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

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.

Читайте так же:  Какой движитель доставит нас к планетам за пределами Солнечной системы?

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