает время совершенства газотурбинных двигателей. Путь интенсификации процессов в ГТД достиг своего практического потолка. Может быть и нет необходимости снова превращать электрическую энергию в механическую и стоит вспомнить о существовании, например, ионных двигателей?
Modern aviation engine-buildings is experiencing a time of perfection of gas-turbine engines. The methods of processes intensification in GTE have reached its practical limit. Maybe there is no need to convert electrical energy into mechanical and it is worth remembering the existence of, for example, ion engines?
Ключевые слова: авиадвигателестроение, ракетные двигатели, ионные двигатели.
Keywords: aviation engines, rocket engines, ion engines.
Всякая идея, будучи доведённой до технического совершенства (в границах применяемых материалов, техники и технологий), одновременно с тем исчерпывает возможности дальнейшего развития. А, следовательно, это — уже уходящая со сцены театра технического развития тема. И продолжает своё существование она только там, где её преимущества неоспоримы. В энергомашиностроении такой путь, например, прошли паровые двигатели различного рода, широко применявшиеся в различных областях техники, доведённые до совершенства, а ныне существующие почти исключительно в ядерных силовых установках, да ТЭЦ. Так же точно безжалостный прогресс поступил с авиационными поршневыми двигателями, удел которых сейчас — автомобили да лёгкомо- торная авиация.
Интересно: в апофеозе развития, совершенно невозможно предположить, что именно придёт на смену тому, что повсеместно используется в данный момент. И это несмотря на то, что зачатки «могильщика» так успешно применяемой системы уже существуют и вовсю развиваются. Так, теория ГТД была подробно описана в книге Стечкина по меньшей мере за 20 лет до начала их повсеместного использования. Не говоря уже о том, что реактивная паровая турбина Герона крутилась вообще более 2 тысяч лет назад. Возможно и сейчас мы столь же недальновидны и не предполагаем, что же именно будет основным энергоприводом в технике следующих поколений из того, что уже сейчас имеется в нашем распоряжении.
Нбнныи uCmou- NUH
/ УекйрйПщии jnpKTT’sa3 и HeiiwpojrtwQMop

Схема ионного двигателя с ис’ точником ионов, ускоряющей системой и нейтрализатором
Банальностью стал вывод о том, что современное авиационное двигателестроение переживает то самое непростое время совершенства газотурбинных двигателей. Путь интенсификации процессов в ГТД достиг своего практического потолка. Каждый шаг улучшения даётся всё большими затратами труда и средств учёных и разработчиков. Мало того: дальнейшее увеличение температуры перед турбиной и степени повышения полного давления в компрессоре ведет к нежелательным процессам, диссипации продуктов сгорания, образованию вредных окислов, вырождению процессов вследствие граничности их параметров, и системного… снижения надежности и эффективности двигателя.
Удивительно, но примерно то же самое можно сказать и о ЖРД, применяемых сейчас для перемещения в безвоздушном пространстве. То, что мы используем, также достигло своего совершенства.
№410iJ2Q15
Мштель
Учёные разных стран сошлись на том, что в качестве перспективы развития современных летательных аппаратов наиболее рационально — изменение схемности использования энергопривода. Одно из таких решений — распределенные движительные установки. Иначе: источник энергии (скажем, тот же ГТД) работает на своём оптимальном режиме с наибольшей эффективностью, а энергия его передается различным способом к движителям (ну, например, винтовентиляторам — как сейчас это воспринимается), распределенным по летательному аппарату. Способы передачи энергии могут быть различны: механический, газодинамический или электрический. Наиболее эффективным, с наименьшими потерями
На методическом научном уровне хорошо изучены только электрора- кетные двигатели, рассчитанные для работы с космическими аппаратами. Ещё в 1962 году на двигательном факультете Московского авиационного института профессором А.В. Квасниковым была организована кафедра «Энергосиловые установки космических аппаратов». Там были созданы экспериментальные модели и прототипы сильноточных плазменных двигателей различных типоразмеров, проведены исследования рабочих процессов и предложены методы оптимизации стационарных плазменных двигателей, плазменно-ионных двигателей и коллоидных двигателей мощностью от 50 Вт до 3-5 кВт. Исследовались и оптические, теплофизические и термодинамические свойства плазмы и электропроводящих сред при наличии электрических и магнитных полей.
В 1987 году на базе кафедры был организован Научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики (НИИП- МЭ). В этот институт перешел и большой отряд сотрудников, работавших в составе коллектива научной школы кафедры.
Результаты исследований научной школы кафедры нашли широкое применение при создании ЭРД серийно выпускаемых ОКБ «Факел»; космических энергетических установок, разработанных РКК «Энергия» и НПО «Квант»; энергофизических установок различного назначения, разработанных НПО «Зенит», НПО «Энергомаш'» ИЦ им. М. В. Келдыша и НПО «Прикладная механика» им. М. Ф. Решетнева.
По материалам сайта факультета Двигателей летательных аппаратов МАИ
и весом передающих элементов, очевидно был бы электрический способ. Естественно — при решении целого ряда технических вопросов, связанных с передачей больших мощностей. Например, путём применения сверхпроводящих коммуникаций.
Игрушки и даже вполне полезные устройства работающие по такому принципу типа квадро- и поликоптеров сейчас известны достаточно широко. Перемещение с их помощью, например, телетрансляционных камер и средств слежения уже никого не удивляет.
Но ведь возможно и иное решение. Может быть и нет необходимости снова превращать электрическую энергию в механическую? И нужен ли сам винтовентилятор?
Может, стоит вспомнить о существовании, например, ионных двигателей?
Электростатическим, или ионным, двигателем называют двигатель, в котором частицы рабочего тела, обладающие электрическим зарядом, подвергаются действию ускоряющих сил в электростатических полях. Истекающие частицы мо-
гут быть атомарными ионами, молекулярными ионами, заряженными коллоидальными частицами или даже пылинками или каплями. Скорость истечения, приобретаемая частицами после прохождения ускоряющей камеры, определяется разностью потенциалов на концах камеры, зарядом частиц и их массой:
V = I 2*-*u
у ц
где: e — заряд частицы ц — масса частицы Основными элементами ионного двигателя являются: ионизатор, ускоряющая камера, эмиттер электронов и нейтрализатор. В принципе, электронная пушка повсеместно выходящей из употребления электронно-лучевой трубки монитора или телевизора — хороший аналог такого двигателя. По оценке некоторых авторов (см. например Э. Штулингер Ионные двигатели для космических полетов М. 1968 г.), достижимы скорости 30-200 км/с! Для авиации такие скорости не нужны. Здесь достаточно иметь скорость, сопоставимую со скоростью полета. Главное условие — разница импульса по замкнутому контуру вокруг летательного аппарата в проекции к направлению движения, должна быть не ниже аэродинамического сопротивления, чтобы создавать положительный импульс тяги.

Электростатический Магнитное ионный поле организует ускоритель процесс ионизащ
Топливо (ксенон)— Анод/
Электрой в ионный Луч для нейтрализации заряда
Электроны
ионизируют
Сетчатый
электростатический ионный двигатель

В то время как ускоряющая камера ионного двигателя выбрасывает заряженные частицы только одного знака, аппарат с ионными двигателями, чтобы остаться нейтральным, должен выделять с одинаковой интенсивностью положительно и отрицательно заряженные частицы.
Совершенно ясно, что ионизировать можно либо газ, окружающий данный ускоритель частиц: например воздух атмосферы — и тогда мы имеем дело с атмосферным двигателем/движителем (отдельный случай, когда ионизируется окружающая наш аппарат токопроводящая жидкость — например, морская вода: тогда получается судовой движитель), либо специально полученные от источника ионов частицы — и тогда всё равно, в какой среде движется аппарат, приводимый в действие таким энергетическим источником. В последнем случае, как и широко применяющимся сейчас

ракетным реактивным двигателям, запас вещества для создания потока импульса надо возить с собой. Источники ионов, предназначенные для различных целей, разрабатывают и изготавливают в течение многих лет. Опыт показывает, что не существует элементов и, по-видимому, нет химических соединений, атомы и молекулы которых нельзя было бы ионизировать в лабораторных условиях. Однако источник ионов электрического реактивного двигателя должен обладать следующими свойствами, которые обычно не принимаются во внимание при лабораторных исследованиях. Он должен обеспечивать почти 100% ионизацию, непрерывно работать в течение продолжительного времени, иметь затраты полной энергии не более нескольких сот электрон- вольт на ион, а также вес не более нескольких граммов.
Идеальная схема нейтрализации выполняется при введении нейтрализующих частиц в ионный поток в точно определенном месте. Эти частицы должны иметь вектор скорости и плотность тока такие же, как и у ионов. Схема основана на использовании ус- коряющей-замедляющей системы; нейтрализующие электроны вводятся в плоскости замедляющего электрода.
Однако, подобную идеальную систему нельзя осуществить в действительности. Нейтрализующие электроны, эмитируемые с нагретых нитей, обладают максвелловским распределением по скоростям и будут эмитироваться во всех направлениях. Скорости большего числа электронов, эмитируемых с нагретых поверхностей, значительно превосходят скорости движения ионов. Если эмиттеры работают при температуре достаточно низкой для получения электронов с требуемой скоростью, то плотность тока эмиссии будет столь мала, что потребуется чрезмерно большая площадь эмиттеров. Даже при сравнительно малой площади эмиттеров их эрозия под воздействием попадающих ионов является серьезной проблемой.
Использование отрицательно заряженных ионов вместо электронов устраняет проблему несоответствия скоростей движения между положительно и отрицательно заряженными ча-сти- цами. Действительно, если бы существовал компактный, легкий и эффективный источник отрицательных ионов, то комбинация ускорителей для положительно и отрицательно заряженных частиц в виде мозаичной структуры была бы, по-видимому, наиболее оптимальной конструкцией для ионного двигателя. Нет очевидных причин, из-за которых нельзя было бы использовать метод поверхностной ионизации для генерирования отрицательно заряженных ионов. В этом случае поверхность ионизатора должна обладать особенно низкой работой выхода, а ионизируемые атомы (например, галогены) следует выбирать по высокому потенциалу ионизации и «близкому родству» с электронами.
Советские популярные молодёжные технические журналы «Юный техник», «Техника-молодёжи, «Знания — сила» весьма и весьма много места с середины 60-х годов ХХ века и до середины «нулевых» века нынешнего уделяли различным электростатическим, ионным, плазменным и электромагнитным двигателям.
То есть тому, чего в реальности пока не существовало. Эффект
Практически аналогичные
движители пробуют применять и для движения в воде. Так, модель подлодки, созданная студентами Калифорнийского института в 2010 г. под руководством специалиста из фирмы «Вестингауз», приводилась в движение электромагнитной силой. Источником магнитного поля служила электромагнитная катушка, заложенная по внутренним обводам средней части пластмассового корпуса лодки и питаемая от аккумуляторной батареи напряжением 30 вольт. Ее магнитное поле было направлено по вертикальной оси. Электрический ток в токопроводящей морской воде создавался с помощью двух электродов, расположенных вдоль корпуса лодки по обоим ее бортам. Электроды питались от той же аккумуляторной батареи. Поскольку направление тока, текущего между электродами вокруг верхней и нижней половин корпуса, совпадало, то результирующая электромагнитная сила стремилась отбросить морскую воду как проводник с током вдоль его продольной оси. В результате создавалась реактивная сила, приводившая в движение модель. Стоит отметить, что в упомянутых советских детских технических журналах данная схема была описана ещё в конце 60-х гг. ХХ века.
был, а объяснения его не находилось. В результате такой упорной просветительской деятельности что- то стало проясняться, а отдельные конструкции вошли в границы не только исследуемой, но даже изготавливаемой техники.

Достаточно долгое время на выставках серии НТТМ и «Архимед» изобретатели представляли разнообразные модели, использующие идеи ионного двигателя. Так, на НТТМ-2005 был представлен «Гравитационный движитель», транспортное средство на сверхпроводящих керамических магнитах и «Летательный аппарат на эффекте Бифульда-Брауна». Его представляли ребята из Детского и молодежного центра «Сокольники» под руководством энтузиаста «электромагнитного движения» М.М. Лавриненко.
Агрегат выглядел следующим образом: сотовая конструкция
Коронный разряд вокруг летающей рамки

(три шестиугольника с общими сторонами) выполненная из пенопласта и фольги, штанга (пластиковая трубка) служащая для крепления одного из проводов и высоковольтный источник питания, который в свою очередь подключался к блоку питания постоянного тока.
По периметру сотовой конструкции на расстоянии примерно 1см от фольги протянута тонкая проволока (знакомый нам по представляемой выше теоретической схеме эмиттер). К ней присоединялся провод от штанги (скорее всего — минус). К фольге подключался второй провод от высоковольтного источника (видимо + плюс или «земля»). Источник постоянного тока был регулируемый, и, когда напряжение на выходе поднимали сотовая конструкция отрывалась от стола. Т.е. просто парила в воздухе.
По утверждению создателей конструкции, весит она 35 г, но может поднять еще около 50 г груза (что и было продемонстрировано на одной из последующих экспозиций, когда агрегат поднимал маленькую видеокамеру). Движение модели обеспечивал источник с постоянным напряжением около 17 000 В при токе 200 микроампер. Иначе, потребляемая мощность — 3,4 Вт. Получается, что каждый киловатт мощности, подведенной к модели, создает подъемную силу в 25 кг. Эта величина… многократно превышает используемое сейчас в двигателях другого рода.
Под руководством одного из авторов данной статьи А.В. Ефимова, в школе «Интеллектуал» провели более подробное исследование. В его ходе постарались замерить различные параметры устройства: электрический потенциал в различных точках, возникающую силу, протекающие токи и д.р. Журнал «Двигатель» писал об этом в №4 2009 и №3 2010 года. Этот коллектив уже имел опыт исследования подобных устройств, когда работал над проектом электростатического двигателя («Двигатель» № 2 2008 и №2 2009). Ими были проведены испытания электростатического двигателя в вакууме и получены довольно интересные результаты. Стало очевидно, что электростатический двигатель использует как ионный ветер, так и явления с ним непосредственно не связанные.
№410t) 2015
Мштель
Величина силы зависит от напряжения и силы тока. При 20 киловольтах и 0,15 микроамперах избыточная сила на отдельном элементе со стороной 200 мм. составила 50 миллиграмм.
Использование более мощного источника позволило увеличить силу, и в конструкции из трех элементов (правильный треугольник) сила составила уже 3 грамма. Треугольная
конструкция возникла, когда авторам конструкции попалась книга Боба Яннини «Удивительные электронные устройств. Электроника для начинающего гения» М Press 2008 г. В
этой книге устройство описано довольно подробно. Конструкция несколько отличается от той, что мы видели на НТТМ однако принципиальным является то, что хоть и упоминается «эффект Бифульда — Брауна», но устройство называется ионолетом.
Эта конструкция заработала 2 ноября 2008 г. При весе около 3 г подъемная сила составляет 7 г Расчеты показывают что для этого достаточно отбрасывать 38 г воздуха в секунду со скоростью 1,81 м/с.
Любопытная картина открылась при выключенном свете, по всему периметру на проволоке эмиттера наблюдалось характерное для коронного разряда свечение.
Следует напомнить, что и на электростатических двигателях наблюдалось аналогичное характерное свечение коронного разряда.
Причем в барокамере, при понижении давления воздуха вокруг аппарата, его можно было наблюдать и при слегка затемненной комнате.
В 2010 г. в ЦИАМ, в лаборатории Маслова В.П. были произведены методом PIV измерения скорости движения потоков ионизированного воздуха в школьном ио- нолете. Правда, при напряжении меньшем «рабочего».
В результате измерения получено максимальное значение скорости — 0.77 м/c. Из соображения сохранности аппаратуры напряжение выше не поднималось, но раз наш аппарат летает, то должны получит при 30-37 КВ скорость порядка — 1. 33-1.4 м/с. Необходимо только помнить, что для ионизации и последующего разгона ионов нужно напряжении не менее 2Кв! (Желательно — выше 30Кв!)

V м/c. Напряжение 21.4 Киловольта Ток 0.15 микроампер.
Распределение скорости по ширине на разных высотах: — 10 (красная}; — 30 (фиолетовая) и — 60 мм (синяя)
Ионный двигатель возможно будет весьма эффективен для привода, скажем, высотных беспилотников различного рода. В частности — аппаратов легче воздуха с дистанционной беспроводной передачей энергии. Надо только перестать заморачиваться на «двигателе для левитации», выбросить из головы наработанное прессой представление о «летающих тарелках» и воспринимать устройство как нормальный тяговый двигатель. Таким ионным движителем может быть и все крыло целиком, когда источником ионов — эмиттером является передняя кромка, а поверхность крыла, превращенная в совокупность коллекторов, последовательно разгоняет ионы до требуемых скоростей. В качестве двигателя (или совокупности большого числа таких двигателей) может выступать и вся внешняя поверхность летательного аппарата.
Минимальная мощность на которой уже летают спортивные и экспериментальные самолёты с электродвигателем, работающим на пропеллер — порядка 50 киловатт. Мощные ВСУ для «полностью электрического» самолёта, типа представленных на салоне МАКС 2015 года — 200 КВт. Мощность, которую можно получить от маршевых ГТД, используя их как ГТУ привода электрогенератора на борту летательного аппарата — от 2 до 20 мегаватт. Это мы о том, какие имеются запасы мощности у перспективных двигателей для атмосферных летательных аппаратов.
Очень всерьёз наши исследования по футурологии двигателей, может быть, принимать и не стоило бы — разве что как общие намётки по одному из возможных направлений развития. Тема требует ещё очень и очень серьёзной проработки для того, чтобы окончательно решить вопрос о её перспективности. НО: Поживём — увидим…
ЛИТЕРАТУРА
1. Работа ведущих авиадвигателестроительных компаний в обеспечение создания перспективных авиационных двигателей. Под ред. В.А. Скибина, В. И. Солонина. ЦИАМ М. 2004 г.
2. Развитие авиационных ГТД и создание уникальных технологий. В.И. Бабкин, М.М. Цховребов, В.И. Солонин, А.И. Ланшин. Научно-технический журнал «Двигатель»№ 2 2013 г.
3. Некоторые результаты исследования электростатического двигателя. Д. Власенко, В. Квитко, В. Кузнецов, А.В. Ефимов. Научно-технический журнал «Двигатель»№ 2 2008.
4. Ионолет или к вопросу об «эфекте Бифульда-Брауна». В. Кузнецов, А. Роговский, А.В. Ефимов. Научно-технический журнал «Двигатель»№4 2009.
5. Поиски «Эффекта Бифульда-Брауна». М. Щукин, А.В. Ефимов. Научно-технический журнал «Двигатель» №3 2010.
6. Удивительные электронные устройств. Электроника для начинающего гения. Б. Яннини М Press 2008 г.
7. Ионные двигатели для космических полетов. Э. Штулингер. М. Машиностроение. 1968 г.
Связь с автором: boeffciam.ru

В продолжении статьи «О ПЕРСПЕКТИВАХ ИОННЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ В АВИАЦИИ»
Д.А. Боев, А.В. Ефимов, ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова»

В нашей предыдущей статье [8] описывались некоторые результаты исследования ионного двигателя работающего в условиях атмосферы. Исследования проводились в рамках совместной работы ЦИАМ — школа «Интеллектуал».
Эти конкретные примеры мы привели в рамках этого повествования только для того, чтобы показать, что существующие методы энергетических приводов атмосферных летательных аппаратов, применяемые сейчас – с помощью тепловых двигателей различного класа — не являются единственно возможными. Это сейчас многим становится ясно. Как следствие – появление немалого количества электролётов с распределёнными силовыми установками. В роли тяговых двигателях применяются в разных конструкциях различного типа электромоторы. Большая часть из них является пока экспериментальными аппаратами и использует солнечные энергетические элементы для производства весьма длительных перелётов. Так уже совершён на подобных устройствах полёт вокруг Земли. [см. фото]
С другой стороны, весьма распространённым стал и класс БПЛА и масштабных моделей, использующих тяговые электродвигатели, аккумуляторные, конденсаторные накопители энергии, или же водородные и иные топливные элементы вырабатывающие электроэнергию для этих двигателей. Некоторые из этих моделей находятся на грани пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов. Впрочем, последнее — пока экзотика. [см. фото]
Заметим, кстати, что история изобретательства явно замыкает некий виток: первыми двигателями (не считая мускулолётов), которые пытались применить на летательных аппаратах ещё в XIX веке, наряду с паровыми, были электрические. [см. фото]. И оставили попытки их применения – как выяснилось, на время – в связи с появлением работоспособных двигателей внутреннего сгорания: поршневых и газотурбинных.
Впрочем, надо оговориться, что в обширной классификации патентного ведомства, разделы «двигатели» и «летательные аппараты» уже который век являются одними из наиболее пополняемых.
Впрочем, во всех этих упомянутых и неупомянутых современных поисках нового источника тяги для летательных аппаратов прослеживается одна общая тенденция: разделение двигателя и движителя. Если ГТД максимально возможно объединил эти машины, причём до такой степени, что и сами двигателисты не смогут вам толком указать границу между ними, то на новом витке спирали прогресса вновь возабладала идея распределённой силовой установки. В качестве перспективного энергопривода летательных аппаратов, разрабатываемого ОКБ мира, весьма часто появляются уже упомянутые нами распределённые силовые установки, где работающий в спокойной обстановке (по типу очень большого ВСУ или газотурбинной установки) на борту ГТД посредством различного рода трансмиссий – механической, газовой, гидравлической электрической — снабжает энергией множество распределённых по ЛА движителей. [см. фото].

Замеры подьемной силы проведенные в школе интеллектуал показали, что при размерах ячейки: ширина – 300 мм, отступ эмиттера от ускоряющей сетки – 30 мм и высота сетки – 30 мм, подьемная сила составляет 10 г, вес 3 г. Таким образом избыточная подьемная сила составила – 7г. При этом U = 30Кв и ток I = 0.15 мА.
Для меньшего напряжения получено U = 21.4Кв и ток I = 0.15 мкА, подьемная сила составила – 1.427г
Если отнести полученные величины избыточных подьемных сил к суммарной площади ячеек, то получим. Соответственн 250 г/м2 и 106,6 г/м2 .
Более подробное исследование представлено в монографии института им. Курчатова [9], однако данное исследование проводилось, как и все прочие исследования ионных двигателей в условиях вакуума.
Преведем некоторые результаты изложенные в данной монографии, которые, возможно приведут нас к некоторому техническому решению возможности применения ионных двигателей в авиации.
Для обеспечения максимальной эффективности ионных двигателей электроды их ускорительной системы должны удовлетворять двум противоречивым требованиям. Во-первых, плазменный электрод должен обладать максимально возможной прозрачностью для ионов, поступающих из плазмы газоразрядной камеры. Во-вторых, ускорительная система должна обладать минимальной прозрачностью для нейтральных атомов, покидающих газоразрядную камеру.
Традиционные ускорительные системы ионных двигателей представляют собой плоские или вогнутые электроды с большим числом гексагонально расположенных круглых отверстий. При такой геометрии максимальная геометрическая прозрачность плазменного электрода ограничена технологически достижимой шириной перемычки между отверстиями и составляет 67. ..70 %. Повысить прозрачность плазменного электрода можно применением ускорительных систем щелевого типа, ускоряющие системы со щелевыми апертурами. В таких системах электроды представляют собой пластины с прорезанными в них длинными тонкими щелями. Другим вариантом щелевой конструкции электродов является набор параллельных стержней или натянутых струн. Применение ускорительных систем щелевого типа может существенно снизить трудоемкость и стоимость изготовления электродов, поскольку необходимое число щелей значительно меньше, чем число круглых отверстий.
Попытки применения ускорительных систем щелевого типа связаны с перспективностью использования в качестве материала электродов углерод-углеродных композитов, обладающих высокой стойкостью к распылению. Основой этих материалов служат сетки из графитовых волокон.
Однако в экспериментах, проводившихся в различных лабораториях, было обнаружено, что в ИОС щелевого типа при низких значениях первеанса пучка ионов на ускоряющий электрод идет сравнительно большой ионный ток. Величина этого тока при увеличении полного напряжения сначала достигает минимума, а затем начинает быстро возрастать, тогда как в ИОС с круглыми отверстиями после достижения минимума этот ток остается на минимальном уровне в очень широком диапазоне ускоряющих напряжений.
Следующим шагом исследований стал расчетный поиск геометрии ИОС, при которой нет прямого попадания ускоренных ионов на ускоряющий электрод Расчеты показали, что для подобной геометрии (со щелевой апертурой) существует диапазон ускоряющих напряжений, в котором нет прямого перехвата ионного пучка.
Геометрия щелевой ИОС, в которой должен отсутствовать прямой перехват пучка в некотором диапазоне значений первеанса, была выбрана расчетным путем. Ускорительная система состоит из двух сеток. Плазменный электрод толщиной 0,5 мм изготовлен из молибдена, ускоряющий электрод толщиной 1,0 мм — из пиролитического графита. ИОС имела следующие параметры:
Электрод Плазменный Ускоряющий
Толщина, мм 0,5 1,0
Ширина щели, мм 1,9 1,14
Расстояние между щелями, мм 0,5 1,26
Геометрическая прозрачность 0,79 0,475
Ускоряющий зазор 0,6 0,6
Расчеты проводились при температуре электронов в ГРК Тс = 5 эВ, напряжении разряда Up= 40 В, потенциале плазменного электрода Um = 600 В. Результаты расчетов зависимости тока ионного пучка от полного ускоряющего напряжения, а также экспериментальные данные представлены на рис.
Рост полного тока пучка с увеличением ускоряющего напряжения при неизменной плотности плазмы в ГРК обусловлен изменением эффективной площади поверхности, с которой собирается ионный ток. Замедление скорости роста связано с началом прямого попадания ионного пучка на ускоряющий электрод. Результаты расчетов достаточно хорошо совпали с экспериментальными данными.
На рис, б показана экспериментальная зависимость тока на ускоряющий электрод от полного ускоряющего напряжения. Для сравнения здесь же приведено несколько вариантов расчетов. Указанная на рис. б величина «J factor» равна отношению максимальной плотности плазмы в центре ГРК к минимальной плотности на периферии; величина «сдвиг» показывает относительный сдвиг щелей плазменного и ускоряющего электродов в миллиметрах. Как расчет, так и экспериментальные результаты подтвердили особенность щелевых систем, состоящую в росте тока ускоряющего электрода с увеличением полного напряжения. Этот ток вызван прямым перехватом ионного пучка. Согласно расчету ток прямого перехвата при полном напряжении выше 1700 В существует даже в случае идеальной юстировки электродов. Диапазон регулирования ускоряющего напряжения при двукратном перепаде плотности плазмы в ГРК составляет около 300 В.
Неточность юстировки увеличивает скорость возрастания тока перехвата с ростом полного напряжения. Кроме того, с увеличением степени неоднородности плазмы и ростом относительного сдвига щелей происходит увеличение полного напряжения, при котором достигается минимум тока на ускоряющий электрод.
Дальнейшие расчеты показали, что расширение диапазона допустимых значений первеанса щелевой ИОС может быть достигнуто за счет уменьшения толщины стержней ускоряющего электрода, т.е. повышения его геометрической прозрачности.
Достигнутое значительное снижение тока на ускоряющий электрод стимулировало дальнейшие поиски геометрических параметров ИОС. Методами численного моделирования были исследованы различные варианты струн и стержней непрямоугольной формы, в том числе с треугольными и круглыми поперечными сечениями. В результате была найдена геометрия ИОС щелевого типа с существенно расширенным диапазоном допустимых значений первеанса. Она послужила основой для разработки нового перспективного ионного двигателя.
В одном из проектов марсианского экспедиционного комплекса в качестве маршевых двигателей рассматриваются ионные двигатели, использующие аргон как рабочее тело. Единичный модуль должен иметь мощность 30 кВт, обеспечивать удельный импульс тяги 7000 с и время огневой работы не менее 15 000 ч. При этом суммарная мощность ЭРДУ у поверхности планеты должна составлять 15 МВт . В Центре Келдыша был разработан проект такого ионного двигателя, получившего обозначение ЭРД-50.
Выше было отмечено, что наиболее сложным с технологической точки зрения узлом ионного двигателя является ионно-оптическая система. Причем с увеличением геометрических размеров двигателя сложность изготовления ИОС только возрастает. Дело в том, что мощность двигателя при заданном удельном импульсе тяги определяет и площадь его выходного сечения. Для обеспечения ресурса двигателя на уровне 15 000 ч плотность тока в ИОС не должна превышать 40 А/м2. При силе тока ионного пучка около 16 А характерный размер двигателя составляет 700 мм для варианта ИОС с электродами круглого сечения. Традиционно электроды ИОС выполняются в виде тонких (толщиной 0,4… 1,0 мм) пластин, густо перфорированных отверстиями. Характерный диаметр отверстий составляет 2…4 мм при толщине перемычки между соседними отверстиями 0,3…0,6 мм. При этом допуск на точность выполнения отверстий и соосность отверстий в двух электродах обычно составляет не более 0,02 мм. Для ЭРД-50 в каждом электроде должно быть выполнено свыше 35 000 отверстий. Соосность отверстий в двух электродах должна сохраняться как во время прогрева двигателя, так и после его выхода на стационарный тепловой режим.
Альтернативой традиционной ИОС с аксиально-симметричными апертурами может быть щелевая ионно-оптическая система прямоугольного сечения, особенности которой рассмотрены в предыдущем разделе. В этом случае целесообразно использовать ГРК прямоугольной формы (вместо ГРК круглого сечения) для достижения наиболее плотной компоновки единичных тяговых модулей в составе ЭРДУ высокой мощности.
В рассматриваемом варианте двигателя ЭРД-50 электроды щелевой ИОС образованы набором стержней, закрепленных с помощью пружинных элементов. Каждый электрод состоит из -170 стержней, что примерно на два порядка снижает число прецизионных операций при изготовлении данной ИОС (по сравнению с аксиально-симметричной ИОС). Наличие пружинных элементов, растягивающих стержни в продольном направлении, позволяет избежать искажения геометрии электродов по мере прогрева двигателя. Кроме того, щелевые системы позволяют несколько увеличить эффективную прозрачность плазменного электрода (с 0,75…0,8 для аксиально-симметричных ИОС до 0,8…0,85 для щелевых), что позволяет несколько снизить энергетическую цену иона в ГРК. С другой стороны, щелевые ИОС обладают рядом недостатков. Щелевые системы обладают меньшим диапазоном пропускаемой плотности ионного тока, при котором отсутствует прямой перехват ионов ускоряющим электродом. Данное обстоятельство обусловливает более жесткие требования к однородности концентрации плазмы по сечению ГРК.
На рис. приведены размеры единичной щели ИОС. Плазменный и ускоряющий электроды формируются стержнями полукруглого сечения различного диаметра.

Схема двигателя (выходное сечение ГРК 1040×440 мм) показана на рис. В качестве ключевых моментов при испытаниях такого крупногабаритного двигателя можно выделить: исследование стабильности геометрических параметров щелевой ИОС в ходе работы двигателя; определение допустимого диапазона регулировки по плотности ионного тока и ускоряющему напряжению, при котором отсутствует прямой перехват ионов пучка ускоряющим электродом;
Для проверки правильности принятых решений, а также в целях отработки технологии изготовления щелевых ИОС и изучения особенностей работы ГРК прямоугольного сечения разработана и изготовлена лабораторная модель ионного двигателя ИД-180П. Двигатель также имеет прямоугольную ГРК с выходным сечением размером 230×120 мм и щелевую ИОС с молибденовыми стержнями полукруглого сечения. Внешний вид двигателя и внешний вид ИОС приведен на рис.
Испытания двигателя на ксеноне показали, что ожидаемый уровень энергетической цены иона составляет 160… 200 Вт/А (после установки полноразмерного узла ИОС), что соответствует лучшим аналогам ИД с аксиальной геометрией. Последующие испытания двигателя при использовании в качестве рабочего тела аргона позволили оценить ожидаемую энергетическую цену иона, которая для полноразмерного узла ИОС составит —300 Вт/А. Таким образом, по эффективности ионизации атомов рабочего тела созданная прямоугольная ГРК ничем не уступает традиционным устройствам.
Наряду с предварительной оценкой эффективности ГРК ИД-180П при проведении данных экспериментов решалась задача проверки правильности конструктивных решений, заложенных при проектировании узла ИОС. В ходе работы не наблюдалось явлений, свидетельствующих о нестабильности геометрии электродов ИОС (частых межэлектродных пробоев, увеличения тока перехвата на ускоряющий электрод). Осмотр электродов после испытаний также не выявил нарушения их геометрии, что позволяет говорить о правильности выбранной конструкции.

Но если правильная конструкция для ионного двигателя с ускоряющими апертурами щелевого типа, нашлась для условия вакуума, а это «почти» наша «рамочка», то, может быть, стоит поискать вариант и для воздушного пространства, благо, что рабочего тела предостаточно, с собой возить не надо.
Естественно данная движительная установка требует генерации значительных мощностей. При увеличении мощности габариты и веса генератора растут в геометрической прогрессии. Но можно представить набор последовательно соединенных высокооборотных генераторов меньшей мощности. Например 10 генераторов по 100 КВт и т.д.
Еще одной проблемой будет преобразование низковольтного сгенерированного тока в высоковольтный. А главный вопрос – где все это разместить и как передать?
По-видимому проблема с выбором места разрешима, если вспомнить про экранопланы. Известно что объемы доступные в экраноплане существенно больше чем на летательном аппарате.
Но возникает новая проблема – повышенная влажность, но и новое преимущество, наличие среды с гораздо большей плотностью. Т.е. можно двигаться в среде с меньшей плотностью, а использовать рабочее тело с большей плотность. Правда заманчиво!

см. также https://zen.yandex.ru/media/…

В журнале «Двигатель» тема ионных двигателей обсуждалась, практически, за всё существование журнала не раз. Прежде всего потому, что всегда считали это направление заслуживающим внимания и несомненно перспективным, а кроме того — нужно было избавить эту тему от несправедливого налёта игрушечной какой-то мистики, которым были покрыты порою статьи про всякие «летающие рамки» и прочую левитацию. Нужно было повернуть дело в практическую плоскость. Иначе, кроме удивлялок в духе «Рен-ТВ» ничего бы не получилось. Хотя и они, несомненно, нужны.
Причём, сначала мы всё это давали просто как ссылку на исследовательские работы, и лишь когда сами поняли очевидную перспективность темы — с некими заходами на ожидаемые эффекты от будущих разработок. Вот — перечень наших статей со ссылками на их размещение на сайте:

Статьи в «Двигателе» о перспективах ионных двигателей в наземной их ипостаси:
№ 2 (56) 2008 стр. 62 Д. Власенко, В. Квитко, В. Кузнецов, А.В. Ефимов Некоторые результаты исследования электростатического двигателя
http://engine.aviaport.ru/issues/56/page62.html
№ 2 (62) 2009 стр. 64 В. Кузнецов, В. Квитко, А.В. Ефимов Исследуем варианты электростатического двигателя
http://engine.aviaport.ru/issues/62/page64.html
№ 4 (64) 2009 стр. 66 В. Кузнецов, А. Роговский, А.В. Ефимов Ионолет или к вопросу об эфекте Бифульда-Брауна
http://engine.aviaport.ru/issues/64/page66.html
№ 3 (69) 2010 стр. 51 М. Щукин, А.В. Ефимов Поиски “Эффекта Бифульда-Брауна”
http://engine. aviaport.ru/issues/69/page51.html

№ 4 (100) 2015 стр 40 Д.А. Боев, А.В. Ефимов Заметки к вопросу о перспективных движителях
[file_pdf]http://engine.aviaport.ru/issues/100/pics/pg40.pdf[/file_pdf]
№ 6 (108) 2016 стр 30 Д.А. Боев, А.В. Ефимов В развитие статьи «Заметки к вопросу о перспективных движителях» («Двигатель» №4 2015)
[file_pdf]http://engine.aviaport.ru/issues/108/pics/pg30.pdf[/file_pdf]
И – повторы ранних статей.
№ 5 (119) 2018 стр. 14 Д.А. Боев, А.В. Ефимов В развитие статьи («Двигатель» №4 2015) «Заметки к вопросу о перспективных движителях» Репринтное повторение статьи журнала «Двигатель» № 6 2016 года
[file_pdf]http://engine.aviaport.ru/issues/119/pics/pg14.pdf[/file_pdf]
№ 6 (120) 2018 стр. 22 В. Кузнецов, А. Роговский, А.В. Ефимов Ионолёт или к вопросу об «эффекте Бифульда-Брауна» Репринтное повторение статьи журнала «Двигатель» № 4 2009 года
[file_pdf]http://engine.aviaport.ru/issues/120/pics/pg22.pdf[/file_pdf]
И вроде бы, мы хоть сколько-то преуспели в этом: публикации пошли и практические работы разворачиваются.

http://engine.aviaport.ru/issues/69/page51.html

Ответить в тему:

Главная страница
Избранное
Все темы
Архив

Агентство «АвиаПорт» является разработчиком программного обеспечения, позволяющего зарегистрированным пользователям сайта общаться друг с другом. Все сообщения отражают собственное мнение их авторов, и агентство не несет ответственность за достоверность и законность информации, публикуемой пользователями на страницах раздела.

3D-печать удешевит создание ионных двигателей для кубсатов

3D-печать
Космонавтика

19:40
15 Фев. 2021

Сложность
3.9

Dulce Viridiana Melo Maximoa, Luis Fernando Velasquez-Garciaa / Additive Manufacturing, 2021

Инженеры из США научились создавать при помощи 3D-принтера небольшие ионные двигатели размером с монету. Такой двигатель развивает тягу около десяти микроньютонов и имеет значительно больший удельный импульс с учетом напряжения, чем аналогичные ионные двигатели. Статья опубликована в Additive Manufacturing.

Ионные двигатели создают тягу, ускоряя заряженные частицы рабочего тела при помощи электрического поля. Двигатели такого типа имеют очень небольшую тягу в абсолютном значении и не подходят, к примеру, для выхода на орбиту Земли и, как правило, других планет. Зато они обладают несопоставимо большим удельным импульсом, чем химические двигатели, поэтому если аппарату не требуется набрать скорость быстро, ионный двигатель позволяет сделать то же самое более эффективно.

Среди ионных двигателей есть подкласс коллоидных или электрораспылительных двигателей, в которых в качестве рабочего тела используется ионная жидкость. В них используется массив конусов, на концах которых собирается жидкость и вылетает, ускоряясь в электрическом поле. Эти пластины с конусами создаются путем точного механического вырезания или литографического удаления материала, поэтому они довольно дороги при создании, особенно, если пластина имеет небольшой размер (а значит, ее элементы миниатюрнее и необходима большая точность) и предназначена для установки на кубсат. Дульсе Виридиана Мело Максимо (Dulce Viridiana Melo Maximoa) и Луис Фернандо Веласкес-Гарсия (Luis Fernando Velasquez-Garciaa) из Массачусетского технологического института научились создавать пластины для электрораспылительных двигателей при помощи 3D-печати.

Конструкция двигателя

Dulce Viridiana Melo Maximoa, Luis Fernando Velasquez-Garciaa / Additive Manufacturing, 2021

Электрораспылительные двигатели различаются по конструкции и тому, как именно жидкость подается к месту, в котором она отрывается от пластины. Чаще всего используются полые конусы или цилиндры, внутри которых жидкость подводится к концу. Также есть и другая конструкция, при которой жидкость подводится снаружи и по пористой структуре на поверхности конуса, увеличивающей его смачиваемость, проходит к его концу. Инженеры использовали вторую конструкцию.

Металлический и полимерный испускающие элеткроды

Dulce Viridiana Melo Maximoa, Luis Fernando Velasquez-Garciaa / Additive Manufacturing, 2021

Разработанный ими двигатель состоит из двух основных электродов: испускающего и извлекающего, между которыми создается смещающее напряжение, заставляющее частицы ионной жидкости двигаться. Испускающий электрод состоит из резервуара для жидкости (авторы использовали жидкость EMI-BF₄), над которым располагается массив из конусов и отверстий между ними. По этим отверстиям жидкость переходит к основанию конусов, на которое методом гидротермального синтеза нанесены наностержни из оксида цинка. Над испускающим электродом установлен извлекающий, в котором над каждым конусом сделано отверстие для выхода ионов жидкости.

Авторы изготовили два варианта испускающего электрода: из немагнитной нержавеющей корозионно стойкой стали и полимера. Стальной электрод они печатали методом струйной печати связующим веществом, а полимерный — методом цифровой обработки света (DLP).

Влияние наностержней оксида цинка (снизу) на смачиваемость поверхности

Dulce Viridiana Melo Maximoa, Luis Fernando Velasquez-Garciaa / Additive Manufacturing, 2021

Испытания двигателей на основе этих электродов показали, что они имеют максимальную тягу на один конус 191,3 и 139,9 наноньютона для стального и полимерного электродов соответственно. При этом стальной электрод имеет гораздо меньшее максимальное требуемое напряжение (4,25 против 7 киловольт). Максимальный удельный импульс двигателя составляет 9260 секунд для стального электрода и 12200 для полимерного.

Кроме основных технических характеристик, которые безусловно важны, авторы также обратили внимание, что обычный аппарат для струйной металлической печати стоит около миллиона долларов, тогда как один из лучших и дорогих DLP-принтеров стоит 15 тысяч долларов. Поскольку подобные двигатели целесообразно устанавливать в кубсатах и покетсатах (с длиной ребра пять сантиметров), которые часто используются в небольших проектах, в том числе студенческих, предложенный ими двигатель с полимерным электродом можно рассматривать как оптимальный вариант для таких космических аппаратов.

3D-печать активно применяется при создании жидкостных ракетных двигателей, причем не только в прототипах. Например, на 3D-принтере создается существенная часть двигателей Rutherford, устанавливаемых на ракете-носителе Electron.

Григорий Копиев

Российские ионные двигатели — это чудо-техники или чудо-пропаганды?

ТАСС со ссылкой на пресс-службу Исследовательского центра им. М. В. Келдыша (входит в «Роскосмос») сообщило о планах разработчика провести в 2025—2030 годах летные испытания новых ионных двигателей (ИД) мощностью от 200 Вт до 35 кВт. Надо полагать, там, где и положено — в космосе, причем не только для коррекции полета аппаратов на низких орбитах, но и, чем черт не шутит, в тяжелых транспортных системах для путешествия к другим планетам. Правда, для этого нужно создать двигатель мощностью 100 кВт, проработка которого тоже ведется.

На этот счет появлялась и другая информация.

Год назад РИА «Новости» выдало сенсацию, что «испытания лабораторных моделей новых, так называемых ионного и холловского двигателей для космоса, должны пройти в нынешнем году». В сообщении говорилось, что заказчиком выступило предприятие «Росатома» — Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ), который организовал соответствующие конкурсы.

Таким образом, в России над ионными движками работают два мощных центра — первый в Москве, второй в Троицке. Причем, второй является лидером по физике плазмы и плазменным технологиям — как раз там, где, по мнению ряда экспертов, спрятан ключик от успеха в гонке за дальний космос.

Космическая одиссея

Компания Илона Маска запустила в космос еще 52 спутника

Китай вывел на орбиту спутник, который предупредит о стихийных бедствиях

Названа причина появления колец у Сатурна

На Байконуре установили ракету «Циолковский»

Все материалы по теме (2153)

Ионные двигатели схемы Кауфмана, двигатели NSTAR, NEXT, NEXIS, T-6 презентация, доклад

Слайд 1

Текст слайда:

Выполнил: Тяпкин Алексей
Группа: Э8-101

Ионные двигатели схемы Кауфмана, двигатели NSTAR, NEXT, NEXIS, T-6

Слайд 2

Текст слайда:

Принципиальная схема электростатического ионного двигателя

Слайд 3

Текст слайда:

Ионный двигатель схемы Кауфмана

1 – катод
2 – анод
3 – разрядная камера
4 – магнитная катушка
5 – ФЭ
6 – УЭ
7 – ЗЭ
8 – КК

Слайд 4

Текст слайда:

Конструкция ИД схемы Кауфмана

10 – Ионный двигатель
12 – Корпус
14 – Задний фланец
16 – Ускоряющая система
18 – Трубопровод
20 – Цилиндрический анод
22 – Стена разрядной камеры
24 – Термокатод
26, 28 – Токоподводы для термокатода
30, 32 – Изоляторы
34 – Кольцевой зазор
36 – Изолятор
38 – Магнитная катушка

Слайд 5

Текст слайда:

Различные варианты подвода р. т.

40, 44 – Сетки
42 – Кольцевая пластина
46, 50, 52 – Центрирующие изоляторы
48 – Крепежная скоба
54, 60 – Кольцевые пластины
56 – Кольцевой выступ
58 – Трубчатый элемент
62 – Электропроводящие стержни
64, 66 – изоляторы
68 – Кольцевая пластина
70 – Фланец

Слайд 6

Текст слайда:

Расчет ионного двигателя

Слайд 7

Текст слайда:

Слайд 8

Текст слайда:

Ионный двигатель NSTAR

В 1998 г. стартовал первый межпланетный проект “Deep Space 1”, в котором использовались ИД схемы Кауфмана в качестве маршевого двигателя. Это был 30-сантиметровый ИД, названный NSTAR (NASA Solar Electric Propulsion Technology Application Readiness). В соответствии с задачами полета, для достижения астероида Брайле двигатель отработал 16 265 часов, создав требуемое приращение характеристической скорости КА.
При этом полный расход ксенона составил только 12 кг. На орбите Земли максимальная мощность двигателя составляла 2,3 кВт, тяга 92 мН, удельный импульс 33 000 м/с. Полная наработка двигателя в процессе стендовых испытаний составила 26 000 часов.

Слайд 9

Текст слайда:

NSTAR, установленный на “Deep Space 1”

Слайд 10

Текст слайда:

Слайд 11

Текст слайда:

Слайд 12

Текст слайда:

Слайд 13

Текст слайда:

Слайд 14

Текст слайда:

Зависимость тяги от мощности

Слайд 15

Текст слайда:

Радиальное распределение плотности тока

Слайд 16

Текст слайда:

Ионный двигатель NEXT

Двигатель NEXT пришел на замену двигателя NSTAR, как более совершенный по своим характеристикам и более дешевый.
Данный двигатель установил мировой рекорд по продолжительности работы среди космических двигателей любого типа. Он проработал более 48 000 часов без перерыва. За это время он израсходовал 870 кг Xe.
Диаметр – 50 см.
Тяга – 26 … 237 мН.
Мощность – 0,5 … 6,9 кВт.
Удельный импульс – до 4190 с.

Слайд 17

Текст слайда:

Схема ионного двигателя NEXT

Слайд 18

Слайд 19

Текст слайда:

Характеристики двигателя в разных режимах работы

Слайд 20

Текст слайда:

Радиальное распределение плотности тока
(20 мм от двигателя)

Слайд 21

Текст слайда:

Износ сеток двигателя NEXT

Слайд 22

Текст слайда:

Ионный двигатель NEXIS

Данный двигатель был разработан для программы «Прометей».
«Прометей» (Prometheus) — программа НАСА, предусматривавшая разработку ядерной двигательной установки для космических аппаратов. Реализация проекта была прекращена из-за нехватки средств. В рамках программы предусматривался запуск в 2016 году космического аппарата, который исследовал бы спутники Юпитера.
Диаметр – 65 см.
Тяга – до 600 мН.
Мощность – до 25 кВт.
Удельный импульс – 6000…9000 с.

Слайд 23

Текст слайда:

Конфигурация магнитного поля в ИД NEXIS

Слайд 24

Текст слайда:

Изменение характеристик ИД NEXIS в течение испытаний

Слайд 25

Текст слайда:

Износ частей двигателя после 2000-часовых испытаний

Слайд 26

Текст слайда:

Ионный двигатель T6

Ионный двигатель Т6 был разработан для КА “Bepi Colombo”. Двигательная установка “Bepi Colombo” состоит из 4 ионных двигателей Т6. Космический аппарат “BepiColombo” доставит к Меркурию два отдельных орбитальных аппарата, первый будет выполнять съемку и картографирование поверхности, второй будет заниматься изучением магнитосферы планеты. Как ожидается, “BepiColombo” доберется до Меркурия в 2019 году и начнет передавать на Землю научные данные о составе планеты.
Тяга – 75 … 145 мН. Диаметр – 22 см.
Мощность – 2,5 … 4,5 кВт.
Удельный импульс – до 4300 с.

Слайд 27

Текст слайда:

Слайд 28

Текст слайда:

Слайд 29

Текст слайда:

Слайд 30

Текст слайда:

Параметры ИД Т6

Слайд 31

Текст слайда:

Зависимость удельного импульса и потребляемой мощности от тяги

Слайд 32

Текст слайда:

Характеристики различных ионных двигателей

Слайд 33

Текст слайда:

Слайд 34

Текст слайда:

Список использованных источников

John R. Brophy, Roy Y. Kakuda, James E. Polk, John R. Anderson, Michael G. Marcucci, David Brinza, Michael D. Henry, Kenneth K. Fujii, Kamesh R. Mantha, John F. Stocky. “Ion Propulsion System (NSTAR) DS1 Technology Validation Report”
IEPC-2007-033
IEPC-2007-276
IEPC-2009-154
IEPC–2009–163
IEPC-2013-121
AIAA–2008–4812
AIAA–2010–6701
AIAA 2010-7114
JANNAF 1211

Скачать презентацию

Ионные двигатели с ядерными реакторами: на пороге новых открытий | by Анна Миронова | Системы безопасности

Алексей Коржебин
Эксперт редакции журнала “Системы безопасности”

Готовя материал в этот номер, я не мог пройти мимо ряда заявлений ведущих руководителей Роскосмоса и Академии наук об официальном запуске проекта “Нуклон-Зевс”, направленного на разработку космического ядерного буксира, к которому могут подключаться различные модули полезной нагрузки. Результатом проекта должна быть 50-месячная миссия “Луна — Венера — Юпитер”, которую планируют на 2030 г.

Несмотря на то что работы над проектом введутся с 2010 г. , официальные заявления о нем появились недавно.

Чтобы оценить это фантастическое сообщение, я позволю себе кратко рассказать об основных принципах движения космических аппаратов.
Как известно, любое движение в космосе может быть только реактивным, то есть отбрасывая что-то назад, получать импульс для движения вперед. Пределы скорости и массы ракеты при таком движении определяются формулой Циолковского. Все ракеты, от самых первых до современных, сейчас используют для движения химическую энергию, которая высвобождается при горении топлива в камерах сгорания. Проблема в том, что сейчас практически достигнуты теоретические пределы скорости и масс ракет, которые могут дать химические двигатели. Фактически их мощности хватает только вывести космический корабль на орбиту, и далее корабль летит как стрела, выпущенная из лука. Изменить траекторию такого корабля можно, только используя гравитационные силы крупных небесных тел, таких как планеты или звезды, потому что ракета потратит все топливо на борьбу с земным притяжением. Поэтому современный космический корабль будет лететь, например, до Марса не менее девяти месяцев (зависит от взаимного положения Земли и Марса в момент старта).

Но решение этой проблемы есть, это ионные двигатели, принцип работы которых основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле. В отличие от химических, ионный двигатель может работать постоянно и медленно разгонять корабль до скоростей в десятки раз больше, чем могут дать химические двигатели. Сейчас ионные двигатели используются для управления движением спутников на околоземной орбите. Но маленький спутник — это не межпланетный корабль, который весит в сотни раз больше, для межпланетного перелета требуется значительно большее количество электрической энергии, которую нужно где-то взять в космосе. Сразу на ум приходят солнечные батареи, но даже на МКС, где солнечные батареи по площади равны футбольному полю, они дают всего лишь около 70–80 кВт энергии. И это на орбите Земли, а на орбите Марса или Юпитера — уже значительно меньше.

Этого недостаточно для дальнего перелета, поэтому остается лишь энергия ядерного реактора. И наши ученые и инженеры смогли создать такой реактор. Сейчас его заявленная мощность равна 470 кВт, но в перспективе будет доведена до мегаватта. На основе этого реактора и ионных двигателей и будет построен космический буксир “Нуклон”. И для него время путешествия до Марса уже уменьшится до одного-полутора месяца, то есть в 6–9 раз. Но самое главное, корабль почти не требует заправки и может летать годами, например планируемый срок службы буксира “Нуклона” — около 10 лет.

Новые возможности для исследования Солнечной системы Потенциально это событие такого же масштаба, как и изобретение автомобиля, когда ездят на каретах, и для нас открывает возможность исследовать всю Солнечную систему, а не только околоземную орбиту и ближайшие планеты.

Кроме того, мощный источник энергии буксира позволит питать зонды для сбора данных и передавать большие объемы собранных данных. Химические ракеты останутся только в околоземном пространстве, для вывода грузов на орбиту, но полеты между планетами смогут совершать только лишь те, кто будет иметь корабли на ионных двигателях с ядерными реакторами. “И для миссий, которые отправляются на Марс, на Венеру, а в будущем, после создания термоядерных возможностей, при движении за пределы Солнечной системы, станет важнейшей задачей обнаружить и понять, одни ли мы в космосе или есть иная жизнь”, — сказал глава Роскосмоса Дмитрий Рогозин на Международной конференции по исследованию космоса GLEX-2021 15 июня этого года.

Но и это еще не все. На основе “Нуклона” планируется новая Российская орбитальная станция (Российская орбитальная служебная станция, РОСС), которая должна заменить МКС после 2025 г.

Имея такой мощный источник энергии, на станции могут проводить исследования совершенно иного уровня. Например, планируется модуль искусственной гравитации, на котором будут изучать, как имитировать силу притяжения на кораблях. Кроме того, планируется модуль сборки и обслуживания спутников, то есть станция будет также и орбитальной верфью, где могут собирать корабли, в том числе и для межпланетных миссий.

Дух захватывает от возможностей, которые открываются в ближайшее время и которые еще недавно казались далекой фантастикой. Ощущение, что мы стоим на пороге гигантских открытий, которые полностью изменят жизнь на Земле.

И тем удивительнее, что такие новости практически никак не освещаются СМИ ни у нас, ни в мире.

Опубликовано в журнале “Системы безопасности” №3/2021

Прототип ионного двигателя

бьет рекорды в испытаниях и может отправить людей на Марс

Скотт Холл вносит последние коррективы в ионный двигатель X3 в Мичиганском университете перед испытаниями.
(Изображение предоставлено НАСА)

Двигатель, который разрабатывается для будущей миссии НАСА на Марс, побил несколько рекордов во время недавних испытаний, предполагая, что технология находится на пути к тому, чтобы доставить людей на Красную планету в течение следующих 20 лет, заявили члены проектной группы.

Двигатель X3, разработанный исследователями из Мичиганского университета в сотрудничестве с НАСА и ВВС США, представляет собой двигатель Холла — систему, которая приводит в движение космический корабль, ускоряя поток электрически заряженных атомов, известных как ионы. По словам исследовательской группы Мичиганского университета и представителей НАСА, во время недавней демонстрации, проведенной в Исследовательском центре Гленна НАСА в Огайо, X3 побил рекорды по максимальной выходной мощности, тяге и рабочему току, достигнутые двигателем Холла на сегодняшний день.

«Мы показали, что X3 может работать с мощностью более 100 кВт», — сказал Алек Галлимор, руководитель проекта, в интервью Space.com. «Он работал в огромном диапазоне мощности от 5 кВт до 102 кВт, с электрическим током до 260 ампер. Он генерировал 5,4 ньютона тяги, что является самым высоким уровнем тяги, достигнутым любым плазменным двигателем на сегодняшний день», — добавил Галлимор. , декан инженерного факультета Мичиганского университета. По данным школы, предыдущий рекорд составлял 3,3 ньютона.

Двигатели Холла и другие типы ионных двигателей используют электричество (обычно генерируемое солнечными панелями) для выброса плазмы — газообразного облака заряженных частиц — из сопла, тем самым создавая тягу. По данным НАСА, эта технология может разгонять космические корабли до гораздо больших скоростей, чем ракеты с химическими двигателями.

Вот почему исследователи так заинтересованы в потенциальном применении ионного двигателя для дальних космических путешествий. В то время как максимальная скорость, которую может развить химическая ракета, составляет около 5 километров в секунду, двигатель Холла может разогнать корабль до 40 километров в секунду, сказал Галлимор.

Также известно, что ионные двигатели более эффективны, чем ракеты на химическом топливе. По его словам, космический корабль с двигателем Холла доставит грузы и астронавтов на Марс, используя гораздо меньше топлива, чем химическая ракета. (Обычным топливом для ионных двигателей является ксенон; действительно, космический корабль NASA Dawn, который в настоящее время находится на орбите карликовой планеты Церера, использует этот газ.) кривое зеркало в вакуумной камере. (Изображение предоставлено НАСА)

«Вы можете думать, что электрический двигатель имеет в 10 раз больше миль на галлон по сравнению с химическим двигателем», — сказал Галлимор Space.com.

Компромисс с ионными двигателями, однако, заключается в том, что они имеют очень низкую тягу и поэтому должны работать в течение длительного времени, чтобы разогнать космический корабль до высоких скоростей, по данным НАСА. (Кроме того, ионные двигатели недостаточно мощны, чтобы преодолеть гравитационное притяжение Земли, поэтому их нельзя использовать для запуска космических кораблей.)

«Химические двигательные установки могут генерировать миллионы киловатт энергии, в то время как существующие электрические системы достигают лишь от 3 до 4 киловатта», — сказал Галлимор.

Имеющиеся в продаже двигатели Холла недостаточно мощны, чтобы привести в движение пилотируемый космический корабль на Марсе, добавил он.

«Для исследований человека нам понадобится система, которая может обрабатывать около 500 000 ватт (500 кВт) или даже миллион ватт или больше», — сказал Галлимор. «Это примерно в 20, 30 или даже 40 раз больше, чем у обычных электрических силовых установок».

Вот тут-то и появляется X3. Галлимор и его команда решают проблему мощности, делая двигатель больше, чем эти другие системы, и разрабатывая конструкцию, устраняющую один из недостатков технологии.

«Мы выяснили, что вместо одного канала плазмы, в котором генерируемая плазма выбрасывается из двигателя и создает тягу, у нас будет несколько каналов в одном и том же двигателе», — сказал Галлимор. «Мы называем это вложенным каналом».

По словам Галлимора, использование трех каналов позволило инженерам сделать X3 намного меньше и компактнее, чем должен был бы быть эквивалентный одноканальный двигатель Холла.

Вид сбоку ионного двигателя X3 мощностью 50 киловатт. (Изображение предоставлено НАСА)

Команда Мичиганского университета работает над этой технологией в сотрудничестве с ВВС с 2009 года. Сначала исследователи разработали двухканальный двигатель X2, а затем перешли к более мощному X3 с тремя каналами.

В феврале 2016 года команда стала партнером калифорнийского производителя ракет Aerojet Rocketdyne, который разрабатывает новую электрическую двигательную установку под названием XR-100 для программы NASA Next Space Technologies for Exploration Partnerships или NextSTEP. Двигатель X3 является центральной частью системы XR-100.

Скотт Холл, доктор философии. Студент Мичиганского университета, работавший над проектом X3 последние пять лет, сказал, что работа была довольно сложной из-за размера двигателя.

«Он тяжелый — 500 фунтов [227 килограммов]. Его диаметр почти метр», — сказал Холл. «Большинство двигателей Холла — это такие вещи, которые один или два человека могут поднять и носить с собой по лаборатории. Нам нужен кран, чтобы перемещать X3».

В следующем году команда проведет еще более масштабные испытания, целью которых будет доказать, что двигатель может работать на полной мощности в течение 100 часов. Галлимор сказал, что инженеры также разрабатывают специальную систему магнитного экранирования, которая будет удерживать плазму на расстоянии от стенок двигателя, чтобы предотвратить повреждение и обеспечить надежную работу двигателя в течение еще более длительных периодов времени. Галлимор сказал, что без защиты полетная версия X3, вероятно, начнет испытывать проблемы после нескольких тысяч часов работы. По словам Галлимора, версия с магнитным экраном может работать несколько лет на полной мощности.

Подписывайтесь на нас в @Spacedotcom, Facebook и Google+. Оригинальная статья на Space.com.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space. com.

Тереза — лондонский журналист, работающий в области науки и техники, начинающий писатель-фантаст и гимнастка-любитель. Родом из Праги, Чешская Республика, она провела первые семь лет своей карьеры, работая репортером, сценаристом и ведущей различных телепрограмм Чешского общественного телевидения. Позже она сделала перерыв в карьере, чтобы продолжить образование, и добавила степень магистра естественных наук Международного космического университета во Франции к степени бакалавра журналистики и магистра культурной антропологии Карлова университета в Праге. Она работала репортером в журнале Engineering and Technology, работала внештатным сотрудником в ряде изданий, включая Live Science, Space.com, Professional Engineering, Via Satellite and Space News, а также работала научным редактором в Европейском космическом агентстве.

Шаг в сторону, ракеты — ионные двигатели — будущее космических путешествий

Изображение JPL/ NASA Космический корабль NASA Dawn провел более семи лет, путешествуя по Солнечной системе, чтобы перехватить астероид Веста и карликовую планету Церера. Сейчас на орбите вокруг Цереры зонд вернул первые изображения и данные этих далеких объектов. Но внутри самого Dawn есть еще одно новшество: космический корабль является первой исследовательской космической миссией, в которой вместо обычных ракет используется ионный двигатель с электрическим приводом. Такие ионные двигатели будут приводить в движение космические корабли следующего поколения.

Внутри ионного двигателя

Ионные двигатели используют электроэнергию для создания заряженных частиц топлива, обычно газообразного ксенона, и разгоняют их до чрезвычайно высоких скоростей. Скорость выхлопа обычных ракет ограничена химической энергией, запасенной в молекулярных связях топлива, что ограничивает тягу примерно до 5 км/с. Ионные двигатели в принципе ограничены только доступной на космическом корабле электрической мощностью, но обычно скорость истечения заряженных частиц колеблется от 15 км/с до 35 км/с. На практике это означает, что двигатели с электрическим приводом намного более экономичны, чем химические, поэтому можно сэкономить огромное количество массы за счет меньшего количества топлива на борту. При стоимости запуска одного килограмма массы на околоземную орбиту около 20 000 долларов экономия топлива может сделать космический корабль значительно дешевле. Это может быть очень полезно для коммерческих производителей геостационарных спутников, где электрическая тяга позволяет им маневрировать, добавляя новые возможности спутнику во время его миссии. А для научных миссий, таких как межпланетные путешествия во внешние регионы Солнечной системы, электрическая тяга — единственное средство для быстрой доставки полезного научного груза на огромные расстояния.

Внутри ионного двигателя. (Фото: НАСА)

Электрический двигатель

Существует три основных типа электрических двигателей, в зависимости от метода, используемого для ускорения топлива. Электротермические двигатели используют электроэнергию для нагрева топлива либо путем пропускания тока через нагревательный элемент, конфигурация, известная как резистореактивный двигатель, либо путем пропускания тока через сам горячий ионизированный газ или плазму, дуговой двигатель. Электромагнитные двигатели ионизируют топливо, превращая его в электропроводящую плазму, которая ускоряется за счет взаимодействия сильного электрического тока и магнитного поля. Этот метод, известный как импульсные плазменные двигатели, на самом деле очень похож на принцип работы электродвигателя. Электростатические двигатели используют электрическое поле, создаваемое путем приложения высокого напряжения к двум сеткам, перфорированным множеством крошечных отверстий, для ускорения топлива. Названный ионным двигателем с сеткой, это тип, который питает Dawn. Другой электростатической конструкцией является двигатель на эффекте Холла, который работает аналогичным образом, но вместо высоковольтных сеток создает электрическое поле на выходной плоскости двигателя, захватывая электроны магнитным полем.

Полвека в разработке

Концепция электрического двигателя существует уже 50 или более лет, но считается слишком экспериментальной для крупных проектов. Только сейчас она начинает находить реальное применение. Например, удержание геостационарных спутников на их правильной орбите для противодействия аэродинамическому сопротивлению очень разреженной атмосферы на высоте 200 км над Землей. Или межпланетные миссии, такие как Deep Space 1 — первая экспериментальная миссия с использованием ионных двигателей, она изначально задумывалась как демонстрационная технология, но осуществила успешный облет астероида 9.969 Брайля и комета Боррелли 15 лет назад. Еще одной очень успешной миссией с использованием ионных двигателей был спутник ESA Gravity field и стационарный спутник Ocean Circulation Explorer (GOCE), который в течение четырех лет до 2013 года смог нанести беспрецедентно подробные карты гравитационного поля Земли.

Космический корабль Dawn, оснащенный большими солнечными панелями для питания электрического двигателя. (Фото: НАСА)

Future Designs

Теперь, когда электрические двигатели для космических кораблей получили широкое распространение, они, похоже, позволят снизить стоимость развертывания спутников. С компактными ионными двигателями на борту спутники могут подниматься с низкой околоземной орбиты на конечную геостационарную орбиту собственными силами. Это сэкономит огромное количество топлива и позволит использовать ракеты-носители гораздо меньшего размера, что сэкономит много денег. В 2012 году компания Boeing первой выпустила полностью электрическую версию своего спутника на платформе 702, оснащенного ксеноновыми ионными двигателями, и другие производители спутников следуют их примеру. В настоящее время во всех электроэнергетических проектах в качестве топлива используется ксенон, но ведутся поиски альтернативных видов топлива, поскольку ксенон чрезвычайно дорог и его запасы ограничены. Но электроэнергия никуда не денется, и в долгосрочной перспективе космические буксиры и даже пилотируемые полеты на Марс на основе ядерных электрических двигателей будут следующими на чертежной доске.

Первоначально эта статья была опубликована на The Conversation.

Чудеса, творимые ионными двигателями: HAYABUSA

Навигация по хлебным крошкам

Ясуо Хориучи, инженер по ионным двигателям, корпорация NEC

Пробоотборник

HAYABUSA — это зонд, обладающий рядом особенностей. Он оснащен рожком для сбора образцов с астероидов и возвращаемой капсулой для доставки образцов на Землю. HAYABUSA также имеет оптическую навигационную систему, позволяющую точно сблизиться с крошечным астероидом в огромной Солнечной системе, а также различные датчики и автономную навигационную систему для безопасного спуска к астероиду.

Однако особенностью, которая действительно отличает HAYABUSA, являются четыре ионных двигателя. В этих двигателях используется уникальная система, которая излучает микроволны, подобно микроволновым печам, для ионизации ксенона, а затем ионы ускоряются в электрическом поле. Они способны работать в общей сложности 40 000 часов, что позволяет HAYABUSA успешно летать к астероиду Итокава и обратно.

Ионный двигатель

Ясуо Хориути участвовал в разработке ионных двигателей со времен колледжа, и это участие продолжилось после того, как он присоединился к NEC. В течение многих лет его жизнь вращалась вокруг ионных двигателей HAYABUSA.

Он называет HAYABUSA очень удачливым зондом, основанным на множестве чудес, совершенных его ионными двигателями.

Невозможное происходит

— Вы все время работали над ионными двигателями, но каков ваш опыт?

Horiuchi: Я закончила магистратуру в аспирантуре в лаборатории профессора Кёити Курики. Примерно в то время, когда начались исследования типа микроволнового ионного двигателя, используемого на HAYABUSA, я участвовал в создании прототипа и тестировании первого двигателя. Когда я присоединился к лаборатории, профессор Кунинака (профессор космической транспортной инженерии в ISAS JAXA) учился на третьем курсе докторантуры и, таким образом, был старше меня на четыре года. По этой причине даже сейчас мне лично удобнее называть его Кунинака-сан (господин Кунинака), чем Кунинака-сенсей (профессор Кунинака).

— И на этот раз вы работаете над ионными двигателями на стороне NEC.

Хориути: Верно. Раздумывая над тем, где работать после выпуска, я выразил желание продолжить работу над ионными двигателями. NEC сделал мне предложение, и я решил там работать. Таким образом, мне никогда не приходилось искать работу.
Примерно с 1993 года начался проект HAYABUSA, и с тех пор, как я присоединился к NEC, я постоянно работаю над ионными двигателями, и его запуск в 2003 году стал важной вехой.

Четыре ионных двигателя, установленных на HAYABUSA

— HAYABUSA, на которой установлены ионные двигатели, которым вы посвятили себя, теперь возвращаются. Накануне его возвращения, что вы чувствуете?

Хориучи: Я чувствую, что происходит невозможное. Логически такое возвращение можно было только описать как невозможное, но на самом деле невозможное случалось несколько раз. Я считаю, что HAYABUSA действительно очень удачный зонд.
Мы сделали все, что могли. Амулет удачи из храма Тобифудо (Летающий бог) висит в операционной. История, стоящая за этим, заключается в том, что профессор Кунинака и я согласились, что сделали все возможное, поэтому мы решили в качестве нашего последнего шага помолиться богам. Профессор Кунинака нашел храм со значением «летать» в названии, и я отправился туда, чтобы получить амулет на удачу. Более того, я слышал, что профессор Кавагути тоже ходил в храм Тобифудо за талисманом удачи в начале 2006 года, во время потери связи с зондом.

— Невозможное?

Horiuchi: Например, после второго приземления на Итокава в ноябре 2005 г. химические двигательные установки, использовавшиеся для управления ориентацией, дали топливо и вышли из строя. В этих обстоятельствах нам пришлось осуществлять контроль ориентации. Мы сделали это, выпустив ксенон, топливо для ионных двигателей, из нейтрализатора в виде газа. Этот подход был очень далек от наших умов, прежде чем мы прибегли к нему.
В нормальных условиях работы газ, выбрасываемый из нейтрализатора, не должен создавать тяги. Следовательно, создаваемая тяга составляет всего несколько микроньютонов, а удельный импульс, мера производительности ракеты, настолько низок, что считается бесполезным. Однако нам удалось скорректировать положение зонда. Такой подход казался бы глупым до запуска, и эта мысль не приходила нам в голову, пока мы не столкнулись с проблемами.

HAYABUSA приземляется на Итокава

— Это было действительно потрясающе.

Horiuchi: Это произошло примерно в первую неделю мая 2006 года, после восстановления после потери связи. В то время положение HAYABUSA стабилизировалось вращением зонда. Если скорость вращения не будет увеличена, поддержание стабильности положения станет невозможным. Однако, как известно, химические двигательные установки в то время уже не работали, а выброс газовой струи из нейтрализатора не только давал бы низкую эффективность, но и быстро истощал бы запасы топлива.
В этот момент кто-то предложил использовать ионные двигатели. Однако я не решался сделать это, потому что мы не знали, что произойдет с пострадавшим HAYABUSA, если мы запустим ионные двигатели, использующие высокое напряжение. В то время на получение ответа от HAYABUSA ушло 40 минут. Если бы возникла проблема, мы не смогли бы решить ее немедленно. Как инженеры, мы хотели индивидуально проверить каждую единицу оборудования и тщательно проверить его работоспособность перед запуском в эксплуатацию. Но нам просто не хватило времени.
Проходя весь путь от разработки до эксплуатации, я полностью осознавал, что HAYABUSA уже однажды был оставлен умирать, и, полагая, что нам нечего терять, дал команду запустить ионные двигатели. Двигатели заработали нормально, как ни в чем не бывало, и не доставляли нам никаких хлопот.

Еще один случай невозможного произошел в ноябре 2009 года, когда перестали работать ионные двигатели HAYABUSA. Мы объединили ионный генератор одной ионной машины с нейтрализатором другой, чтобы они работали как одна ионная машина. Такая перекрестная операция практически не поддается проверке здесь, на Земле. Внезапная попытка чего-то в космосе, что еще не было протестировано, вполне может вызвать проблемы, и любые новые проблемы действительно означали бы конец. Однако других методов у нас в то время не оставалось. 901:13 В этот момент г-н Кунинака (который казался более опытным инженером, чем профессором) сказал: «Давайте сделаем это», поэтому мы реализовали перекрестную работу двигателей. И о чудо, у нас появилась движущая сила, и HAYABUSA смогла продолжить свой путь к Земле.

Оперативная группа передает эстафету

Ионные двигатели HAYABUSA проработали в общей сложности 40 000 часов во время межпланетного космического полета зонда. Конечно, это самое продолжительное использование таких двигателей в мире, верно?

Horiuchi: Да, но на момент запуска мы не смогли добиться круглосуточной работы двигателя, и это было довольно сложно. Мы отрегулировали условия работы двигателей в течение рабочего периода, который составлял 8 часов в день, и заканчивали работу в этот день с двигателями, работающими как есть, только для того, чтобы возобновить работу на следующий день. Однако двигатели часто останавливались при работающих системах безопасности. Это повторялось изо дня в день.

Испытания ионного двигателя

— Почему так?

Horiuchi: Мы предполагаем, что внутри HAYABUSA остался разреженный газ. Во время электрического разряда срабатывали системы безопасности и ионные двигатели останавливались. Это похоже на срабатывание автоматического выключателя из-за слишком большого потребления электроэнергии в доме. Конечно, мы изначально учитывали влияние разреженного газа, но выбросы газа с поверхности зонда продолжались дольше, чем мы ожидали. Если бы ионные двигатели останавливались по пути, скорость зонда постепенно становилась бы недостаточной. Инженер-проектировщик орбиты предупредил, что, если мы не сможем быстро обеспечить непрерывную работу двигателя, зонд не выйдет на орбиту и не сможет достичь Итокавы. Таким образом, успех миссии зависел от непрерывной работы ионных двигателей.
Впервые удалось добиться непрерывной работы через 6 недель после запуска. Я поймал себя на том, что пожимаю руку профессору Кунинаке. Даже сейчас это был самый счастливый момент, который я пережил.

Проект HAYABUSA похож на карточную игру «Старая дева». Взаимосвязанных факторов очень много, а карта-джокер (старая дева) всегда где-то таится. Если джокер по прихоти вызывает проблемы, зонд не может вернуться. На пути к месту встречи с Итокавой джокера всегда удерживали ионные двигатели. 901:13 В сентябре 2005 года, когда зонд достиг Итокавы, я пошел в универмаг Tokyu Hands и купил большую карту джокера. Я написал на этой карточке «Первый этап пути завершен» и передал ее инженеру по приземлению.
На обратном пути к нам вернулся джокер, команда ионного двигателя. Это был долгий период, но теперь он почти закончился. Джокер, наконец, будет передан команде, отвечающей за возвращаемую капсулу.

Помню, на вечеринке, посвященной первой годовщине запуска, я сказал профессору Кавагути: «HAYABUSA — удачный зонд». Сегодня, после всего, через что пришлось пройти HAYABUSA, я не могу найти более подходящего описания. HAYABUSA — чрезвычайно удачливый зонд.

— Теперь вы отвечаете за коммерциализацию ионных двигателей.

Реальный ионный двигатель, используемый для проверочных испытаний Прототип ионного двигателя, используемого на HAYABUSA

Horiuchi: Одним из применений является орбитальное управление стационарными спутниками GEO (геосинхронная орбита Земли). Стационарные спутники GEO, если их предоставить самим себе, сходят с орбиты и постепенно двигаются зигзагами на север и юг. Двигатель необходим для постоянной корректировки их орбиты, чтобы они оставались на геостационарной орбите. Это называется управлением ориентацией север-юг, и использование для этой цели ионных двигателей снижает требуемое топливо, что позволяет дольше использовать спутник.
Имели место случаи использования ионных двигателей для управления ориентацией коммерческих спутников в направлении север-юг в Европе и США, но надежность этих ионных двигателей была довольно низкой, и эти двигатели, как правило, вызывали проблемы.
Таким образом, сегодня ионные двигатели почти не используются. Это рынок, на который мы планируем выйти, предлагая ионные двигатели микроволнового разрядного типа с высокой надежностью, разработанной HAYABUSA в качестве нашего преимущества.

После запуска HAYABUSA Хориути подумал, что хотел бы заняться чем-то отличным от разработки ионных двигателей, и попросил его перевести. Его направили в отдел, отвечающий за коммерциализацию новых технологий. Однако и там за ним последовали ионные двигатели. Надежность, необходимая для межпланетных космических путешествий, — это сила, которая будет продолжать создавать новые рынки.

Имея дело с ионными двигателями более 20 лет после колледжа, Хориучи имел один секрет еще до запуска. «На самом деле, я дал свои собственные имена двигателям от A до D на HAYABUSA. Я назвал двигатель A в честь себя, двигатель B в честь моей жены, а двигатели C и D в честь моих детей. И вот, когда у двигателя А возникли проблемы сразу после старта, «Батька» оказался никуда не годным… Но в итоге удалось заставить ХАЯБУСА вернуться обратно за счет перекрестной работы двигателей А и Б, что я считаю хороший вывод».

Таким образом, история людей, поддерживающих команду HAYABUSA, также освещает заключительный этап пути HAYABUSA, который стал возможен благодаря нейтрализатору двигателя A, поддерживающему двигатель B.

Исследовано и написано Shinya Matsuura (выпущено 30 июля 2010 г.)

Yasuo Horiuchi,
Старший менеджер отдела развития спутникового бизнеса, корпорация NEC

Пришел в компанию в 1990 г. С тех пор занимается разработкой ионных двигателей, а в 2009 г. присоединился к отделу стратегии развития спутникового бизнеса.. В настоящее время занимается продвижением малого спутникового бизнеса.

Прочие изделия

Твитнуть
Поделиться

Ионные двигатели для электрических двигателей: Научные вопросы развития нишевой технологии, которая изменит правила игры

Сохранить цитату в файл

Формат:

Резюме (текст)PubMedPMIDAbstract (текст)CSV

Добавить в коллекции

Создать новую коллекцию
Добавить в существующую коллекцию

Назовите свою коллекцию:

Имя должно содержать менее 100 символов

Выберите коллекцию:

Не удалось загрузить вашу коллекцию из-за ошибки
Повторите попытку

Добавить в мою библиографию

Моя библиография

Не удалось загрузить делегатов из-за ошибки
Повторите попытку

Ваш сохраненный поиск

Название сохраненного поиска:

Условия поиска:

Тестовые условия поиска

Эл. адрес:

(изменить)

Который день?

Первое воскресеньеПервый понедельникПервый вторникПервая средаПервый четвергПервая пятницаПервая субботаПервый деньПервый рабочий день

Который день?

воскресеньепонедельниквторниксредачетвергпятницасуббота

Формат отчета:

SummarySummary (text)AbstractAbstract (text)PubMed

Отправить максимум:

1 штука5 штук10 штук20 штук50 штук100 штук200 штук

Отправить, даже если нет новых результатов

Необязательный текст в электронном письме:

Создайте файл для внешнего программного обеспечения для управления цитированием

. 2020 1 июня; 91 (6): 061101.

дои: 10.1063/5.0010134.

К Холсте ¹ , П Дитц ¹ , С Шарманн ¹ , Кейл ¹ , Т. Хеннинг ¹ , D Zschätzsch ¹ , М Райтемейер ¹ , Б Наушютт ¹ , Ф Кифер ¹ , Ф Кунце ¹ , Дж. Цорн ¹ , С Хайлигер ² , Н Джоши ² , У Пробст ³ , Р Тюрингер ³ , С Фолькмар ³ , Д Пакан ⁴ , С. Петершмитт ⁴ , К-Т Бринкманн ⁵ , Х.Г. Зауник ⁵ , М. Х. Тома ¹ , М Кречмер ¹ , Х. Дж. Лейтер ¹ , С Шипперс ¹ , К Ханнеманн ¹ , П. Дж. Клар ¹

Принадлежности

¹ Институт экспериментальной физики I, Университет Юстуса Либиха, Генрих-Буфф-Ринг 16, 35392 Гиссен, Германия.
² Институт теоретической физики Университета Юстуса Либиха, Генрих-Буфф-Ринг 16, 35392 Гиссен, Германия.
³ Факультет электротехники, Университет прикладных наук, Wiesenstr. 14, 35390 Гиссен, Германия.
⁴ ОНЕРА, Палезо 91120, Франция.
⁵ Институт экспериментальной физики II, Университет Юстуса Либиха, Heinrich-Buff-Ring 16, 35392 Гиссен, Германия.

PMID:
32611046
DOI:
10.1063/5.0010134

K Holste et al.

Преподобный Научный Инструм.

2020 .

. 2020 1 июня; 91 (6): 061101.

дои: 10.1063/5.0010134.

Авторы

Принадлежности

¹ Институт экспериментальной физики I, Университет Юстуса Либиха, Генрих-Буфф-Ринг 16, 35392 Гиссен, Германия.
² Институт теоретической физики Университета Юстуса Либиха, Генрих-Буфф-Ринг 16, 35392 Гиссен, Германия.
³ Факультет электротехники, Университет прикладных наук, Wiesenstr. 14, 35390 Гиссен, Германия.
⁴ ОНЕРА, Палезо 91120, Франция.
⁵ Институт экспериментальной физики II, Университет Юстуса Либиха, Генрих-Буфф-Ринг 16, 35392 Гиссен, Германия.

PMID:
32611046
DOI:
10.1063/5.0010134

Абстрактный

Переход от старого космоса к новому наряду с растущей коммерциализацией оказывает большое влияние на космические полеты в целом и на электродвижение (ЭР) с помощью ионных двигателей в частности. Ионные двигатели в настоящее время используются в качестве основных двигательных установок в космосе. В данной статье описывается, как эти изменения, связанные с новым пространством, влияют на различные аспекты, важные для развития систем ОП. Начиная с исторического обзора развития космических полетов и технологии систем EP, представлен ряд важных миссий с EP и лежащими в их основе технологиями. В центре нашего обсуждения находится технология радиочастотного ионного двигателя как важного члена семейства ионных двигателей с сеткой. Основываясь на этом обсуждении, мы даем обзор важных тем исследований, таких как поиск альтернативных видов топлива, разработка надежных концепций нейтрализаторов на основе новых вставных материалов, а также перспективных концепций двигателей без нейтрализаторов. Кроме того, обсуждаются аспекты моделирования двигателей и требования к испытательному оборудованию. Кроме того, мы рассматриваем аспекты космической электроники в отношении разработки высокоэффективных электронных компонентов, а также аспекты электромагнитной совместимости и радиационной стойкости. Статья завершается презентацией взаимодействия ЭР-систем с космическим аппаратом.

Цитируется

Демонстрация мультимодальности электрических микродвигателей.
Золотухин Д.Б., Бандару С.Р.П., Даниелс К.П., Бейлис И.И., Кейдар М.
Золотухин Д. Б. и соавт.
Научная реклама 9 сентября 2022 г .; 8 (36): eadc9850. doi: 10.1126/sciadv.adc9850. Epub 2022 7 сентября.
Научная реклама 2022.
PMID: 36070382
Бесплатная статья ЧВК.

Полнотекстовые ссылки

Американский институт физики

Укажите

Формат:

ААД

АПА

МДА

НЛМ

Отправить в

Ионовый двигатель: строительство ионного ветрового ротора

Научные проекты

РЕЗЮМЕ

Физика
Исследование пространства

Short (2-5 дней)

Benio, PHD, PHD, PHD, PHD, Ncience, Ncience Poddies, Ncience, Ncience, Ncience, Ncientdies, Ncience, Ncience, Ncience Poddies.

*Примечание:
Для этого научного проекта вам потребуется разработать собственную экспериментальную процедуру. Используйте информацию на вкладке сводки в качестве отправной точки. Если вы хотите обсудить свои идеи или вам нужна помощь в устранении неполадок, используйте форум Ask An Expert. Наши эксперты не будут делать работу за вас, но они сделают предложения и дадут рекомендации, если вы обратитесь к ним с конкретными вопросами.

Если вам нужна идея проекта с полными инструкциями, выберите вариант без звездочки (*) в конце названия.

Реферат

Ионные двигатели, также называемые ионными двигателями (рис. 1), представляют собой двигатель космического корабля с электрическим приводом. Хотя они обеспечивают очень низкую тягу (и, следовательно, низкое ускорение), они могут делать это в течение очень длительных периодов времени, используя очень небольшое количество топлива. Таким образом, хотя они и не подходят для преодоления гравитации Земли, как химические ракеты, которые менее эффективны, но генерируют более высокую тягу, они полезны для зондов дальнего космоса или для небольших корректировок спутниковых орбит. Вы можете прочитать больше об ионных двигателях в справочнике НАСА в библиографии.

Вы можете построить модель ионного двигателя, называемого ионным ветровым ротором, используя генератор Ван де Граафа. Генератор Ван де Граафа создает положительный электростатический заряд на своем куполе. Этот заряд может быть сконцентрирован на кончике электрода (см. ссылку на класс физики в библиографии и прочтите раздел об электрических полях и кривизне поверхности), который затем ионизирует близлежащие молекулы воздуха, удаляя электроны. Теперь положительно заряженные молекулы воздуха отталкиваются от положительно заряженного электрода. Согласно третьему закону движения Ньютона, это создает силу реакции, которая давит на электрод. Когда два электрода, направленные в противоположные стороны, помещаются на ротор, результирующие силы заставляют ротор вращаться (рис. 2 и 3).

Хотя функциональность ротора не идентична функциональности настоящего ионного двигателя, он демонстрирует аналогичный принцип работы по созданию тяги за счет выброса потока ионов. Посмотрите это видео, чтобы узнать, как сделать базовый ионный ротор, показанный на рис. 2, и объяснить, как он работает:

Хотя конструкция на рис. 2 работает как простая демонстрация, трение между алюминиевым ротором и гвоздем часто может возникать. Иногда ротор может застрять, а очень легкую алюминиевую фольгу может даже оттолкнуть вверх, подальше от генератора Ван де Граафа. В лучшей конструкции используется кусок медной трубы с просверленным в ней отверстием, уравновешенный на гвозде (рис. 4).

Посмотрите это видео, чтобы узнать, как построить улучшенную версию ионного ветряного ротора. Вам понадобятся такие инструменты, как тиски, ножовка или сабельная пила, дрель и защитные очки.

Можете ли вы использовать эту конструкцию ионного ветряного ротора в научном проекте? Хотя вы не можете напрямую измерить тягу, создаваемую электродом, вы можете сравнить относительные величины тяги, создаваемой двумя электродами, используя ротор в качестве баланса. Если вы направите электроды в одном направлении, то ротор не должен вращаться, когда крутящие моменты, создаваемые каждым электродом относительно точки поворота, компенсируют друг друга (рис. 5).

Это может быть выражено математически с использованием уравнения 1:

Уравнение 1: [Включите JavaScript для просмотра уравнения]

Которое можно изменить, чтобы показать соотношение сил, создаваемых двумя электродами:

Уравнение 2 : [Включите JavaScript для просмотра уравнения]

Это позволит вам сравнить относительные силы, создаваемые различными электродами, перемещая электроды вперед и назад (ближе или дальше от центра) по мере необходимости, пока крутящие моменты не сбалансируются и ротор не сравняется. больше не крутится ни в какую сторону. Например, можно сравнить гвозди разного размера или гвозди с разным покрытием поверхности. Вы также можете изучить влияние геометрии кончика электрода (например, отрезать или подпилить кончик ногтя) или даже попробовать сделать свои собственные электроды из других материалов.

С вашей стороны могут потребоваться некоторые усилия и эксперименты, чтобы этот проект работал хорошо. Различия в тяге, создаваемой разными электродами, могут быть очень малы и их трудно измерить. Приведенный выше анализ также не учитывает трение между центральным гвоздем и медной трубой, что повлияет на ваши результаты. Вы можете начать со сравнения очень больших различий между электродами, например. переверните один гвоздь так, чтобы его головка была направлена наружу, действуя как «наконечник» электрода. Можете ли вы уточнить свои результаты, чтобы измерить различия между более похожими электродами или даже прийти к оптимальной конструкции электрода?

Библиография

Хендерсон, Т. (без даты). Электрические поля и проводники. Кабинет физики. Проверено 25 февраля 2022 г.

НАСА (7 августа 2017 г.). НАСА — Ионный двигатель. Проверено 25 февраля 2022 г.

Задать вопрос эксперту

У вас есть конкретные вопросы о вашем научном проекте? Наша команда ученых-добровольцев может помочь. Наши эксперты не сделают всю работу за вас, но они сделают предложения, дадут рекомендации и помогут устранить неполадки.

Опубликовать вопрос

Вакансии

Если вам нравится этот проект, вы можете изучить следующие родственные профессии:

Руководство по проекту научной ярмарки
Другие подобные идеи
Идеи проекта по физике
Идеи проекта по исследованию космоса
Мое Избранное

Лента новостей по этой теме

,
,

Процитировать эту страницу

Общая информация о цитировании представлена здесь. Обязательно проверьте форматирование, включая заглавные буквы, для используемого метода и при необходимости обновите цитату.

MLA Style

Финио, Бен.

«Ионный двигатель: построить ротор ионного ветра». Научные друзья ,
18 марта 2022 г.,
https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Phys_p119/physics/ion-wind-rotor.
По состоянию на 3 октября 2022 г.

APA Style

Финио, Б.

(2022, 18 марта).
Ионный двигатель: соберите ионный ветродвигатель.
Извлекаются из
https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Phys_p119/physics/ion-wind-rotor

Дата последнего редактирования: 18.03.2022

Изучите наши научные видео

Модель a Инфекция легких

Как сделать винт Архимеда — Упражнение STEM

Насколько сильны ваши волосы? – Деятельность STEM

Исследование эрозии ионного двигателя методом низкоэнергетического распыления

Цитата

Дюшемен, Оливье Бернар

(2001)
Исследование эрозии ионного двигателя методом низкоэнергетического распыления.
Диссертация (доктор философии), Калифорнийский технологический институт.
дои: 10.7907/K408-J123.

https://resolver.caltech.edu/CaltechETD:etd-02242002-122344

Abstract

В отличие от химических двигательных установок, производительность которых принципиально ограничена плотностью энергии ракетного топлива, электрические двигательные установки, такие как ионные двигатели, ограничены по максимальному выдаваемому импульсу максимальным расходом топлива из-за износа двигателя.
Чтобы выполнить реалистичное моделирование срока службы двигателя, необходимо понять задействованные механизмы эрозии. В частности, чрезвычайно трудно количественно определить повреждение или распыление, вызванное медленными ионами на твердых поверхностях. Сначала мы рассмотрим режимы отказа двигателя, в которых решающую роль играет распыление молибдена медленными ионами ксенона. Затем мы представляем соответствующие физические механизмы и описываем модель для оценки минимальной кинетической энергии, необходимой для смещения поверхностного атома.
В литературе опубликовано более семнадцати аналитических подходов к энергетической зависимости распыления. Мы реализуем четыре наиболее важных для процессов эрозии ионного двигателя. Кроме того, мы используем программу моделирования Монте-Карло TRIM для расчета эффективности распыления. Мы обнаружили, в частности, что относительная чувствительность выхода распыления к энергии связи с поверхностью резко возрастает вблизи пороговой энергии распыления. Хотя поверхностная энергия связи является (слабой) функцией температуры, мы показываем, что эффективность распыления не должна значительно увеличиваться при температурах, типичных для работы ионного двигателя.
Реализован и апробирован экспериментальный подход к измерению выхода низкоэнергетического распыления. Основанный на методе кварцевых микровесов (ККМ), этот метод использует преимущество дифференциальной чувствительности массы, демонстрируемой пьезоэлектрическим кварцевым резонатором, используемым в этом исследовании. Из-за важности загрязнения поверхности при низкоэнергетическом распылении представлена модель кинетики поверхности для описания поверхности, находящейся под одновременным очищающим эффектом ионной бомбардировки и загрязнения фоновым потоком газа.
Особый случай одновременного загрязнения поверхности и эрозии возникает во время наземных испытаний двигателя, когда углерод распыляется на решетку ускорителя с объекта. Мы описываем эксперименты по измерению поперечных сечений ионно-индуцированной десорбции углерода на молибдене, прежде чем сделать вывод, что защитный эффект углеродного загрязнения вряд ли существенно повлияет на эрозию двигателя, так что результаты наземных испытаний применимы к космическим операциям

0651 Aeronautics

Основной вариант:
Тип изделия:	Диссертация (докторская диссертация))
Ключевые слова темы:	углерод; десорбция; электрическая тяга; срок службы двигателя; ионный двигатель; низкоэнергетическое распыление; молибден; кварцевые микровесы; ионы ксенона
Ученая степень:	Калифорнийский технологический институт
Подразделение:	Инженерные и прикладные науки
Thesis Availability:	Public (worldwide access)
Research Advisor(s):	Culick, Fred E. Post navigation ← Что будет в будущем в мире: Будущее. Мир через 10 лет — Журнал «Афиша» Изобретения будущего: 10 невероятных изобретений будущего, которые изменят жизнь человечества / AdMe → Двигатель Наук Планета Разное Советы Старое © 2021 Scientific World — научно-информационный журнал

Ионные двигатели: от фантастики к реальным пускам

Ионные двигатели в авиации | АвиаПорт.Конференция

Тема: Ионные двигатели в авиации

Ответить в тему:

3D-печать удешевит создание ионных двигателей для кубсатов

Российские ионные двигатели — это чудо-техники или чудо-пропаганды?

Космическая одиссея

Ионные двигатели схемы Кауфмана, двигатели NSTAR, NEXT, NEXIS, T-6 презентация, доклад

Ионные двигатели с ядерными реакторами: на пороге новых открытий | by Анна Миронова | Системы безопасности

бьет рекорды в испытаниях и может отправить людей на Марс

Шаг в сторону, ракеты — ионные двигатели — будущее космических путешествий

Внутри ионного двигателя

Электрический двигатель

Полвека в разработке

Future Designs

Чудеса, творимые ионными двигателями: HAYABUSA

Навигация по хлебным крошкам

Невозможное происходит

Оперативная группа передает эстафету

Прочие изделия

Ионные двигатели для электрических двигателей: Научные вопросы развития нишевой технологии, которая изменит правила игры

Сохранить цитату в файл

Добавить в коллекции

Добавить в мою библиографию

Ваш сохраненный поиск

Создайте файл для внешнего программного обеспечения для управления цитированием

Принадлежности

Авторы

Принадлежности

Абстрактный

Похожие статьи

Цитируется

Ионовый двигатель: строительство ионного ветрового ротора

РЕЗЮМЕ

Реферат

Библиография

Задать вопрос эксперту

Вакансии

Лента новостей по этой теме

Процитировать эту страницу

MLA Style

APA Style

Изучите наши научные видео

Исследование эрозии ионного двигателя методом низкоэнергетического распыления

Цитата

Abstract