Высокочастотный ионный электроракетный двигатель что это

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.

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.

Читайте также:  Какой двигатель лучше в honda integra

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

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.

Читайте также:  Причина звук двигатель ваз 2114

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.

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

Как работает ионный двигатель и где он применяется

Ученые уже придумали или готовятся придумать много новых типов двигателей для космических кораблей. Самые смелые предположения даже говорят про варп-двигатель, который должен разгонять корабль до скоростей, в несколько раз превышающих скорость света за счет искривления пространства в мощном гравитационном поле. Пока это только фантастика, которая скоро может стать перспективой. Зато ионные двигатели уже существуют и даже применяются. Они уже на данном этапе могут развивать скорости в несколько раз выше тех, что предлагают традиционные ракетные двигатели. Правда, они не могут отправить ракету в космос. Вот такие противоречия. Но как же тогда работает ионный двигатель и почему на данном этапе это действительно является технологией будущего?

Такой двигатель может разгоняться до очень больших скоростей.

Как работает ионный двигатель

Принцип работы ионного двигателя простой и сложный одновременно. Он заключается в ионизации газа, который разгоняется электростатическим полем для получения реактивной тяги и разгона космического корабля согласно третьему закону Ньютона.

Топливом или рабочим телом такого двигателя является ионизированный инертный газ (гелий, аргон, неон, ксенон, криптон, оганесон, радон). Впрочем, не все инертные газы стоит использовать в качестве топлива, поэтому, как правило, выбор ученых и исследователей падает на ксенон. Также рассматривается вариант использования ртути в качестве рабочего тела ионного двигателя

Во время работы двигателя в камере образуется смесь из отрицательных электронов и положительных ионов. Так как электроны являются побочным продуктом, их надо отфильтровать. Для этого в камеру вводится трубка с катодными сетками для того, чтобы она притягивала к себе электроны.

Положительные ионы, наоборот, притягиваются к системе извлечения. После чего разгоняются между сетками, разница электростатических потенциалов которых составляет примерно 1 200 Вольт, и выбрасываются в качестве реактивной струи в пространство.

Схематичное изображение работы ионного двигателя.

Электроны, которые попали в катодную ловушку, должны быть удалены с борта корабля, чтобы он сохранял нейтральный заряд, а выброшенные ионы не притягивались обратно, снижая эффективность установки. Выброс электронов осуществляется через отдельное сопло под небольшим углом к струе ионов. Таким образом, что произойдет в их взаимодействии после покидания двигателя, уже не так важно, ведь они не мешают движению корабля.

Читайте также:  Холодный запуск дизельного двигателя стук в двигателе

Преимущества ионного двигателя для космического корабля

Ионы на выходе из двигателя разгоняются до очень высоких скоростей. В своем максимуме они могут достигать 210 км/с. При этом, химические ракетные двигатели не способны достигать и 10 км/с, находясь в диапазоне 3-5 км/с.

В нашем Telegram-чате все говорят про варп-двигатель, но давайте сначала с ионным разберемся.

Возможность достижения большого удельного импульса позволяет очень сильно сократить расход реактивной массы ионизированного газа в сравнении с аналогичным показателем для традиционного химического топлива. А еще, ионный двигатель может непрерывно работать более трех лет. Энергия, которая нужна для ионизации топлива берется от солнечных батарей — в космосе с этим проблем нет.

Если спешить с ускорением некуда, то ионный двигатель станет отличным вариантом.

Недостатки ионных двигателей

Возможность продолжительной работы ионного двигателя очень важна, так как он не способен развивать высокую тягу и моментально разгонять корабль до больших скоростей. В нынешних реализациях тяга ионных двигателей с трудом достигает 100 миллиньютонов.

Из-за такой конструктивной особенности, как минимум пока, такой двигатель не дает возможности стартовать с другой планеты, даже если у нее очень маленькая гравитация.

Получается, что использование таких двигателей для дальних путешествий пока невозможно без традиционных тяговых установок на химическом топливе. Зато, их совместное использование позволит гораздо более гибко пользоваться ускорением. Например, за счет обычного двигателя разгонять аппарат до более менее высокой скорости, а потом ускоряться еще больше за счет ионного двигателя.

Покорение дальнего космоса без новых технологий невозможно.

По сути, малая тяга на данный момент является главным недостатком таких двигателей, но ученые работают в этом направлении и в перспективе повысят его мощность, так как определенного прогресса удалось добиться уже сейчас.

Еще одной, пусть и не такой существенной, проблемой является надежность. В целом ионные двигатели достаточно надежны, но надо понимать, что их задача заключается в том, чтобы унести аппарат очень далеко и очень быстро. То есть работать он должен долго, чтобы не ставить под удар всю миссию. Поэтому, пока идут работы над увеличением мощности, разработчики стараются не забывать и о надежности.

Где используются ионные двигатели

Вам могло показаться, что ионные двигатели существуют только на бумаге и в лабораториях, но это не так. Они уже использовались, как минимум, в семи завершившихся миссиях и используются минимум в четырех действующих.

В том числе такие двигатели используются в рамках миссии BepiColombo, запущенной 20 октября 2018 года. В этой меркурианской миссии используются 4 ионных двигателя суммарной мощностью 290 миллиньютонов. Кроме этого, аппарат оснащен и химическим двигателем. Оба они в сочетании с гравитационными маневрами должны обеспечить выход корабля на орбиту Меркурия в качестве искусственного спутника.

Космический аппарат BepiColombo.

Использованием этих двигателей не брезгует и Илон Маск в своей программе Starlink, за счет этих двигателей корабль должен совершать небольшие маневры и уклоняться от космического мусора.

Сейчас планируется доставка на МКС ионной тяговой установки, которая позволит управлять положением станции в автоматическом режиме. Ее мощность подобрана исходя из доступной электрической мощности станции. Для большей надежности планируется так же доставка батарей, которые обеспечат 15 минут автономной работы двигателя.

Астрономы открыли новый тип взрывов в космосе

Но самым необычным проектом был ”Прометей”. Корабль в рамках этого проекта планировалось отправить к Юпитеру со скорость 90 км/c. Ионный двигатель корабля должен бал работать от ядерного реактора, но из-за технических трудностей в 2005 году проект закрыли.

Когда изобрели ионный двигатель

При всей перспективности ионного двигателя, первый раз его концепцию предложил еще в 1917 году Роберт Годдард. Только спустя почти 40 лет Эрнст Штулингер сопроводил концепцию необходимыми расчетами.

В 1957 году вышла статья Алексея Морозова под названием ”Об ускорении плазмы магнитным полем”, в которой он описал все максимально подробно. Это и дало толчок к развитию технологии и уже в 1964 году на советском аппарате ”Зонд-2” стоял такой двигатель для маневров на орбите.

Первый аппарат в космосе с ионным двигателем.

По сути, ионный двигатель является первым электрическим космическим двигателем, но его надо было дорабатывать и совершенствовать. Этим и занимались долгие годы, а в 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе. Показанный тогда малый КПД и низкая тяга надолго отбили желание американской космической промышленности пользоваться такими двигателями.

Ученые поймали очередной сигнал из космоса, но теперь он регулярно повторяется

В СССР разработки продолжались и после этого времени. И европейское, и американское космические агентства вернулись к этой идее. Сейчас исследования продолжаются, а выведенные на орбиту образцы двигателей, хоть и не могут быть главным тяговым элементом управления, но зато проходят ”проверку боем”. Собранная информация позволит увеличить мощность ионного двигателя. По разной информации, так удалось увеличить тягу самого мощного подобного двигателя более чем до 5 Н. Если это так, то все действительно не зря.

Источник

Adblock
detector