Какая тяга у ионного двигателя

Принцип работы ионного двигателя

Почему мы никак не можем отказаться от ракетных двигателей на химическом топливе? Неужели нельзя ничего придумать что-то лучше, чем взрыв водорода или газа? Хорошая новость: есть другие ракетные двигатели, которые пока воспринимаются как фантастика. Электромагнитное поле этих двигателей ускоряет атомы, что позволяет космическим аппаратам двигаться несколько месяцев. Речь идет про ионные двигатели, которые уже используются на нескольких космических аппаратах, чтобы реализовать множество удивительных исследований Солнечной системы.

Ракета на химическом топливе действительно уже довольно примитивна: берем тонны жидкого или твердого топлива, поджигаем при помощи окислителя, а газы, которые образовались от взрыва, толкают корабль вперед – третий закон Ньютона в действии. Но тут есть одна проблема. Дело в газе, керосине, которые поднимают ракету в космос. Благодаря ракетным окислителям процесс горения длится и в космическом пространстве, где нет кислорода. Преимущество ракет в их способности быстро давать огромное количество энергии – то, что нужно для доставки тонн груза в космос. Но такие ракеты экономически не выгодны. Ракете-носителю «Falcon Heavy», весом 550 тонн, требуется 400 тонн топлива и окислителя. Первая ступень сгорает уже 162 секунды, а второй горит еще 397. В целом горение длится приблизительно 9,5 минут. Понятно, что такие расходы на топливо и быстрое его окончание, вынудили ученых искать другие способы ускорения, особенно в условиях космоса. На данный момент самым успешным проектом является ионный двигатель.

Когда вы разрабатываете ракету, большую роль играет скорость, с которой она выкидывает газы. Самая эффективная ракета на химическом топливе выкидывает газ со скоростью 5 км/с. В то же время, ионные двигатели скидывают отдельные атомы со скоростью 90 км/с. Что позволяет космическому аппарату развить большую скорость? КПД наилучших ракет на химическом топливе составляет всего 35%, а ионные двигатели имеют целые 90%. Но как именно они работают? Правда похожа на научную фантастику.

Вместо раскаленных газов ионные двигатели выкидывают ионы, т.е. молекулы, которые имеют электрический заряд, потому что потеряли или получили электрон. Ионные двигатели выкидывают положительно заряженные ионы, которые потеряли свои электроны. Как только вы получили ионы, их магнитное поле формирует поток, разгоняется и, в результате, возникает сильнейшая тяга. Но откуда они берутся, эти ионы?

Двигатели генерируют ионы при помощи плазмы в середине космического корабля. Газы, такие как, ксенон, атакуют нейтрально заряженные атомы. Столкновение атомов освобождает еще больше электронов, и топливо превращается в позитивно заряженные ионы. Этот плазменный «суп» из электронов и позитивных ионов, в сумме имеет нейтральный заряд. Размещение электронов в камере приводит к их дальнейшей ионизации. В то же время, позитивные ионы подаются сквозь сетку в задней части двигателя. Проходя через сетку под высоким напряжением, ионы ускоряются до 90 км/с. Каждая освобожденная ионизированная частица дает кораблю небольшой толчок. Вся система работает на солнечных батареях, что снижает общую массу корабля, потому что никаких других систем питания не требуется.

Проблема в том, что толчок от такого освобождения ионов, очень маленький. Тяга ионного двигателя измеряется в миллиньютонах, тысячных частиц Ньютона. Этого хватит, чтобы удержать в руках листок бумаги. Но двигатели будут работать в режиме ускорения дни, недели и даже месяцы, хотя в химической ракете уже давно закончилось бы топливо. Когда корабль выходит из зоны гравитации планеты, ионный двигатель кардинально меняет скорость.

NASA и другие различные агентства уже не единожды использовали ионные двигатели на практике. Концепцию двигателя разрабатывали десятилетиями, но не рисковали проверить его на практике, потому что ошибка поставила бы крест на этих разработках. Однако, NASA осмелилась и использовала уйму рискованных технологий в миссии «Deep Space 1», которая стартовала в 1998 году. «Deep Space 1» состоял из 12 разнообразных технологий, которые хотели протестировать в NASA: низкочастотная электроника, концентратор солнечной энергии, различное научное оборудование и солнечный ракетный электродвигатель.

Двигатель работал очень долго, что позволило вблизи досконально изучить астероиды, кометы и даже Марс. NASA в 2 раза улучшила технологии, использовавшиеся на «Deep Space 1», и оборудовала миссию «Dawn» тремя резервными ионными двигателями. Это позволило кораблю выйти на орбиту астероида Веста, произвести необходимые исследования, покинуть орбиту и отправиться к астероиду Церера, произведя там еще несколько исследований.

Ионными двигателями пользовались, чтобы вывести космический корабль «Smart-1» с земной на лунную орбиту. Ими был оснащен японский космический корабль «Хаябуса». Исследования показали, что ионные двигатели могут беспрерывно работать около 5 лет. Благодаря этим успехам, мы скоро увидим еще больше космических аппаратов на ионных двигателях. К тому же, эти двигатели постоянно усовершенствуются.

Как было сказано раньше, ионные двигатели имеют маленькую тягу, но уже есть идеи относительно ее увеличения. Первая предлагает значительно увеличить количество электроэнергии для ускорения ионов. В NASA рассматривали создание ионного двигателя на ядерном реакторе вместо солнечных батарей. В одном из экспериментов, аппарат был оборудован ядерным двигателем на ксеноне. Целью исследований были все большие ледовые спутники Юпитера: Ганимед, Каллисто, Европа. Этот космический корабль должны были запустить на орбиту Земли тремя отдельными частями, и, после состыковки на орбите, отправить на Юпитер. На корабле должны были установить 8 ионных двигателей, чтобы в течение 3 месяцев исследовать Каллисто, еще 3 месяца Ганимед, и потом вывести корабль на орбиту Европы. А если будут благоприятные условия, то изучить еще и Ио. Но… что-то пошло не так и в 2005 году миссию отменили.

Читайте также:  Технические характеристики двигателей mitsubishi outlander

Развитие ионных двигателей продолжается и сегодня. На данный момент, NASA тестирует двигатель высокой тяги Х3. Это двигатель на эффекте Холла, имеющий большую тягу (5,4 ньютона). Достаточно скромно, но не забывайте, что раньше исчисление было в миллиньютонах. Развив эту технологию до максимума, можно отправить астронавтов на Марс, сокративши время миссии до нескольких месяцев. Инженеры будут тестировать Х3 на протяжении 100 часов, чтобы проверить, выдержит ли он долговременную работу, как меньшие ионные двигатели.

А недавно был слух, что Европейское Космическое агентство протестировало ионный двигатель, который работает на воздухе. Инженеры предлагают полностью отказаться от топлива, вместо этого на низкой орбите космический корабль будет втягивать молекулы воздуха прямо с верхних слоев атмосферы, а потом будет ионизировать их и выкидывать их обратно в пространство. Учитывая, что корабль будет иметь безлимитный запас солнечной энергии, а топливо будет генерироваться прямо из атмосферы, он сможет очень долго работать без дозаправки. Космические корабли смогут функционировать на нижней высоте, а космические станции пребывать на низкой земной орбите без дозаправки. Это может кардинально изменить правила игры не только на Земле, но и на Марсе, Венере или Титане, везде, где есть атмосфера. Ионные двигатели уже внесли свой вклад в исследование космоса, а через несколько лет ими будут оснащены еще больше миссий. Вероятно, именно эти двигатели в ближайшее десятилетие доставят астронавтов на Марс.

Источник

Ионный двигатель: невероятная скорость уже в наши дни

Ионный двигатель создает возможность разогнать космический аппарат в условиях невесомости до скоростей, которые и не снились жидкостным и химическим реактивным двигателям.

Этот двигатель основан на создании реактивной тяги ионизированного газа, разогнанного до невероятных скоростей в электрическом поле. Устройство такого двигателя описал русский ученый К.Э. Циолковский в 1906 г. В дальнейшем его теория дорабатывалась и уточнялась. Теперь она находит практическое применение на орбите.

Ионный двигатель работает, используя ионизированный газ и электричество. Рабочим телом, как правило, является ионизированный инертный газ (аргон, ксенон), иногда и ртуть. Газ подается в ионизирующую камеру двигателя, где нейтральные молекулы становятся положительно заряженными ионами. Зажигание двигателя начинается с кратковременной подачи электронов , выбрасываемых в ионизирующую камеру. Для «отсеивания» электронов в камере устанавливается трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны. Положительные ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2 или 3 положительно-заряженной и отрицательно-заряженной сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней и -225 на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, сообщая тягу космическому кораблю. Электроны, пойманные в катодную трубку, выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу.

Для выработки электричества в настоящее время используются солнечные батареи, но в дальнейшем планируется использовать термоядерные установки, которые быстрее появятся в космосе чем на земле. Отдельно про термоядерные двигатели читайте в этой статье .

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

Итак, преимущества ионного двигателя:

– потенциально высокая конечная скорость разгоняемого крейсера Аврора космического челнока;

– большой удельный импульс. У ионного двигателя он самый высокий из всех существующих двигателей, так как на свою мощность он тратит сопоставимо мало топлива, в отличие от тех же жидкостных движков.

– для функционирования ионного двигателя достаточно небольшой электрической мощности – от 150 до 500 Ватт. Двигатели мощностью от 150 до 500 Ватт могут быть установлены на малые космические аппараты,

низкая рабочая температура в отличии от обычных реактивных двигателей,

– рабочее тело не требует высокой степени очистки, чего не скажешь о керосине для ЖРД.

– простота конструкции, ремонтопригодность

– ионный двигатель позволит увеличить срок эксплуатации космических аппаратов в 2-3 и более раза,

– для путешествия на Марс (и обратно) достаточно ионного двигателя мощностью порядка 50 кВт.

Перспективы: когда полетим в дальние дали?

Применение ионных двигателей в космических аппаратах открывает новые перспективы развития космонавтики, в частности, запускаемых космических аппаратов. Современные перспективы таковы, что доля запускаемых тяжелых космических аппаратов массой больше 1 тонны неуклонно снижается и составляет не более 30% от всех запусков. Все более востребованными становятся малые космические аппараты весом от 100 кг до 500 кг, находящиеся на низкой околоземной орбите до 1000 км и функционирующие в течение 5-10 лет. К малым космическим аппаратам относятся спутники и системы мобильной связи и радионавигации, мониторинга Земли, атмосферы и околоземного космического пространства.

Ионные двигатели в ближайшем будущем позволят заменить двигатели орбитального движения малых космических аппаратов, что увеличит срок их эксплуатации в 2-3 раза и продлит срок их жизни до 5-10 лет.

В отдаленной перспективе планируется оснащать все, в том числе тяжелые, космические аппараты ионными двигателями, что позволит совершать путешествия к далеким планетам и звездам, пилотируемые экспедиции к планетам Солнечной системы, тяжелые транспортные перелеты. В данный момент ионные двигатели применяются для управления ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли.

С течением технической проработки концепции двигателя он сможет в ближайшем будущем заменить главный тяговый двигатель тяжелых космических аппаратов.

Характеристики электроракетных двигателей определяются не только скоростью истечения заряженных частиц, но и плотностью тяги — значением силы тяги , приходящимся на единицу площади отверстия, через которое эти частицы истекают. Возможности ионных и аналогичных электростатических двигателей ограничиваются объемным зарядом , который налагает очень низкий предел на достижимую плотность тяги. Дело в том, что по мере прохождения положительных ионов через электростатические сетки двигателя между ними неизбежно накапливается положительный заряд, который уменьшает напряженность электрического поля, ускоряющего ионы.

Читайте также:  Если нет компрессии в двигателе что с турбиной

Из-за этого тяга двигателя зонда Deep Space 1 эквивалентна примерно весу листа бумаги, что очень далеко от тяги двигателей в научно-фантастических фильмах вроде «Интерстеллар». Для разгона тонны веса с помощью такой силы от нуля до сотни при отсутствии сопротивления движению потребовалось бы более двух суток. В космическом вакууме, который не оказывает сопротивления, придать аппарату большую скорость способна даже очень слабая сила, если она действует достаточно долго.

Ионный, холловский и плазменный — три типа плазменных двигателей, уже нашедших практическое применение. За последние десятилетия исследователями предложено много перспективных вариантов. Разрабатываются двигатели, работающие в импульсном и в непрерывном режиме. В одних плазма создается с помощью электрического разряда между электродами, в других — индуктивным способом с помощью катушки или антенны. Различаются и механизмы ускорения плазмы: с использованием силы Лоренца, путем введения плазмы в создаваемые магнитным способом токовые слои, или с помощью бегущей электромагнитной волны. В одном из типов даже предполагается выбрасывать плазму через невидимые «ракетные сопла», создаваемые с помощью магнитных полей.

Черепаха все равно побеждает

Во всех случаях плазменные ракетные двигатели набирают скорость медленнее обычных. Тем не менее благодаря парадоксу «чем медленнее, тем быстрее» они позволяют достичь далеких целей в более короткий срок, так как в итоге разгоняют космический аппарат до скорости значительно большей, чем двигатели на химическом топливе при той же массе топлива. Это позволяет избежать траты времени на отклонения к телам, обеспечивающим эффект гравитационной пращи . Как в знаменитой истории о медлительной черепахе, которая в итоге обгоняет зайца, в длительных полетах, которыми будет наполнен наш век, «черепаха» все равно победит.

Еще больше интересных статей — подписывайся!

Источник

Ионная тяга: как человечество использует электрические двигатели для полетов в космос

Ионная тяга — это метод тяги, в котором для создания тяги космического корабля используются электрические, а не химические силы. Хотя ионные двигатели менее эффективны, чем химические, они более эффективны и могут использоваться непрерывно в течение длительных периодов, что делает их идеальными для миссий в дальнем космосе.

Ионный двигатель является если не самым перспективным электрическим космическим двигателем, то точно одним из самых используемых сегодня в отрасли.

Сейчас на околоземной орбите находятся тысячи искусственных спутников, выведенных туда гигантскими (или не очень) ракетами-носителями с мощными реактивными двигателями на химическом топливе. Пока человечество не смогло придумать альтернативу таким двигателям, поскольку для преодоления гравитации Земли и развития первой космической скорости необходима мощная тяга: ее могут дать только обычные двигатели.

При этом уже в космосе спутники используют другой тип двигателей — электрические. Самым используемым является ионный двигатель — устройство, принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.

Типы электрических и альтернативных двигателей:

  • Ионные и плазменные накопители

Тип реактивного двигателя, который использует электрическую энергию для получения тяги от топлива: ионизированного газа. Многие из таких спутников не имеют ракетные сопла.

Электродвигатели для космических кораблей могут быть сгруппированы в три семейства в зависимости от типа силы, используемой для ускорения ионов плазмы: электростатический (собственно, классический ионный двигатель), электротермический (в них электромагнитные поля используются для генерации плазмы, что приводит к повышению температуры топлива, а тепловая энергия, передаваемая газообразному топливу, преобразуется в кинетическую) и электромагнитный (или плазменный, тут ионы ускоряются путем воздействия электромагнитных полей, как правило, земного и искусственного у аппарата).

Это электрические двигатели, также использующие нехимическую энергию для своей работы, однако работающие по другим принципам, нежели ионные. Например, фотонный двигатель, позволяющий космическому кораблю перемещаться на энергии фотонов. Гипотетически так смогут работать космические аппараты, управляемые лазерными сигналами с Земли или Луны.

К этой же категории относятся эксперименты по созданию так называемого электродинамического троса, когда спутник может выбрасывать вокруг себя длинные металлические нити с разными электрическими зарядами.

Сейчас ученые разрабатывают еще несколько гипотетических видов двигателей, которые в будущем смогут давать энергию для движения космических спутников: вакуумный двигатель, двигатель внутренних радиочастот и устройство, которое будет брать энергию от полей самых маленьких частиц, например, бозонов. Работоспособность всех этих гипотез пока не доказана с точки зрения физики.

Первым человеком, который еще в 1911 году публично предложил идею создания ионного двигателя, стал российский и советский ученый, пионер космонавтики Константин Циолковский. При этом первый документ, в котором упоминается электрическая тяга для движения космических объектов, был за авторством другого пионера космонавтики, американского ученого Роберта Годдарда.

6 сентября 1906 года Годдард писал в своем дневнике, что сможет использовать энергию ионов для работы двигателей. Первые эксперименты с ионными двигателями были проведены Годдардом в Университете Кларка в 1916 году. В итоге ученый заявил, что сможет использовать их в полноценном формате только в условиях, приближенных к вакууму, тогда как в рамках тестирования их показывали при атмосферном давлении Земли.

Первый работающий ионный двигатель был построен инженером НАСА Горальдом Кауфманом только в 1959 году. В качестве топлива, в отличие от современных аналогичных двигателей, которые перерабатывают ионы газа ксенона, он использовал ртуть. Суборбитальные испытания двигателя прошли в 1964 году, когда в космос на ракете-разведчике был запущен научный зонд Sert 1 — первое в истории устройство, использующее конструкцию ионного двигателя в космосе. В 70-х годах США провели ряд повторных испытаний этой технологии.

Читайте также:  Электрическая схема запуска двигателя камаз

Принцип работы ионного двигателя

Ионные двигатели используют пучки ионов — электрически заряженных атомов или молекул — для создания тяги. Основным рабочим телом ионизации является газ, иногда ртуть. В ионизатор подается это топливо, после чего туда же запускают высокоэнергетические электроны. В этой камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. После этого в камеру вводят специальный фильтр, который притягивает к себе отрицательные электроны, тогда как положительные ионы притягиваются к ряду сеток с большой разницей электростатических потенциалов (+1090 В на внутренней против -225 В на внешней).

В результате такой мощной разницы ионы начинают разгоняться по кругу, пока не выбрасываются из устройства, ускоряя движение корабля. За ними выбрасываются и электроны, которые должны обезвредить ионы и не позволить им притягиваться обратно к двигателю.

Обычно источниками питания для ионных двигателей являются электрические солнечные панели. Однако в местах, куда солнечный свет не попадает, например, когда Земля закрывает Солнце, спутники могут использовать ядерную энергию. «Хайтек» подробно рассказывал о такой советской программе, спутники которой — с крошечными ядерными реакторами — до сих пор находятся на орбите захоронения Земли.

На сегодняшний день ионные двигатели необходимы спутникам, чтобы маневрировать в космосе, например, для изменения своего курса или уклонения от космического мусора. Существует также несколько проектов, предполагающих использование ионных двигателей для дальних космических путешествий.

Самый яркий пример использования ионных двигателей для дальних путешествий — автоматическая исследовательская миссия Dawn от НАСА. В сентябре 2007 года она была запущена для исследования астероида Веста и карликовой планеты Церера.

Dawn оборудована тремя ксеноновыми ионными двигателями NSTAR. Они установлены в нижней части аппарата: один вдоль оси, еще два — на передней и задней панелях. Принцип работы этих двигателей состоит в ускорении в электрическом поле ионов ксенонового топлива. Двигатели длиной в 33 см, диаметром сопла в 30 см и массой 8,9 кг разгоняют атомы до скорости в десять раз выше, чем могут это сделать современные химические двигатели. Ускорение и торможение обеспечивается за счет установленных на борту Dawn солнечных батарей и уровня подачи топлива.

Для полета Dawn было необходимо всего 3,25 мг топлива в секунду. Из 425 кг рабочего тела (ксенона), имеющегося на борту, на полет Земля — Веста предполагалось израсходовать 275 кг, на полет Веста — Церера — 110 кг.

Миссия Dawn стала не только одной из самых энергоэффективных в истории космонавтики, но и установила несколько рекордов скорости. 5 июня 2016 года — спустя девять лет после запуска — станция Dawn разогналась до 39 900 км/час (11,1 км/с).

1 ноября 2018 года НАСА официально закончила миссию Dawn, поскольку ионные двигатели полностью выработали топливо. Последние несколько лет инженеры НАСА занимаются разработкой новых двигателей, рассчитанных на увеличенное количество ксенона. В этих разработках пока есть сложность, поскольку увеличение веса станции за счет топлива негативно сказывается как на скорости передвижения аппарата, так и на дальности полета.

Еще одним космическим аппаратом, который использует ионные двигатели для дальних полетов, стала японская исследовательская станция по изучению астероида Рюгу «Хаябуса-2». Зонд, на котором установлены четыре ионных двигателя IES, может менять направление полета за счет этих двигателей. Они могут поворачиваться в разные стороны, но за счет электромеханической системы, питающейся от солнечных батарей. При этом ксенон массой в 73 кг хранится в 51-литровом топливном баке: такую конфигурацию удалось получить за счет того, что этот газ в полтора раза плотнее воды, и, соответственно, занимает меньше места.

Пока космические агентства исследуют возможное применение ионных двигателей в будущем. НАСА запланировало даже установить ионный двигатель нового поколения ISS Vasimr на МКС. Однако в 2015 году отменило этот проект, заявив, что пока «МКС не является идеальной демонстрационной площадкой для работы двигателей такого типа». Дело в том, что Vasimr должен был стать первым полноценным электротермическим ракетным двигателем, который позволил бы создавать тягу, аналогичную химическим двигателям. Это позволило бы в будущем использовать его даже для запусков ракет-носителей с Земли.

НАСА пришло к решению отменить тестирование Vasimr, поскольку ученые до конца не смогли найти источник энергии, на котором бы работал этот двигатель. Самым перспективным источником энергии могла стать термоядерная установка, однако ее использование на МКС могло быть небезопасной.

Из-за этого сейчас ионные двигатели продолжают рассматриваться в основном в качестве дополнительных двигателей на различных спутниках, с помощью которых зонды смогут совершать маневры в космосе. Другим перспективным направлением для использования двигателей такого типа может стать космическая уборка. На орбите Земли с каждым годом появляется все больше космического мусора, а спутники с ионными двигателями могут стать идеальным решением этой проблемы. опубликовано econet.ru

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:

Источник

Adblock
detector