Автоэмиссионная электрическая двигательная установка ( FEEP ) - это усовершенствованная концепция электростатической космической двигательной установки, разновидность ионного двигателя малой тяги , в котором в качестве топлива используется жидкий металл - обычно цезий , индий или ртуть .
Устройство FEEP состоит из эмиттера и ускорительного электрода. Между ними приложена разность потенциалов порядка 10 кВ, что создает сильное электрическое поле на кончике металлической поверхности. Взаимодействие электрической силы и поверхностного натяжения жидкого металла порождает поверхностную нестабильность, которая приводит к возникновению конусов Тейлора на поверхности жидкости. При достаточно высоких значениях приложенного поля ионы извлекаются из кончика конуса с помощью испарения поля или аналогичных механизмов, которые затем электрически ускоряются до высоких скоростей - обычно 100 км / с или более.
Из-за очень низкой тяги (в диапазоне от микроньютонов (мкН) до миллиньютонов (мН)) двигатели FEEP в основном используются для управления ориентацией в микрорадианах и микроньютонах на космических аппаратах , таких как научный космический корабль LISA Pathfinder ЕКА / НАСА . Двигатель FEEP также планировалось установить на космических кораблях Gravity Field и Steady-State Ocean Circulation Explorer [1], но вместо этого использовался ионный двигатель с решеткой . [2] Первым двигателем FEEP, работавшим в космосе, был IFM Nano Thruster, успешно введенный в эксплуатацию на низкой околоземной орбите в 2018 году. [3]
Основная концепция
Автоэмиссионное электрическое движение (FEEP) - это метод электростатического движения, основанный на полевой ионизации жидкого металла и последующем ускорении ионов сильным электрическим полем.
FEEP в настоящее время является объектом интереса научного сообщества из-за его уникальных характеристик: диапазон тяги от мкН до мН , возможность почти мгновенного включения / выключения и возможность дросселирования с высоким разрешением (лучше, чем одна часть из 10 4 ), что обеспечивает точную модуляцию тяги как в непрерывном, так и в импульсном режимах. [4] В настоящее время эта двигательная установка является базовой для научных миссий на борту спутников , не подверженных лобовому сопротивлению. Эта двигательная установка также была предложена для управления ориентацией и поддержания орбиты на коммерческих малых спутниках и группировках.
Отдельный источник электронов необходим, чтобы космический корабль оставался электрически нейтральным.
Жидкометаллическое топливо
Этот тип двигателя малой тяги может ускорять большое количество различных жидких металлов или сплавов. Наилучшие характеристики (с точки зрения эффективности тяги и соотношения мощности и тяги) могут быть получены при использовании щелочных металлов с высокой атомной массой, таких как цезий ( Cs , 133 а.е.м.) и рубидий ( Rb , 85,5 а.е.м.). Эти пропелленты имеют низкий потенциал ионизации (3,87 эВ для Cs и 4,16 эВ для Rb), низкую температуру плавления (28,7 ° C для Cs и 38,9 ° C для Rb) и очень хорошую смачивающую способность.
Эти особенности приводят к низким потерям мощности из-за ионизации и нагрева, а также к способности использовать капиллярные силы для целей питания, т. Е. Не требуются ни резервуары под давлением, ни клапаны. Более того, щелочные металлы имеют наименьшее отношение к образованию ионизированных капель или многозарядных ионов, что обеспечивает наилучшую достижимую массовую эффективность. Фактическая тяга создается за счет истощения пучка, состоящего в основном из однократно ионизированных атомов цезия или рубидия, создаваемого полевым испарением на острие излучателя.
Ускоряющий электрод (ускоритель) размещается непосредственно перед эмиттером. Этот электрод состоит из металлической пластины (обычно из нержавеющей стали), на которой обработаны два острых лезвия. Когда требуется тяга, сильное электрическое поле создается за счет приложения большой разности напряжений между эмиттером и ускорителем. В этом случае свободная поверхность жидкого металла переходит в режим локальной нестабильности из-за комбинированного воздействия электростатической силы и поверхностного натяжения. Таким образом создается серия выступающих бугорков или «конусов Тейлора». Когда электрическое поле достигает значения порядка 10 9 В / м, атомы на вершине каспа спонтанно ионизируются, и ионная струя извлекается электрическим полем, в то время как электроны отбрасываются в объеме жидкости. Внешний источник электронов (нейтрализатор) обеспечивает отрицательные заряды для поддержания общей электрической нейтральности двигателя малой тяги.
Щелевой излучатель
Источники ионов жидких металлов (LMIS), основанные на полевой ионизации или полевом испарении, были представлены в конце 60-х годов и быстро получили широкое распространение в качестве простых и дешевых источников ионов для ряда приложений. В частности, использование LMIS для галлия, индия, щелочных металлов или сплавов было стандартной практикой в масс-спектрометрии вторичных ионов (SIMS) с 70-х годов.
Хотя существуют разные конфигурации полевого эмиттера, такие как игольчатый, капиллярный и щелевой эмиттеры, принцип работы во всех случаях один и тот же. В щелевом эмиттере, например, жидкометаллическое топливо подается капиллярными силами через узкий канал. Излучатель состоит из двух одинаковых половинок из нержавеющей стали, скрепленных или скрепленных вместе. Слой никеля, напыленный на одну из половин эмиттера, очерчивает желаемый контур канала и определяет высоту канала (она же высота щели, обычно 1-2 мкм ) и ширину канала (она же длина щели , которая колеблется от 1 мм до примерно 7 мм). см). Канал заканчивается на острие эмиттера, образованном острыми краями, расположенными напротив отрицательного или ускорительного электрода и отделенными небольшим зазором (около 0,6 мм) от острия эмиттера. Между двумя электродами прикладывается вытяжное напряжение. Эмиттер имеет положительный потенциал, а ускоритель - отрицательный. Электрическое поле, создаваемое между излучателем и ускорителем, теперь действует на жидкометаллическое топливо.
Узкая ширина щели не только обеспечивает капиллярную подачу, но и в сочетании с острыми краями канала прямо напротив ускорителя также обеспечивает получение высокой напряженности электрического поля вблизи выхода из щели. Столб жидкого металла под действием этого электрического поля начинает деформироваться, образуя выступы (конусы Тейлора), которые выступают из поверхности жидкости. Поскольку жидкие каспы образуют все более острые конусы из-за действия электрического поля, местная напряженность электрического поля вблизи этих каспов усиливается. Как только достигается локальная напряженность электрического поля около 10 9 В / м, электроны отрываются от атомов металла. Эти электроны собираются через столб жидкого металла стенками канала, а положительные ионы ускоряются от жидкости через зазор в отрицательном электроде ускорителя тем же электрическим полем, которое их создавало.
Щелевые излучатели были разработаны для увеличения излучающей области двигателя малой тяги, чтобы обеспечить более высокие уровни тяги и избежать нерегулярного поведения, наблюдаемого для одиночных излучателей. Существенное преимущество щелевых излучателей перед набором игл заключается в саморегулирующемся механизме, регулирующем формирование и перераспределение участков излучения на поверхности жидкого металла в соответствии с рабочими параметрами; в случае набора игл, расположенных друг над другом, конусы Тейлора, напротив, могут существовать только на фиксированных наконечниках, которые предварительно задают геометрическое расположение, которое может быть согласовано только с одним конкретным рабочим режимом.
Другой дизайн
Изготовлены щелевые излучатели с широким диапазоном ширины щели; в настоящее время доступны устройства с шириной щели от 2 мм до 7 см. Эти устройства с диапазоном тяги от 0,1 мкН до 2 мН работают с цезием или рубидием .
В 2017 году сообщалось о миниатюрной конструкции модуля FEEP с излучателем в форме короны, который вписывается в стандартное шасси CubeSat .
Конструкция FEEP с одним эмиттером на 0,5 мН коммерчески доступна [5], и разработка ее версии с массивом приближается к завершению, как и в 2018 году [6].
Рекомендации
- ^ Технико-экономическое обоснование FEEP (PDF) . Европейское космическое агентство (ЕКА) (Отчет).
- ^ «Исследователь гравитационного поля и стационарной циркуляции океана (GOCE)» (PDF) . Европейское космическое агентство (ЕКА) .
- ^ Крейчи, Дэвид. Демонстрация двигателя IFM nano FEEP на низкой околоземной орбите . ResearchGate (Отчет) . Проверено 27 марта 2019 .
- ^ Marcuccio, S .; Genovese, A .; Андренуччи, М. (сентябрь – октябрь 1998 г.). «Экспериментальные характеристики автоэмиссионных микродвигателей» (PDF) . Журнал движения и мощности . 14 (5): 774–781. Архивировано из оригинального (PDF) 20 мая 2013 года.
- ^ "IFM Nano Thruster для CubeSats 30 000 евро" . Магазин Cubesat .
- ^ «Нанодвигатель IFM 350 - IOD» . Европейское космическое агентство (ЕКА) .
Внешние ссылки
- «FEEP - Электродвигательная установка с полевой эмиссией» . Alta SpA . Архивировано из оригинала 7 июля 2011 года.
- «Подруливающие устройства FEEP» . Группа по динамике неравновесного газа и плазмы . Мичиганский университет . Архивировано из оригинального 21 февраля 2009 года.