Ионный двигатель с сеткой

Ионный двигатель с сеткой – распространенный концепт ионных двигателей, представляющий собой высокоэффективный ракетный двигатель с малой тягой, работающий на электроэнергии. Эти концепты используют высоковольтные сетчатые электроды для ускорения ионов посредством электростатических сил.

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
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
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.

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
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.

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.

Ссылка на основную публикацию