Устройство работы ионного двигателя

Как работает ионный двигатель и где он применяется

Ученые уже придумали или готовятся придумать много новых типов двигателей для космических кораблей. Самые смелые предположения даже говорят про варп-двигатель, который должен разгонять корабль до скоростей, в несколько раз превышающих скорость света за счет искривления пространства в мощном гравитационном поле. Пока это только фантастика, которая скоро может стать перспективой. Зато ионные двигатели уже существуют и даже применяются. Они уже на данном этапе могут развивать скорости в несколько раз выше тех, что предлагают традиционные ракетные двигатели. Правда, они не могут отправить ракету в космос. Вот такие противоречия. Но как же тогда работает ионный двигатель и почему на данном этапе это действительно является технологией будущего?

Такой двигатель может разгоняться до очень больших скоростей.

Содержание

Принцип ионного двигателя довольно давно известен и широко представлен в фантастической литературе, компьютерных играх и кинематографе, но для космонавтики стал доступен только в последнее время.

В 1960 году был построен первый функционирующий широко-лучевой (broad-beam) ионный электростатический двигатель (создан в США в NASA Lewis Research Center). В 1964 году — первая успешная суборбитальная демонстрация ионного двигателя (SERT I) тест на выполнимость нейтрализации ионного луча в космосе.

В 1970 году — испытание на длительную работу ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II). С 1970-х годов ионные двигатели на эффекте Холла использовались в СССР в качестве навигационных двигателей (двигатели СПД-60 использовались в 1970-х годах на «Метеорах», СПД-70 на спутниках «Космос» и «Луч» в 1980-х, СПД-100 в ряде спутников в 1990-х). [1]

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

Следующим аппаратом NASA, обладающим маршевыми ионными двигателями, стала (после ряда замораживаний и возобновления работ) АМС Dawn, которая стартовала 27 сентября 2007 года. Dawn предназначается для изучения Весты и Цереры, и несет 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 сверх-низкую околоземную орбиту высотой всего около 260 км. Ионный двигатель создаёт в постоянном режиме импульс, компенсирующий атмосферное трение и другие негравитационные воздействия на спутник.

[править] Принцип действия

Принцип работы двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. При этом, благодаря высокому отношению заряда к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей (вплоть до 210 км/с [3] 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 [1] .

Недостатки ионных двигателей

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

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

Получается, что использование таких двигателей для дальних путешествий пока невозможно без традиционных тяговых установок на химическом топливе. Зато, их совместное использование позволит гораздо более гибко пользоваться ускорением. Например, за счет обычного двигателя разгонять аппарат до более менее высокой скорости, а потом ускоряться еще больше за счет ионного двигателя.

Покорение дальнего космоса без новых технологий невозможно.

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

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

Техническое описание

Ионное топливо по существу состоит из трех элементов:

• источник ионов, то есть устройство ионизации, позволяющее отделить ионы от электронов. Основная цель — получить образование больших количеств ионов с однородным зарядом благодаря различным процессам:
  • контактная ионизация;
  • электрическая дуга ;
  • или высокочастотнаяиндукция ;
• ускоряющая и фокусирующая часть: ускоряет и формирует образующийся пучок ионов;
• система нейтрализации: полые катоды, позволяющие рекомбинировать электроны и ионы, чтобы предотвратить появление электрического заряда на двигателе малой тяги и космической системе, с которой он связан (спутник, зонд и т. д.);

Основное топливо, которое можно использовать, — это цезий , натрий , литий , платина или ксенон . Имея характерный голубоватый цвет, последний чаще всего используется из-за своей химической нейтральности, в то время как натрий, например, разъедает двигатель.

Сущность, строение и принцип работы ионного двигателя:

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

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

Ионный двигатель работает, используя ионизированный газ и электричество .

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

Инертный газ подается в ионизатор (газоразрядную, ионизирующую камеру) ионного двигателя . Сам по себе газ нейтрален, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Зажигание двигателя инициируется кратковременной подачей электронов, эмитируемых в газоразрядную (ионизирующую) камеру. В ионизаторе высокоэнергетические электроны производят ионизацию рабочего тела – газа. Таким образом в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов.

Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны. Положительные же ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2 или 3 сеток (положительно-заряженной и отрицательно-заряженной). Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против -225 на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя космический аппарат, согласно третьему закону Ньютона. Электроны, пойманные в катодную трубку (нейтрализатор), выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов.

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

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

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

Миссии [ | ]

Действующие миссии [ | ]

• Starlink — проект компании Илона МаскаSpaceX 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 836 дней] .
• Artemis[15]
• 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 [15] . На аппарате работают самые мощные на сегодняшний день 4 ионных двигателя суммарной тягой 290 мН[19] .
• Тяньхэ — базовый модуль Китайской космической станции, запущенный 29 апреля 2021, имеет 4 ионных двигателя для коррекции орбиты [20] .

Завершённые миссии [ | ]

• SERT (англ. Space Electric Rocket Test, рус. Тест Космического Электрического Двигателя — программа NASA, в которой на спутниках впервые был использован ионный двигатель)
• Deep Space 1
• Hayabusa (вернулся на Землю 13 июня 2010 года)
• Smart 1 (завершил миссию 3 сентября 2006 года, после чего был сведён с орбиты)
• GOCE (после исчерпания запасов рабочего тела сошёл с орбиты)
• 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[21] . Поскольку доступная электрическая мощность на МКС меньше 200 кВт, проект ISS VASIMR включал в себя систему батарей, которая накапливала энергию для 15 минут работы двигателя.
• Solar Orbiter.

Нереализованные миссии [ | ]

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 от к Юпитеру в 2017 году, однако разработка этого аппарата была приостановлена в 2005 году из-за технических сложностей. В 2005 году программа была закрыта [22] . В настоящее время идёт поиск более простого проекта АМС для первого испытания по программе «Прометей» [23] .

Проект Джефри Лэндиса [ | ]

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