Ионный двигатель

MPD-Thruster

Это ещё один концепт плазменного агрегата. С ним связано немало надежд на космические технологии.

В чём идея? Создаётся заряд плазмы между катодом и анодом, который способствует индуцированию кольцевого магнитного поля. В действие вступает сила Лоренца, при помощи которой поле воздействует на движущиеся заряды тока, вследствие чего определённая их часть отклоняется в продольном направлении. В результате возникает плазменный сгусток, истекающий «вправо». Именно он формирует тяговый толчок.

Данный двигатель осуществляет работу в импульсном режиме, поскольку кратковременные паузы между разрядами необходимы – так копится заряд на электродах.

Чем перспективен MPD-Thruster? Он работает без разделения разноименных зарядов. Так как они в зарядном токе двигаются встречно. Это значит, что и силы Лоренца имеют идентичное направление.

В теории у данного концепта очень выдающиеся показатели. Он может развивать впечатляющую тягу. Но и нюансы тоже есть. Магнитному полю не подвластен «разгон» электрических зарядов. Всё из-за того, что сила Лоренца оказывает воздействие, перпендикулярное их скорости. То есть не изменяет кинетические показатели. MPD-Thruster только немного изменяет направления, по которым следуют заряды – для того чтобы плазма вылетала наружу продольно.

В идеале ток между катодом и анодом должен быть в разы плотнее. Это обязательно для создания тяги. И требует больших затрат электрической энергии. Которая, впрочем, не уступает мощности плазменной струи.

Если удельный импульс составит 1000 километров в секунду, а тяга – 100 кг, то на потребление будут уходить сотни мегаватт. Которые генерировать в космосе практически невозможно. Даже если допустить такую вероятность, корабль с MPD-Thruster, имеющий нетто-массу в 100 тонн, разгонится до отметки в 10 000 км/сек. лишь за 317 лет! И это при запредельно астрономическом стартовом весе, составляющем 2,2 миллиона тонн.

При таких показателях даже невозможно представить расход газа в агрегате, пропускающем электронные заряды. И никаких подсчётов не нужно делать, дабы понять – никакие электроды не способны выдержать столь весомых химических и тепловых нагрузок.

VASIMR

Другим многообещающим проектом является разработка электромагнитного ускорителя с изменяемым удельным импульсом (в англоязычной литературе – VASIMR). Рабочее тело (аргон) ионизируется радиоволнами, и полученная плазма затем разгоняется в электромагнитном поле, создавая реактивную тягу.

Впервые появившись в 1979 году, идея стала по-настоящему революционной и сейчас близка к воплощению. Такой двигатель был бы крайне востребован в системе орбитального и межпланетного транспорта. Для начала «космический буксир» мог бы перемещать многотонные грузы между орбитами Земли и Луны. Модель VASIMR VF-200 производства Ad Astra Rocket Company планируется разместить на борту МКС.

Макет двигателя VASIMR VF-200-1 представлен в ролике ниже.

Как работает ионный двигатель

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

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

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

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

Схематичное изображение работы ионного двигателя.

Электроны, которые попали в катодную ловушку, должны быть удалены с борта космического аппарата, чтобы он сохранял нейтральный заряд, а выброшенные ионы не притягивались обратно, снижая эффективность установки. Выброс электронов осуществляется через отдельное сопло под небольшим углом к струе ионов

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

Проблема эффективного разделения зарядов

Многие физики пессимистично уверяют – она нерешаема. Есть передовые проекты, в рамках которых разрабатываются инновационные плазменные агрегаты с мощностью в 5 МВт и импульсом в 1000 км/сек., однако их тяга всё равно остаётся слишком маленькой для преодоления больших расстояний.

Разработчики понимают эту проблему и ищут другие подходы. Один из самых перспективных проектов в наше время – это VASIMR. Его удельный импульс равен 50 км/сек., а тяга составляет 6 ньютонов. Вот только VASIMR на самом деле плазменным агрегатом не является. Потому что он вырабатывает высокотемпературную плазму. Она берёт разгон в сопле Лаваля – без использования электроэнергии, только благодаря газодинамическим эффектам. А ускоряется плазма так же, как и газовая струя набирает скорость на выходе из привычного ракетного агрегата.

История

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

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

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

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

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

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

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

Возможности и приложения

По самому своему принципу ионизации порохового газа эти двигатели работают только в вакууме (космос или испытательная камера).

Их низкая тяга, всего несколько десятых долей ньютона , эквивалентная дыханию человека рукой на расстоянии 20  см , ограничивает их использование в орбитальных полетах или, в более общем смысле, в областях со слабыми гравитационными полями.

Эти типы двигателей имеют большие удельные импульсы  : от 5000 до 25000 с .

Двигатели этого типа хорошо подходят для автоматических исследовательских миссий (зонд) и сначала очень серьезно рассматриваются для удаленных пилотируемых миссий, таких как Марс .

Выходной ионный ток — важный параметр в этом типе двигателя. Его можно рассчитать в первом приближении как сумму (интеграл на поверхности) нагрузок, пересекающих выходную плоскость, на среднюю скорость нагрузок. Тяга двигателя может быть легко рассчитана по выходному ионному току.

Характеристики

Ионная линза постоянно бомбардируется небольшим количеством вторичных ионов и разрушается или стирается, что уменьшает КПД двигателя и срок службы. Ионным двигателям требуется возможность эффективной и непрерывной работы в течении многих дет. Для уменьшения разрушения было использовано несколько методов. Самым достойным внимания было изменение различных видов топлива. Атомы ртути или цезия использовались в качестве топлива при испытаниях в 1960-х и 1970-х годах, но они прилипали к решеткам и разрушали их. С другой стороны, атомы ксенона – гораздо менее коррозионные, что сделало их отличным топливом практически для всех типов ионных двигателя. НАСА продемонстрировало непрерывную работу двигателя «NSTAR» в течение 16 000 часов (1,8 года), а продолжающиеся испытания показывают превышение этого срока вдвое. Электростатические ионные двигатели также достигли удельного импульса в 30-100 кН*с/кг, что превышает показатели большинства других типов ионных двигателей. Также они разогнали ионы до скоростей, достигающих 100 км/с.

Ионный двигатель с сеткой

В январе 2006 года Европейское космическое агентство совместно с Австралийским национальным университетом, заявили об успешных испытаниях улучшенного электростатического ионного двигателя – «Dual-Stage 4-Grid», достигший скорости в 210 км/с, что вчетверо превышало достигнутые ранее показатели, что позволяет достигнуть удельного импульса в четыре раза больше. У стандартных электростатическим ионных двигателей есть всего две решетки – высокого и низкого напряжения соответственно, обе из которых занимаются добычей ионов и ускорением корабля. Однако, когда разница разрядов между этими решетками достигает примерно 5 кВ, некоторые из частиц, полученных из камеры, сталкиваются с решеткой низкого напряжения, разрушают ее и ставят под угрозу долговечность двигателя. Это ограничение успешно преодолевается при использовании двух пар сеток. Первая пара работает при высоком напряжении, создавая разницу потенциалов между сетками на уровне 3 кВ. Эта пара сеток отвечает за извлечение заряженных частиц топлива из газовой камеры. Вторая пара, работающая при низком напряжении, генерирует электрическое поле, ускоряющее выходящие наружу частицы и обеспечивающее тягу. Среди других преимуществ нового типа двигателя – более компактный дизайн, что позволяет вырабатывать более сильную тягу, и меньший угол выхода шлейфа выходящих газов в 3 градуса – показатель, как сообщается, в пять раз меньший, чем достигнутый ранее. Это уменьшает объем топлива, нужный для коррекции положения аппарата, из-за меньших колебаний в направлении вектора двигателем.

[править] Принцип действия

Испытания ионного двигателя на ксеноне

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

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

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

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

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

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

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

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

Недостаток двигателя в его нынешних реализациях — очень слабая тяга (порядка 50-100 миллиньютонов). Таким образом, нет возможности использовать ионный двигатель для старта с планеты, но, с другой стороны, в условиях невесомости, при достаточно долгой работе двигателя есть возможность разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих видов двигателей. Однако разрабатываются более совершенные и мощные типы электроракетных двигателей (холловский и магнитоплазмодинамический), превосходящие ионный двигатель по величине тяги и как следствие конечной скорости космического аппарата.

Перспективы применения ионных двигателей:

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

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

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

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

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

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

Будущие проекты

Теперь, когда космические аппараты с электродвигателями начинают получать широкое распространение, они вполне могут снизить стоимость развертывания спутников. С компактными ионными двигателями на борту, спутники могут поднимать себя от низкой околеземной орбиты к окончательной геостационарной орбите своими силами. Это позволит сэкономить огромное количество топлива, необходимого для подъема спутников силами обычных химических ракет, а также использовать гораздо меньшие ракеты-носители, которые тоже сэкономят денег. Boeing первой начала в 2012 году оснащать полностью электрические версии своей платформы спутников 702 ксеноновыми ионными двигателями, и другие производители спутников тоже последуют их примеру.

В настоящее время все проекты работают с использованием ксенонового газа и топлива, но ищутся альтернативы, поскольку ксенон очень дорогой. Но электрическая энергия никуда не денется, и в более долгосрочной перспективе космические буксиры и даже пилотируемые полеты на Марс, в основе которых будет лежать ядерная электрическая установка, получат широкое распространение.

Ионный двигатель

Еще в 1954 году американец, немецкого происхождения Эрнст Штулингер детально описал эту технологию, сопроводив её необходимыми вычислениями. Далее начиная с 70-х годов ХХ века и заканчивая 2010 годом в различных странах были разработаны и испытаны ионные двигатели на космических аппаратах, в качестве основного (маршевого) двигателя.

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

Ионный двигатель NSTAR

Ионный двигатель использует в качестве топлива ксенон или ртуть. В ионизатор подаётся топливо, которое само по себе нейтрально, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом, в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны. Положительные ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из двух или трёх сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против -225 вольт на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона.

Электроны, пойманные в катодную трубку, выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается, во-первых, для того, чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным, а во-вторых, чтобы ионы, «нейтрализованные» таким образом, не притягивались обратно к кораблю.

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

Миссии

Действующие миссии

• Starlink — проект компании Илона Маска SpaceX по выведению спутников на околоземную орбиту для создания глобальной сети интернет. Технология используется для маневрирования спутников и избежания их столкновения с космическим мусором[источник не указан 849 дней].
• Artemis
• Хаябуса-2
• BepiColombo. Запущен 20 октября 2018 года. ЕКА использует ионный двигатель в этой меркурианской миссии, наряду с гравитационными манёврами и химическим двигателем для перехода на орбиту вокруг Меркурия в качестве искусственного спутника. На аппарате работают самые мощные на сегодняшний день 4 ионных двигателя суммарной тягой 290 мН.
• Тяньхэ — базовый модуль Китайской космической станции, запущенный 29 апреля 2021, имеет 4 ионных двигателя для коррекции орбиты.

Завершённые миссии

• SERT (англ. Space Electric Rocket Test, рус. Тест Космического Электрического Двигателя — программа NASA, в которой на спутниках впервые был использован ионный двигатель)
• Deep Space 1
• Hayabusa (вернулся на Землю 13 июня 2010 года)
• Smart 1 (завершил миссию 3 сентября 2006 года, после чего был сведён с орбиты)
• GOCE (после исчерпания запасов рабочего тела сошёл с орбиты)
• LISA Pathfinder (ЕКА) использовал ионные двигатели в качестве вспомогательных для точного контроля высоты; деактивирован 30 июня 2017.
• Dawn. 1 ноября 2018 года аппарат исчерпал все запасы топлива для маневрирования и ориентации, его миссия, длившаяся 11 лет, была официально завершена.

Планируемые миссии

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

Нереализованные миссии

Компьютерная модель Прометея-1

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

Проект Джефри Лэндиса

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

История ионного двигателя

Впервые ионный двигатель был продемонстрирован Эрнстом Штулингером, ученым НАСА немецкого происхождения, а практическое воплощение ему придавал Гарольд Кауфман в Научно-исследовательском центре Льюиса при НАСА (ныне он носит имя Гленна), начиная с 1957 года и до начала 1960-х.

Ионный двигатель

Использование ионных двигателей в космосе было впервые демонстрировано на тестовых моделях ракет «SERT-1» и «SERT-2». В качестве реагирующей массы эти двигатели использовали ртуть. Первой моделью стала «SERT-1», запущенная 20 июля 1964 года, которая успешно доказала, что технология работает в космосе так, как было рассчитано. Вторая тестовая модель, «SERT-2», запущенная 3 февраля 1970 года, подтвердила возможность работы двух ионных двигателей на ртути в течение нескольких тысяч часов. Несмотря на демонстрации в 1960-х и 1970-х годах, они, тем не менее, редко использовались до конца 1990-х.

Научно-исследовательский центр Гленна при НАСА продолжал разрабатывать электростатические ионные двигатели с сеткой все 1980-е годы, разрабатывая солнечную энергетическую установку для НАСА типа «NSTAR», который был успешно использован для зонда «Deep Space 1» — первой миссии по выводу на межпланетную траекторию аппарата, которая использовала электродвигатель в качестве основной силовой установки. На данный момент этот двигатель установлен на аппарат «Dawn», следующий к астероидному поясу. Компания «Hughes Aircraft Company» (сейчас – «L-3 ETI») разработала ионный двигатель на ксеноне «XIPS» для позиционирования станции относительно геосинхронных спутников (используется более 100 двигателей). Сегодня НАСА работает над электростатическим ионным двигателем «HiPEP» с мощностью в 20-50 кВ, который будет обладать более высоким КПД, удельным импульсом и большим сроком службы по сравнению с «NSTAR». Компания «Aerojet» недавно завершила тестирования прототипа ионного двигателя «NEXT».

Начиная с 1970-х годов, совместное предприятие «ArianeGroup» и Гисенский университет занимались разработкой радиочастотного ионного двигателя. Двигатели «RIT-10» используются для полетов Европейского возвращаемого космического модуля «EURECA» и аппарата «ARTHEMIS». Британская компания «Qinetiq» разработала двигатели «T5» и «T6», первый из которых использовался для миссии «GOCE», а второй, вероятно, — для миссии «BepiColombo». Японцы, разработавшие микроволновой двигатель «10», использовали его для космического аппарата «Хаябуса».

Принцип работы

Атомы топлива впрыскиваются в камеру нагнетания и ионизируются за счет бомбардировки электронами, создавая плазму. Существует несколько способов производства быстрых электронов для разряда: электроны могут испускаться из электронной пушки и ускоряться за счет разницы потенциалов с анодом (ионный двигатель Кауфмана); электронам передается ускорения от осциллирующего электрического поля, индуцированного электромагнитом переменного тока, что приводит к самостоятельному разряду и отключению катодов (радиочастотный ионный двигатель) и посредством нагрева токами сверхвысокой частоты. Положительно заряженные ионы рассеиваются в вытяжной системе камеры (2-3 мультиапертурных сетки). После того, как ионы попадают в экранирующий слой плазмы в отверстии сетки, им за счет разницы потенциалов между первой и второй сетками (экранной сеткой и решеткой ускорителя) передается ускорение. Ионы посредством мощного электрического поля направляются через заборное отверстие. Конечная энергия иона определяется потенциалом плазмы, который, как правило, несколько превышает напряжение экранной сетки.

Конструкция ионного двигателя с сеткой

Отрицательное напряжение решетки ускорение не позволяет электронам из пучка плазмы, выходящей из двигателя, вернуться обратно к разряженной плазме. Это может не сработать из-за недостаточного отрицательного напряжения в сетке, что часто происходит в конце срока службы ионных двигателей. Выброшенные ионы двигают космический аппарат вперед согласно третьему закону Ньютона. Электроны с низкой энергией излучаются из отдельного катода – нейтрализатора, и попадают в пучок ионов для обеспечения равного количества положительных и отрицательных выбрасываемых частиц. Нейтрализация необходима для того, чтобы предотвратить получение космическим аппаратом результирующего отрицательного заряда, что может притянуть ионы обратно к аппарату и заглушить двигатель.

Тяга

«Сила» ракетного двигателя называется тягой. Тяга измеряется в ньютонах в метрической системе и «фунтах тяги» в США (4,45 ньютона тяги эквивалентны одному фунту тяги). Фунт тяги — это количество тяги, необходимое для удержания 1-фунтового объекта (0,454 кг) неподвижным относительно силы тяжести Земли. Ускорение земной гравитации составляет 9,8 м/с².

Одной из забавных проблем ракет является то, что топливный вес, как правило, в 36 раз больше полезной нагрузки. Потому что помимо того, что двигателю нужно поднимать вес, этот же вес и способствует собственному подъему. Чтобы вывести крошечного человека в космос, нужна огромная ракета и много-много топлива.

Обычная скорость для химических ракет составляет от 8000 до 16 000 км/ч. Топливо горит около двух минут и вырабатывает 3,3 миллиона фунтов тяги на старте. Три основных двигателя космического шаттла, например, сжигают топливо в течение восьми минут и вырабатывают около 375 000 фунтов тяги каждый в процессе горения.

Когда изобрели ионный двигатель

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

Роберт Годдард.

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

Первый аппарат в космосе с ионным двигателем.

По сути, ионный двигатель является первым электрическим космическим двигателем, но его надо было дорабатывать и совершенствовать. Этим и занимались долгие годы, а в 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе. Показанный тогда малый КПД и низкая тяга надолго отбили желание американской космической промышленности пользоваться такими двигателями.

В СССР разработки продолжались и после этого времени. И европейское, и американское космические агентства вернулись к этой идее. Сейчас исследования продолжаются, а выведенные на орбиту образцы двигателей, хоть и не могут быть главным тяговым элементом управления, но зато проходят ”проверку боем”. Собранная информация позволит увеличить мощность ионного двигателя. По разной информации, так удалось увеличить тягу самого мощного подобного двигателя более чем до 5 Н. Если это так, то все действительно не зря.

Модификации

Самым ярким отличием многих электростатических ионных двигателей является метод ионизации атомов ракетного топлива – бомбардировка электронами («NSTAR», «NEXT», «T5», «T6»), возбуждение радиочастотным излучением («RIT 10», «RIT 22», «N-RIT»), возбуждение микроволновым излучением («10», «20). С этим связана необходимость наличия в катоде и необходимость создания системы электроснабжения. Двигатели Кауфмана, как минимум, требуют наличия катода, анода и камеры, тогда как двигатели на радио- и микроволнах нуждаются в дополнительном генераторе радиоволн, но не требуют наличия анода и катода.

В сетчатых системах извлечения присутствуют небольшие отличия в плане геометрии сеток и использованных материалов, которые могут иметь косвенное значение для срока службы системы сеток.

Устройство и принцип работы холловского двигателя:

Холловский двигатель (двигатель на основе эффекта Холла) – это одна разновидностей электростатического ракетного двигателя, в котором используется эффект Холла. Двигатели на основе эффекта Холла используются на космических аппаратах с 1972 года.

В основе принципа работы данного двигателя лежит эффект Холла, открытый в 1879 г. Эдвином Холлом (Edwin H. Hall). Он заключается в том, что в проводнике, в котором созданы взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля, возникает электрический ток (называемый холловским) в направлении, перпендикулярном обоим этим полям. Иными словами, если электрическое и магнитное поля имеют направления соответственно по осям X и Y, то электрический (холловский) ток имеет направление вдоль оси Z.

Холловский двигатель состоит из кольцевой камеры. Иными словами, камера двигателя выполнена в форме кольца (цилиндра). С одной стороны в камеру подаётся рабочее тело, с другой стороны происходит истекание плазмы. Внутри двигателя располагается анод (положительный электрод), катод (отрицательный электрод) расположен снаружи двигателя. По внешней стороне кольца располагаются магниты.

Между анодом и катодом создается разность потенциалов. В кольцевую камеру подаётся рабочее тело (например, ксенон). Разряд между анодом и катодом ионизирует рабочее тело, отрывая электроны от нейтральных атомов газа. Под действием электростатического поля положительные ионы газа (плазма) разгоняются в осевом направлении – в направлении выходного отверстия цилиндрического двигателя. На выходе из двигателя происходит нейтрализация положительного заряда плазмы электронами, эмитируемыми с катода. Истечение положительных ионов из выходного отверстия создает тягу.

В радиальном направлении действует магнитная сила, которая в соответствии с эффектом Холла приводит к появлению электрического тока, движущегося в азимутальном направлении (т.е. вокруг центрального электрода, оси двигателя). Холловский ток создается движением электронов в электрическом и магнитном полях.

В холловском двигателе тяга создается также с помощью холловского тока, пересекающего радиальное магнитное поле. Их взаимодействие заставляет электроны обращаться вокруг оси двигателя. Эти электроны выбивают электроны из атомов ксенона, создавая ионы ксенона, которые осевое электрическое поле ускоряет в направлении выходного отверстия двигателя. Электроны холловского тока под действием силы Лоренца (возникающей в результате взаимодействия приложенного радиального магнитного поля с электрическим холловским током) создают дополнительную тягу и вырываются наружу в выходное отверстие вместе с положительными ионами.

Двигатель на основе эффекта Холла позволяет получить более высокую плотность тяги, более высокие значения расхода рабочего тела, и, как следствие, более высокую тягу двигателя, чем ионный двигатель, поскольку в истекающем потоке содержатся и положительные ионы, и электроны, что предотвращает накопление объемного заряда, уменьшающего напряженность ускоряющего электрического поля.

В зависимости от располагаемой мощности скорости истечения рабочего тела могут составлять от 10 до 50 км/с.