Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Электростатический ионный двигатель-ru.svg

С координатной привязкой ионный двигатель является общим конструкция для ионных двигателей , высокоэффективный малой тяги двигательной космических аппаратов , работающих на электроэнергии. В этих конструкциях используются высоковольтные сеточные электроды для ускорения ионов с помощью электростатических сил.

История [ править ]

Ионный двигатель был впервые продемонстрирован немецким рожденного НАСА ученый Эрнст Стулингер , [1] и развитой в практической форме по Гарольд Р. Кауфман в НАСА Льюис (теперь Гленн) Научно - исследовательский центр с 1957 до начала 1960 - х годов.

Использование ионных силовых установок было впервые продемонстрировано в космосе НАСА Льюис « Испытание космической электрической ракеты» (SERT) I и II. [2] В этих двигателях в качестве реакционной массы использовалась ртуть. Первым из них был СЕРТ-1 , запущенный 20 июля 1964 года, который успешно доказал, что технология работает, как и предполагалось в космосе. Второе испытание, SERT-II, начатое 3 февраля 1970 г. [3] [4], подтвердило работу двух двигателей с ионами ртути в течение тысяч часов работы. [5] Несмотря на демонстрацию в 1960-х и 70-х годах, они редко использовались до конца 1990-х годов.

НАСА Гленн продолжало разрабатывать электростатические сеточные ионные двигатели в течение 1980-х годов, разрабатывая двигатель NASA Solar Technology Application Readiness (NSTAR), который успешно использовался на зонде Deep Space 1 , первой миссии, совершившей полет по межпланетной траектории с использованием электрической тяги в качестве основного. двигательная установка. В настоящее время он выполняет миссию по астероиду " Рассвет" . Компания Hughes Aircraft Company (ныне L-3 ETI) разработала XIPS (Xenon Ion Propulsion System) для поддержания станции на своих геосинхронных спутниках (летают более 100 двигателей). НАСА в настоящее время работает над электростатическим ионным двигателем мощностью 20-50 кВт под названием HiPEP, который будет иметь более высокий КПД.удельный импульс и более длительный срок службы, чем у NSTAR. Недавно компания Aerojet завершила испытания прототипа ионного двигателя NEXT . [6]

Начиная с 1970-х годов, ионные радиочастотные двигатели были разработаны в Университете Гиссена и ArianeGroup . Двигатели RIT-10 летают на самолетах EURECA и ARTEMIS . Компания Qinetiq (Великобритания) разработала двигатели T5 и T6 (типа Kaufman), используемые в миссии GOCE (T5) и миссии BepiColombo (T6). Из Японии µ10, используя микроволны, прилетел на миссию Хаябуса .

Метод работы [ править ]

Атомы топлива вводятся в разрядную камеру и ионизируются электронной бомбардировкой, образуя плазму. Есть несколько способов получения энергичных электронов для разряда: электроны могут быть эмитированы из полого катода.и ускоряется разностью потенциалов с анодом; электроны могут быть ускорены осциллирующим электрическим полем, индуцированным переменным электромагнитом, что приводит к самоподдерживающемуся разряду без какого-либо катода (радиочастотный ионный двигатель); и микроволновое нагревание. Положительно заряженные ионы диффундируют к вытяжной системе камеры (2 или 3 многоапертурные решетки). После того, как ионы попадают в плазменную оболочку в отверстии сетки, они ускоряются разностью потенциалов между первой и второй сетками (называемыми сетками экрана и ускорителя соответственно). Ионы направляются через отверстия для извлечения мощным электрическим полем. Конечная энергия ионов определяется потенциалом плазмы, который обычно немного превышает напряжение экранных сеток.

Отрицательное напряжение на сетке ускорителя предотвращает попадание электронов из пучковой плазмы вне двигателя малой тяги обратно в плазму разряда. Это может выйти из строя из-за недостаточного отрицательного потенциала в сети, что является обычным окончанием срока службы ионных двигателей. Выброшенные ионы двигают космический корабль в противоположном направлении согласно 3-му закону Ньютона . Электроны с более низкой энергией испускаются с отдельного катода, называемого нейтрализатором, в ионный пучок, чтобы гарантировать выброс равных количеств положительного и отрицательного заряда. Нейтрализация необходима для предотвращения накопления космического корабля отрицательного заряда, который притягивал бы ионы обратно к космическому кораблю и нейтрализовал бы тягу.

Производительность [ править ]

Ионная оптика постоянно подвергается бомбардировке небольшим количеством вторичных ионов и разрушается или изнашивается, что снижает эффективность и срок службы двигателя. Ионные двигатели должны работать эффективно и непрерывно в течение многих лет. Для уменьшения эрозии использовалось несколько методов; Наиболее заметным был переход на другое топливо. Атомы ртути или цезия использовались в качестве топлива во время испытаний в 1960-х и 1970-х годах, но эти ракетные топлива прилипли к сеткам и разрушили их. С другой стороны, атомы ксенона гораздо менее агрессивны и стали предпочтительным топливом практически для всех типов ионных двигателей малой тяги. НАСА продемонстрировало непрерывную работу NSTARдвигателей на более чем 16000 часов (1,8 года), и все еще продолжаются испытания, чтобы продлить срок службы вдвое. Электростатические ионные двигатели также достигли удельного импульса 30–100 кН · с / кг, что лучше, чем у большинства других типов ионных двигателей. Электростатические ионные двигатели ускоряли ионы до скорости 100 км / с .

В январе 2006 года Европейское космическое агентство вместе с Австралийским национальным университетом объявило об успешном испытании усовершенствованного электростатического ионного двигателя Dual-Stage 4-Grid (DS4G), который показал скорость выхлопа 210 км / с., как сообщается, в четыре раза выше, чем было достигнуто ранее, с учетом удельного импульса, который в четыре раза выше. Обычные электростатические ионные двигатели имеют только две решетки, одну высоковольтную и одну низковольтную, которые выполняют как функции извлечения ионов, так и функции ускорения. Однако, когда разница зарядов между этими сетками достигает примерно 5 кВ, некоторые частицы, извлеченные из камеры, сталкиваются с сеткой низкого напряжения, разрушая ее и снижая долговечность двигателя. Это ограничение успешно обходится при использовании двух пар сеток. Первая пара работает при высоком напряжении, при этом разница напряжений между ними составляет около 3 кВ; Эта пара сеток отвечает за извлечение заряженных частиц топлива из газовой камеры. Вторая пара, работающая при низком напряжении,создает электрическое поле, которое ускоряет частицы наружу, создавая тягу. Другие преимущества нового двигателя включают более компактную конструкцию, позволяющую увеличивать его тягу, и более узкий, менее расходящийся выхлопной шлейф в 3 градуса, который, как сообщается, в пять раз уже, чем достигалось ранее. Это уменьшает количество топлива, необходимое для корректировки ориентации космического корабля из-за небольших неопределенностей в направлении вектора тяги.Это уменьшает количество топлива, необходимое для корректировки ориентации космического корабля из-за небольших неопределенностей в направлении вектора тяги.Это уменьшает количество топлива, необходимое для корректировки ориентации космического корабля из-за небольших неопределенностей в направлении вектора тяги.[7]

Варианты [ править ]

Самым большим отличием многих электростатических ионных двигателей является метод ионизации атомов топлива - электронная бомбардировка (NSTAR, NEXT, T5, T6), радиочастотное (ВЧ) возбуждение (RIT 10, RIT 22, μN-RIT), микроволновое возбуждение ( µ10, µ20). С этим связана потребность в катоде и требуемые усилия для источников питания. Двигатели типа Кауфмана требуют как минимум питания катода, анода и камеры. Для ВЧ- и СВЧ-типов требуется дополнительный ВЧ-генератор, но нет источников питания для анода или катода.

В системах вытяжной сетки незначительные различия возникают в геометрии сетки и используемых материалах. Это может иметь последствия для срока службы энергосистемы.

См. Также [ править ]

  • Список статей по плазме (физике)
  • Электроэнергетическая двигательная установка космического корабля
  • Ионный двигатель
  • Двухступенчатый 4-х сеточный

Ссылки [ править ]

  1. ^ Эрнст Стулингер, Ион Propulsion для космических полетов (McGraw-Hill, НьюЙорк, 1964).
  2. ^ JS Sovey, VK Rawlin и MJ Patterson, «Проекты разработки ионных двигателей в США: испытание космической электрической ракеты 1 - Deep Space 1», Journal of Propulsion and Power, Vol. 17 , № 3, май – июнь 2001 г., стр. 517-526.
  3. ^ НАСА Гленн, " SPACE ELECTRIC ROCKET TEST II (SERT II) Архивировано 27сентября 2011 г.на Wayback Machine (доступ к 1 июля 2010 г.).
  4. ^ SERT архивации 2010-10-25 в Вайбак Machine страницы в Astronautix (Достигано 1 июля 2010)
  5. ^ "Космические электрические ракетные испытания" . Архивировано из оригинала на 2011-09-27 . Проверено 1 июля 2010 .
  6. ^ Aerojet успешно завершает этапы производства и системной интеграции для программы NASA NEXT Ion Engine Development. Архивировано 30 мая 2006 г., на Wayback Machine.
  7. ^ ЕКА - портал ЕКА и АНА делает космическую двигательный прорыв

Внешние ссылки [ править ]

  • Aerojet (Редмонд, Вашингтон, США) - поставщик сетевых ионных двигателей
  • Ионный двигатель NSTAR
  • Технологии совершенствования ионной силовой установки (PDF)
  • Электрические подруливающие системы (PDF)
  • HiPEP
  • ЕКА и АНУ совершают прорыв в космических двигателях