Ионный двигатель с решеткой
Ионный двигатель с решеткой — это обычная конструкция ионных двигателей , высокоэффективного метода движения космического корабля с малой тягой , работающего на электрической энергии с использованием высоковольтных решетчатых электродов для ускорения ионов с помощью электростатических сил.
История
[ редактировать ]Ионный двигатель впервые продемонстрировал НАСА учёный немецкого происхождения Эрнст Штулингер . [1] и разработан в практической форме Гарольдом Р. Кауфманом в Исследовательском центре Льюиса (ныне Гленна) НАСА с 1957 по начало 1960-х годов.
Использование ионных двигательных установок было впервые продемонстрировано в космосе в рамках « Испытания космической электрической ракеты» Льюиса НАСА (SERT) I и II. [2] В этих двигателях в качестве реакционной массы использовалась ртуть. Первым был SERT-1 , запущенный 20 июля 1964 года, который успешно доказал, что технология работает в космосе так, как и предполагалось. Второе испытание, SERT-II, стартовало 3 февраля 1970 года. [3] [4] проверил работу двух ртутно-ионных двигателей в течение тысяч часов работы. [5] Однако, несмотря на демонстрации в 1960-х и 70-х годах, до конца 1990-х годов они использовались редко.
НАСА Гленн продолжало разрабатывать ионные двигатели с электростатической решеткой в 1980-е годы, разработав двигатель НАСА для обеспечения готовности к применению солнечных технологий (NSTAR), который успешно использовался на зонде Deep Space 1 , первой миссии, совершившей полет по межпланетной траектории с использованием электрической двигательной установки в качестве основной. толчок. Позже он совершил полет на астероид Dawn .
Компания Hughes Aircraft Company (ныне L-3 ETI) разработала XIPS ( Xenon Ion Propulsion System ) для выполнения удержания станции на своих геосинхронных спутниках (на которых летает более 100 двигателей). [ нужна ссылка ] НАСА в настоящее время [ нужны разъяснения ] работает над мощностью 20–50 кВт электростатическим ионным двигателем под названием HiPEP , который будет иметь более высокий КПД, удельный импульс и более длительный срок службы, чем NSTAR. [ нужна ссылка ]
В 2006 году Aerojet завершила испытания прототипа ионного двигателя NEXT . [6]
разрабатывались радиочастотные ионные двигатели Начиная с 1970-х годов в Гиссенском университете и компании ArianeGroup . Двигатели РИТ-10 летают на ЭВРИКА и АРТЕМИДА . Qinetiq (Великобритания) разработала двигатели T5 и T6 (типа Кауфмана), используемые в миссии GOCE (T5) и миссии BepiColombo (T6). Из Японии μ10, используя микроволны, прилетел в рамках миссии Хаябуса . [ нужна ссылка ]
В 2021 году DART представила ксеноново-ионный двигатель NEXT-C .
В 2021 году ThrustMe сообщила об изменении орбиты спутника с помощью своего йод-ионного двигателя NPT30-I2 . [7] [8] [9]
Метод работы
[ редактировать ]Атомы топлива впрыскиваются в разрядную камеру и ионизируются, образуя плазму.
Существует несколько способов получения электростатических ионов для разрядной камеры:
- бомбардировка электронами (типа Кауфмана) разностью потенциалов между полым катодом и анодом ( NSTAR , NEXT , T5, T6) двигатели
- радиочастотное (РЧ) колебание электрического поля, индуцированное переменным электромагнитом, которое приводит к самоподдерживающемуся разряду и исключает использование катода (RIT 10, RIT 22, двигатели µN-RIT)
- микроволновый нагрев (мк10, мк20)
С электростатическим методом производства ионов связана необходимость в катоде и требованиях к источнику питания. Двигатели электронной бомбардировки требуют как минимум источников питания катода, анода и камеры. ВЧ- и СВЧ-типы требуют дополнительного источника питания для ВЧ-генератора, но не требуют источников питания для анода или катода.
Положительно заряженные ионы диффундируют к системе экстракции камеры (2 или 3 многоапертурные решетки). После того, как ионы попадают в плазменную оболочку через отверстие сетки, они ускоряются за счет разности потенциалов между первой и второй сетками (называемыми экранной и ускорительной сетками соответственно). Ионы направляются через экстракционные отверстия под действием мощного электрического поля. Конечная энергия ионов определяется потенциалом плазмы, который обычно несколько превышает напряжение экранных сеток.
Отрицательное напряжение решетки ускорителя предотвращает обратный поток электронов плазмы пучка за пределами двигателя обратно в плазму разряда. Это может выйти из строя из-за недостаточного отрицательного потенциала в сети, что является частым окончанием срока службы ионных двигателей. Выброшенные ионы толкают космический корабль в противоположном направлении согласно третьему закону Ньютона .Электроны с более низкой энергией испускаются из отдельного катода, называемого нейтрализатором, в ионный пучок, чтобы гарантировать выброс одинакового количества положительного и отрицательного заряда. Нейтрализация необходима, чтобы предотвратить получение космическим кораблем чистого отрицательного заряда, который притягивал бы ионы обратно к космическому кораблю и компенсировал бы тягу.
Производительность
[ редактировать ]Долголетие
[ редактировать ]Ионная оптика постоянно подвергается бомбардировке небольшим количеством вторичных ионов и разрушается или изнашивается, что снижает эффективность и срок службы двигателя. Для уменьшения эрозии использовалось несколько методов; наиболее заметным был переход на другое топливо. Атомы ртути или цезия использовались в качестве топлива во время испытаний в 1960-х и 1970-х годах, но это топливо прилипло к решеткам и разрушило их. Атомы ксенона , с другой стороны, гораздо менее агрессивны и стали предпочтительным топливом практически для всех типов ионных двигателей. НАСА продемонстрировало непрерывную работу двигателя NSTAR более 16 000 часов (1,8 года) и двигателя NEXT более 48 000 часов (5,5 года). [10] [11]
В системах вытяжных решеток незначительные различия возникают в геометрии решетки и используемых материалах. Это может иметь последствия для срока эксплуатации энергосистемы.
Удельный импульс
[ редактировать ]Электростатические ионные двигатели также достигли удельного импульса 30–100 кН·с/кг, или от 3000 до 10 000 с, что лучше, чем у большинства других типов ионных двигателей. Электростатические ионные двигатели ускоряют ионы до скорости, достигающей 100 км/с .
Преимущества четырех сеток
[ редактировать ]В январе 2006 года Европейское космическое агентство совместно с Австралийским национальным университетом объявило об успешных испытаниях улучшенного электростатического ионного двигателя Dual-Stage 4-Grid (DS4G), который показал скорость выхлопа 210 скорость выхлопа 210 км/с. км/с , что, как сообщается, в четыре раза превышает выше, чем достигалось ранее, что позволяет получить удельный импульс в четыре раза выше. Обычные электростатические ионные двигатели имеют только две решетки, одну высоковольтную и одну низковольтную, которые выполняют функции как извлечения ионов, так и ускорения. Однако когда разница зарядов между этими сетками достигает примерно 5 кВ, некоторые частицы, извлеченные из камеры, сталкиваются с сеткой низкого напряжения, разрушая ее и ставя под угрозу долговечность двигателя. Это ограничение успешно обходится при использовании двух пар сеток. Первая пара работает под высоким напряжением, имея разность напряжений между ними около 3 кВ; эта пара решеток отвечает за извлечение заряженных частиц пороха из газовой камеры. Вторая пара, работающая при низком напряжении, создает электрическое поле, которое ускоряет частицы наружу, создавая тягу. Другие преимущества нового двигателя включают более компактную конструкцию, позволяющую масштабировать его до более высоких тяг, а также более узкий и менее расходящийся выхлопной шлейф в 3 градуса, что, как сообщается, в пять раз уже, чем достигалось ранее. Это уменьшает количество топлива, необходимого для корректировки ориентации космического корабля из-за небольших неопределенностей в направлении вектора тяги. [12]
См. также
[ редактировать ]- Двигательная установка космического корабля с электроприводом
- Ионный двигатель , есть сравнительная таблица с HET и т. д.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Рафальский Д.; Мартинес, Х.М.; Хабл, Л.; и др. (2021). «Демонстрация на орбите йодной электрической двигательной установки» . Природа . 599 (7885): 411–415. дои : 10.1038/s41586-021-04015-y . ISSN 1476-4687 . ПМК 8599014 . Охватывает детали конструкции, влияющие на производительность.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Эрнст Штулингер, Ионное движение для космических полетов (МакГроу-Хилл, Нью-Йорк, 1964).
- ^ Дж. С. Сови, В. К. Роулин и М. Дж. Паттерсон, «Проекты развития ионного движения в США: испытание космической электрической ракеты от 1 до глубокого космоса 1», Journal of Propulsion and Power, Vol. 17 , № 3, май – июнь 2001 г., стр. 517–526.
- ^ НАСА Гленн, « ИСПЫТАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ РАКЕТЫ II (SERT II). Архивировано 27 сентября 2011 г. на Wayback Machine (по состоянию на 1 июля 2010 г.).
- ^ SERT. Архивировано 25 октября 2010 г. на странице Wayback Machine в Astronautix (по состоянию на 1 июля 2010 г.).
- ^ «Испытание космической электрической ракеты» . Архивировано из оригинала 27 сентября 2011 г. Проверено 1 июля 2010 г.
- ↑ Aerojet успешно завершает этапы производства и системной интеграции для программы разработки ионного двигателя NEXT НАСА. Архивировано 30 мая 2006 г., в Wayback Machine.
- ^ «В первую очередь в космосе ученые испытывают ионные двигатели, работающие на йоде» .
- ^ Рафальский Дмитрий; Мартинес Мартинес, Хавьер; Хабл, Луи; Зорзоли Росси, Елена; Пройнов, Пламен; Боре, Антуан; Барет, Томас; Пойет, Антуан; Лафлер, Тревор; Дудин Станислав; Аанесланд, Ане (17 ноября 2021 г.). «Демонстрация на орбите йодной электрической двигательной установки» . Природа . 599 (7885): 411–415. Бибкод : 2021Natur.599..411R . дои : 10.1038/s41586-021-04015-y . ПМК 8599014 . ПМИД 34789903 .
И атомарные, и молекулярные ионы йода ускоряются с помощью высоковольтных сеток для создания тяги, а высококоллимированный луч может быть создан при существенной диссоциации йода.
- ^ «Йодный двигатель впервые в истории изменил орбиту небольшого спутника» . www.esa.int . Европейское космическое агентство. 22 января 2021 г. Проверено 29 ноября 2021 г.
Впервые телекоммуникационный спутник использовал йодное топливо для изменения своей орбиты вокруг Земли. Небольшое, но потенциально разрушительное нововведение могло бы помочь очистить небо от космического мусора, позволив крошечным спутникам дешево и легко самоуничтожиться в конце своей миссии, направляясь в атмосферу, где они сгорят.
- ^ Администратор НАСА (27 июня 2013 г.). «Двигатель НАСА достиг мирового рекорда за 5+ лет работы» . НАСА . Проверено 29 октября 2022 г.
- ^ «Ионный двигатель НАСА NEXT работает пять с половиной лет без остановок, чтобы установить новый рекорд» . Новый Атлас . 27 июня 2013 г. Проверено 29 октября 2022 г.
- ^ Портал ЕКА - ЕКА и ANU совершили прорыв в области космических двигателей.
