Автоэмиссионная электрическая двигательная установка

Автоэмиссионная электрическая двигательная установка ( FEEP ) — это усовершенствованная концепция электростатического космического двигателя, разновидность ионного двигателя используется жидкий металл , в котором в качестве топлива — обычно цезий , индий или ртуть . ^{[ 1 ]}

Устройство ФЭЭП состоит из эмиттера и ускорительного электрода. Между ними прикладывается разность потенциалов порядка 10 кВ, которая создает сильное электрическое поле на кончике металлической поверхности. Взаимодействие электрической силы и поверхностного натяжения жидкого металла порождает поверхностную нестабильность, которая приводит к образованию конусов Тейлора на поверхности жидкости. ^{[ 2 ]} При достаточно высоких значениях приложенного поля ионы извлекаются из кончика конуса путем испарения поля или аналогичных механизмов, которые затем электрически ускоряются до высоких скоростей - обычно 100 км/с и более. Хотя скорость истечения ионов высока, их масса очень мала, что приводит к очень слабым силам ускорения. Их преимущество заключается в устойчивых силах ускорения в течение длительных периодов времени. ^{[ 3 ]}

Из-за очень низкой тяги (в диапазоне от микроньютона (мкН) до миллиньютона (мН)) двигатели FEEP в основном используются для управления ориентацией в микрорадианах и микроньютонах на космических кораблях , например, в научном космическом корабле LISA Pathfinder ЕКА / НАСА . Двигатель FEEP также планировалось установить на космические корабли Gravity Field и Steady-State Ocean Circulation Explorer . ^{[ 4 ]} но ионный двигатель Gridded . вместо этого использовался ^{[ 5 ]} Первым двигателем FEEP, работавшим в космосе, был IFM Nano Thruster, успешно введенный в эксплуатацию на низкой околоземной орбите в 2018 году. ^{[ 6 ]}

Основная концепция

Автоэмиссионная электрическая двигательная установка (FEEP) — это метод электростатического движения, основанный на полевой ионизации жидкого металла и последующем ускорении ионов сильным электрическим полем. Острые детали, такие как иглы, используются для усиления и концентрации силы этого электрического поля. Игла покрыта жидким металлом, что обеспечивает максимальное ускорение ионов. ^{[ 7 ]}

В настоящее время FEEP является объектом интереса научного сообщества из-за его уникальных характеристик: диапазон тяги от суб- мкН до мН , возможность практически мгновенного включения/выключения и дросселирующая способность с высоким разрешением (лучше, чем одна часть из 10). ⁴), что обеспечивает точную модуляцию тяги как в непрерывном, так и в импульсном режиме. ^{[ 8 ]} В настоящее время эта двигательная установка является базовой для научных миссий на борту спутников без сопротивления . Она также была предложена для управления ориентацией и поддержания орбиты на коммерческих малых спутниках и группировках.

Для поддержания электрической нейтральности космического корабля требуется отдельный источник электронов.

Жидкометаллическое топливо

Этот тип двигателя может ускорять большое количество различных жидких металлов или сплавов. Наилучшие характеристики (по эффективности тяги и удельной мощности) можно получить при использовании щелочных металлов с большим атомным весом, таких как цезий ( Cs , 133 а.е.м.) и рубидий ( Rb , 85,5 а.е.м.). Эти пороха имеют низкий потенциал ионизации (3,87 эВ для Cs и 4,16 эВ для Rb), низкую температуру плавления (28,7 °C для Cs и 38,9 °C для Rb) и очень хорошую смачивающую способность. ^{[ 9 ]}

Эти особенности приводят к низким потерям мощности из-за ионизации и нагрева, а также к возможности использовать капиллярные силы для подачи, т. е. не требуются ни резервуары под давлением, ни клапаны. Более того, щелочные металлы имеют наименьшую склонность к образованию ионизированных капель или многозарядных ионов, что приводит к максимально достижимой массовой эффективности. Фактическая тяга создается за счет истощения луча, состоящего в основном из однократно ионизированных атомов цезия или рубидия, создаваемого испарением в полевых условиях на кончике эмиттера.

Непосредственно перед эмиттером размещается ускоряющий электрод (ускоритель). Этот электрод состоит из металлической пластины (обычно из нержавеющей стали), на которой обработаны два острых лезвия. Когда требуется тяга, сильное электрическое поле создается за счет приложения высокой разницы напряжений между эмиттером и ускорителем. При этом условии свободная поверхность жидкого металла входит в режим локальной неустойчивости из-за совместного воздействия электростатической силы и поверхностного натяжения. Таким образом создается серия выступающих выступов или «конусов Тейлора». Когда электрическое поле достигает значения порядка 10 ⁹ В/м атомы на вершинах выступов самопроизвольно ионизируются, и электрическое поле вытягивает ионную струю, а электроны отбрасываются в объем жидкости. Внешний источник электронов (нейтрализатор) обеспечивает отрицательные заряды для поддержания глобальной электрической нейтральности узла двигателя.

Щелевой излучатель

Источники ионов жидких металлов (LMIS), основанные на полевой ионизации или полевом испарении, были представлены в конце 60-х годов и быстро получили широкое распространение как простые и дешевые источники ионов для ряда применений, а в 1972 году Европейское космическое агентство начало разработку электрической двигательной установки. система, основанная на принципе автоэмиссионной эмиссии с использованием источников ионов жидких металлов. ^{[ 10 ]} Использование LMIS, работающего на галлии, индии, щелочных металлах или сплавах, также является стандартной практикой в масс-спектрометрии вторичных ионов (SIMS) с 1970-х годов.

Хотя существуют различные конфигурации полевых эмиттеров, такие как игольчатые, капиллярные и щелевые эмиттеры, принцип работы во всех случаях один и тот же. Например, в щелевом излучателе жидкометаллическое топливо подается капиллярными силами через узкий канал. Эмиттер состоит из двух одинаковых половин, изготовленных из нержавеющей стали и скрепленных между собой зажимами или винтами. ^{[ 11 ]} Слой никеля, напыляемый на одну из половин эмиттера, очерчивает желаемый контур канала и определяет высоту канала (также называемую высотой щели, обычно 1–2 мкм ) и ширину канала (также называемую длиной щели , которая колеблется от 1 мм до примерно 7 мкм). см). ^{[ 11 ]} Канал заканчивается у острия эмиттера, образованного острыми кромками, расположенными напротив отрицательного, или ускорительного, электрода и отделенными небольшим зазором (около 0,6 мм) от острия эмиттера. Между двумя электродами подается извлекающее напряжение. Эмиттер имеет положительный потенциал, а ускоритель имеет отрицательный потенциал. Электрическое поле, создаваемое между эмиттером и ускорителем, теперь действует на жидкометаллическое топливо.

Узкая ширина щели не только обеспечивает капиллярную подачу, но в сочетании с острыми краями канала, расположенными непосредственно напротив ускорителя, также обеспечивает получение высокой напряженности электрического поля вблизи выхода щели. Столб жидкого металла под воздействием этого электрического поля начинает деформироваться, образуя выступы (конусы Тейлора), выступающие над поверхностью жидкости. Поскольку жидкие выступы под действием электрического поля образуют все более острые конусы, локальная напряженность электрического поля вблизи этих выступов усиливается. При локальной напряженности электрического поля около 10 ⁹ При достижении В/м электроны отрываются от атомов металла. Эти электроны собираются через столб жидкого металла стенками канала, а положительные ионы ускоряются от жидкости через зазор в отрицательном электроде ускорителя тем же электрическим полем, которое их создало.

Щелевые излучатели были разработаны для увеличения излучающей площади двигателя, чтобы обеспечить более высокие уровни тяги и избежать нерегулярного поведения, наблюдаемого для одиночных излучателей. Существенное преимущество щелевых излучателей перед пакетными иглами заключается в саморегулирующемся механизме формирования и перераспределения очагов излучения на поверхности жидкого металла в соответствии с режимными параметрами; в массиве со сложенными иглами, напротив, конусы Тейлора могут существовать только на фиксированных кончиках, которые заранее создают геометрическое расположение, которое может соответствовать только одному конкретному рабочему состоянию.

Другие конструкции

Изготовлены щелевые излучатели с самой разной шириной щели; в настоящее время доступны устройства с шириной щели от 2 мм до 7 см. Эти устройства, охватывающие диапазон усилий от 0,1 мкН до 2 мН , работают с цезием или рубидием .

о миниатюрной конструкции модуля FEEP с излучателем в форме короны, подходящей для стандартного шасси CubeSat В 2017 году сообщалось .

с одним эмиттером Конструкция FEEP 0,5 мН имеется в продаже. ^{[ 12 ]} и разработка его массивной версии близится к завершению, как и в 2018 году. ^{[ 13 ]}

Ссылки

^ Массотти, Л. (2021). Гравитационная миссия следующего поколения и квалификация двигателя mN-FEEP с питанием индием . Космический журнал CEAS. п. 2.
^ Басу, Сурав (2010). Аналитический обзор электрической двигательной установки космических спутников . ИНКАС. п. 7.
^ ДеФеличе, Дэвид (7 декабря 2004 г.). «НАСА – Ионное движение: дальше, быстрее, дешевле» . www.nasa.gov . Архивировано из оригинала 11 ноября 2020 года . Проверено 3 февраля 2023 г.
^ Технико-экономическое обоснование FEEP (PDF) . Европейское космическое агентство (ЕКА) (Отчет). Архивировано из оригинала (PDF) 14 марта 2004 года . Проверено 26 сентября 2018 г.
^ «Исследователь гравитационного поля и стационарной циркуляции океана (GOCE)» (PDF) . Европейское космическое агентство (ЕКА) . Архивировано из оригинала (PDF) 14 марта 2004 года . Проверено 26 сентября 2018 г.
^ Крейчи, Дэвид. Демонстрация двигателя IFM nano FEEP на низкой околоземной орбите . ResearchGate (Отчет) . Проверено 27 марта 2019 г.
^ Массотти, Л. (2021). Гравитационная миссия следующего поколения и квалификация двигателя mN-FEEP с питанием индием . Космический журнал CEAS. п. 7.
^ Маркуччо, С.; Дженовезе, А.; Андреуччи, М. (сентябрь – октябрь 1998 г.). «Экспериментальная работа автоэмиссионных микродвигателей» (PDF) . Журнал движения и мощности . 14 (5): 774–781. дои : 10.2514/2.5340 . Архивировано из оригинала (PDF) 20 мая 2013 года.
^ Крамида, А. (5 февраля 2023 г.). «База данных атомных спектров NIST (версия 5.10), [Онлайн]» . База данных атомных спектров NIST . Проверено 5 февраля 2023 г.
^ Миттерауэр, Дж. (1987). Жидкометаллические ионные гнезда в качестве двигателей для электрокосмических двигателей . Журнал физических конференций. п. 173.
^ Перейти обратно: ^а ^б Миттерауэр, Дж. (1987). Жидкометаллические ионные гнезда в качестве двигателей для электрокосмических двигателей . Журнал физических конференций. п. 172.
^ «IFM Nano Thruster для CubeSats, 30 000 евро» . Магазин Кубесат .
^ «Нанодвигатель IFM 350 - IOD» . Европейское космическое агентство (ЕКА) .

Внешние ссылки

«FEEP – Электроэнергетическая двигательная установка с автоэмиссией» . Альта С.П.А. Архивировано из оригинала 7 июля 2011 года.
«Двигатели ФЭЭП» . Группа динамики неравновесного газа и плазмы . Мичиганский университет . Архивировано из оригинала 21 февраля 2009 года.

[1] Массотти, Л. (2021). Гравитационная миссия следующего поколения и квалификация двигателя mN-FEEP с питанием индием . Космический журнал CEAS. п. 2.

[2] Басу, Сурав (2010). Аналитический обзор электрической двигательной установки космических спутников . ИНКАС. п. 7.

[3] ДеФеличе, Дэвид (7 декабря 2004 г.). «НАСА – Ионное движение: дальше, быстрее, дешевле» . www.nasa.gov . Архивировано из оригинала 11 ноября 2020 года . Проверено 3 февраля 2023 г.

[4] Технико-экономическое обоснование FEEP (PDF) . Европейское космическое агентство (ЕКА) (Отчет). Архивировано из оригинала (PDF) 14 марта 2004 года . Проверено 26 сентября 2018 г.

[5] «Исследователь гравитационного поля и стационарной циркуляции океана (GOCE)» (PDF) . Европейское космическое агентство (ЕКА) . Архивировано из оригинала (PDF) 14 марта 2004 года . Проверено 26 сентября 2018 г.

[6] Крейчи, Дэвид. Демонстрация двигателя IFM nano FEEP на низкой околоземной орбите . ResearchGate (Отчет) . Проверено 27 марта 2019 г.

[7] Массотти, Л. (2021). Гравитационная миссия следующего поколения и квалификация двигателя mN-FEEP с питанием индием . Космический журнал CEAS. п. 7.

[8] Маркуччо, С.; Дженовезе, А.; Андреуччи, М. (сентябрь – октябрь 1998 г.). «Экспериментальная работа автоэмиссионных микродвигателей» (PDF) . Журнал движения и мощности . 14 (5): 774–781. дои : 10.2514/2.5340 . Архивировано из оригинала (PDF) 20 мая 2013 года.

[9] Крамида, А. (5 февраля 2023 г.). «База данных атомных спектров NIST (версия 5.10), [Онлайн]» . База данных атомных спектров NIST . Проверено 5 февраля 2023 г.

[10] Миттерауэр, Дж. (1987). Жидкометаллические ионные гнезда в качестве двигателей для электрокосмических двигателей . Журнал физических конференций. п. 173.

[:0-11] Перейти обратно: ^а ^б Миттерауэр, Дж. (1987). Жидкометаллические ионные гнезда в качестве двигателей для электрокосмических двигателей . Журнал физических конференций. п. 172.

[12] «IFM Nano Thruster для CubeSats, 30 000 евро» . Магазин Кубесат .

[13] «Нанодвигатель IFM 350 - IOD» . Европейское космическое агентство (ЕКА) .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]