1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое ионный ракетный двигатель

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.

Ионный двигатель широко представлен в фантастической литературе, компьютерных играх и кинематографе (так в звёздных войнах экономичный ионный двигатель развивает скорость до трети световой и используется для перемещения в обычном пространстве на небольшие по космическим меркам расстояния — например в пределах планетарной системы [3] ), но для практической космонавтики стал доступен только во второй половине XX века. Реальный ионный двигатель по своим техническим характеристикам (и в первую очередь по силе тяги) значительно уступает своим литературным прообразам (так Эдгард Чуэйри образно сравнивает ионный двигатель с автомобилем, которому нужно двое суток для разгона с 0 до 100 км/ч) [1] .

Ионный двигатель является первым хорошо отработанным на практике типом электрического ракетного двигателя. Концепция ионного двигателя была выдвинута в 1917 году Робертом Годдардом [4] , а в 1954 году Эрнст Штулингер ru en детально описал эту технологию, сопроводив её необходимыми вычислениями [5] .

Первый функционирующий ионный электростатический двигатель (создан в США в NASA John H. Glenn Research Center at Lewis Field) был построен под руководством Гарольда Кауфмана ru en в 1959 году. В 1964 году прошла первая успешная демонстрация ионного двигателя в суборбитальном полёте (SERT I) [1] . Двигатель успешно работал в течение запланированной 31 минуты. В 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II) [6] .

В качестве основного (маршевого) двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1 (первый запуск двигателя — 10 ноября 1998 г.). Следующими аппаратами стали европейский лунный зонд Смарт-1, запущенный 28 сентября 2003 года [7] , и японский аппарат Хаябуса, запущенный к астероиду Итокава в мае 2003 года [1] .

Следующим аппаратом NASA, обладающим маршевыми ионными двигателями, стала (после ряда замораживаний и возобновления работ) АМС Dawn, которая стартовала 27 сентября 2007 года. Dawn предназначен для изучения Весты и Цереры и несёт три двигателя NSTAR, успешно испытанных на Deep Space 1 [1] .

Европейское Космическое Агентство установило ионный двигатель на борту спутника GOCE, запущенного 17 марта 2009 года на сверхнизкую околоземную орбиту высотой около 260 км. Ионный двигатель создаёт в постоянном режиме импульс, компенсирующий атмосферное трение и другие негравитационные воздействия на спутник [1] .

Содержание

  • 1 Принцип действия
  • 2 История
  • 3 Культура
  • 4 Миссии
    • 4.1 Действующие миссии
    • 4.2 Завершённые миссии
    • 4.3 Планируемые миссии
    • 4.4 Нереализованные миссии
    • 4.5 Проект Джефри Лэндиса
  • 5 См. также
  • 6 Примечания
  • 7 Литература
  • 8 Ссылки

Принцип работы двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. При этом, благодаря высокому отношению заряда к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей (вплоть до 210 км/с [6] , по сравнению с 3—4,5 км/с у химических ракетных двигателей). Таким образом, в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса. Это позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа по сравнению с расходом реактивной массы в химических ракетах, но требует больших затрат энергии. Технические характеристики ионного двигателя: потребляемая мощность 1—7 кВт, скорость истечения ионов 20—50 км/с, тяга 20—250 мН, КПД 60—80 %, время непрерывной работы более трёх лет. В существующих реализациях ионного двигателя в качестве источника энергии, необходимой для ионизации топлива, используются солнечные батареи. [1]

Читать еще:  Что такое swap комплект двигателя

Рабочим телом, как правило, является ионизированный инертный газ (аргон, ксенон и т. п.), но иногда и ртуть. В ионизатор подаётся топливо, которое само по себе нейтрально, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом, в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны. Положительные ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из двух или трёх сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 Вольт на внутренней против -225 Вольт на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона. Электроны, пойманные в катодную трубку, выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается, во-первых, для того, чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным, а во-вторых, чтобы ионы, «нейтрализованные» таким образом, не притягивались обратно к кораблю [1] .

Недостаток двигателя в его нынешних реализациях — очень слабая тяга (порядка 50—100 миллиньютонов). Таким образом, нет возможности использовать ионный двигатель для старта с планеты, но, с другой стороны, в условиях невесомости, при достаточно долгой работе двигателя, есть возможность разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих видов двигателей.

Ионный двигатель является первым хорошо отработанным на практике типом электрического ракетного двигателя. Концепция ионного двигателя была выдвинута в 1917 году Робертом Годдардом [7] , а в 1954 году Эрнст Штулингер ru en детально описал эту технологию, сопроводив её необходимыми вычислениями [8] .

В 1955 году Алексей Иванович Морозов написал, а в 1957 году опубликовал в ЖЭТФ статью «Об ускорении плазмы магнитным полем» [9] [10] . Это дало толчок к исследованиям, и уже в 1964 году на советском аппарате «Зонд-2» первым таким устройством, выведенным в космос, стал плазменно-эрозионный двигатель конструкции А. М. Андрианова. Он работал в качестве двигателя ориентации с питанием от солнечных батарей [11] .

Первый американский функционирующий ионный электростатический двигатель (создан в США в НАСА John H. Glenn Research Center at Lewis Field) был построен под руководством Гарольда Кауфмана ru en в 1959 году. В 1964 году прошла первая успешная демонстрация ионного двигателя в суборбитальном полёте (SERT-1) [1] . Двигатель успешно работал в течение запланированной 31 минуты. В 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II) [12] . Малая тяга и низкий КПД надолго отвадили американских конструкторов от применения электрических и ионных двигателей.

Тем временем в Советском Союзе продолжалась разработка и улучшались характеристики. Были разработаны и применялись различные типы ионных двигателей на различных типах космических аппаратов. Двигатели СПД-25 тягой 25 миллиньютон, СПД-100 [13] , и другие серийно устанавливались на советские спутники с 1982 года [14] .

В качестве основного (маршевого) двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1 (первый запуск двигателя — 10 ноября 1998 г.). Следующими аппаратами стали европейский лунный зонд Смарт-1, запущенный 28 сентября 2003 года [15] , и японский аппарат Хаябуса, запущенный к астероиду Итокава в мае 2003 года [1] .

Следующим аппаратом НАСА, обладающим маршевыми ионными двигателями, стала (после ряда замораживаний и возобновления работ) АМС Dawn, которая стартовала 27 сентября 2007 года. Dawn предназначен для изучения Весты и Цереры и несёт три двигателя NSTAR, успешно испытанных на Deep Space 1 [1] .

Читать еще:  Что такое двигатель мри

Европейское Космическое Агентство установило ионный двигатель на борту спутника GOCE, запущенного 17 марта 2009 года на сверхнизкую околоземную орбиту высотой около 260 км. Ионный двигатель создаёт в постоянном режиме импульс, компенсирующий атмосферное трение и другие негравитационные воздействия на спутник [1] .

Впервые ионный двигатель появился в фантастике в 1910 году — в романе Дональда В. Хорнера «Аэроплан к солнцу: приключения авиатора и его друзей» [16] [17] . Ионный двигатель широко представлен в фантастической литературе, компьютерных играх и кинематографе (так, в «Звёздных войнах» экономичный ионный двигатель развивает скорость до трети световой и используется для перемещения в обычном пространстве на небольшие по космическим меркам расстояния — например, в пределах планетарной системы [18] ), но для практической космонавтики стал доступен только во второй половине XX века. Реальный ионный двигатель по своим техническим характеристикам (и в первую очередь по силе тяги) значительно уступает своим литературным прообразам (так, Эдгард Чуэйри образно сравнивает ионный двигатель с автомобилем, которому нужно двое суток для разгона с 0 до 100 км/ч) [1] .

Действующие миссии Править

  • Starlink — проект компании Илона МаскаSpaceX по выведению спутников на околоземную орбиту для создания глобальной сети интернет. Технология используется для маневрирования спутников и избежания их столкновения с космическим мусором [источник не указан 830 дней] .
  • Artemis[15]
  • Хаябуса-2
  • BepiColombo. Запущен 20 октября 2018 года. ЕКА использует ионный двигатель в этой меркурианской миссии, наряду с гравитационными манёврами и химическим двигателем для перехода на орбиту вокруг Меркурия в качестве искусственного спутника [15] . На аппарате работают самые мощные на сегодняшний день 4 ионных двигателя суммарной тягой 290 мН[19] .
  • Тяньхэ — базовый модуль Китайской космической станции, запущенный 29 апреля 2021, имеет 4 ионных двигателя для коррекции орбиты [20] .

Завершённые миссии Править

  • SERT (англ. Space Electric Rocket Test, рус. Тест Космического Электрического Двигателя — программа NASA, в которой на спутниках впервые был использован ионный двигатель)
  • Deep Space 1
  • Hayabusa (вернулся на Землю 13 июня 2010 года)
  • Smart 1 (завершил миссию 3 сентября 2006 года, после чего был сведён с орбиты)
  • GOCE (после исчерпания запасов рабочего тела сошёл с орбиты)
  • LISA Pathfinder (ЕКА) использовал ионные двигатели в качестве вспомогательных для точного контроля высоты; деактивирован 30 июня 2017.
  • Dawn. 1 ноября 2018 года аппарат исчерпал все запасы топлива для маневрирования и ориентации, его миссия, длившаяся 11 лет, была официально завершена.

Планируемые миссии Править

  • Международная космическая станция. По состоянию на март 2011 года планировалась доставка на МКС электромагнитного двигателя (VASIMR) Ad Astra VF-200 с мощностью в 200 кВт VASIMR. VF-200 представляет собой версию VX-200[21] . Поскольку доступная электрическая мощность на МКС меньше 200 кВт, проект ISS VASIMR включал в себя систему батарей, которая накапливала энергию для 15 минут работы двигателя.
  • Solar Orbiter.

Нереализованные миссии Править

NASA ввело проект «Прометей», для которого разрабатывался мощный ионный двигатель, питающийся электричеством от бортового ядерного реактора. Предполагалось, что такие двигатели в количестве восьми штук могли бы разогнать аппарат до 90 км/с. Первый аппарат этого проекта Jupiter Icy Moons Explorer планировалось отправить к Юпитеру в 2017 году, однако разработка этого аппарата была приостановлена в 2005 году из-за технических сложностей. В 2005 году программа была закрыта [22] . В настоящее время идёт поиск более простого проекта АМС для первого испытания по программе «Прометей» [23] .

Проект Джефри Лэндиса Править

Geoffrey A. Landis ru en предложил проект межзвёздного зонда с ионным двигателем, получающим энергию через лазер от базовой станции, что даёт некоторое преимущество по сравнению с чисто космическим парусом. В настоящее время данный проект неосуществим из-за технических ограничений — например, он потребует силы тяги от ионных двигателей в 1570 Н при нынешних 20—250 мН [24] (по другим данным рекорд тяги у современных ионных двигателей 5,4 Н [25] ).

Читать еще:  Cdi двигатель громко работает

Все реактивные двигатели «выталкивают» рабочее тело (газ) из сопел, при этом, согласно третьему закону Ньютона, «отталкиваясь» от него. Тем самым создаётся необходимое ускорение. Каждый двигатель в игре использует этот основной принцип, различаясь по:

  • условиям, в которых они функционируют (воздушно-реактивным двигателям требуется кислородсодержащая атмосфера);
  • по типу топлива, которое они используют (ионным двигателям требуются размещенные на аппарате баки с ксеноном);
  • и по управлению в игре, которое их активирует (двигатели системы ориентации отвечают на клавиши направления, все остальные отвечают на управление дросселем).

Ракетные двигатели, в отличие от ВРД, могут работать вне атмосферы.

В игре представлено четыре типа ракетных двигателей:

  • Жи́дкостный реактивный дви́гатель (ЖРД, Liquid Fiel Engine);
    • Несмотря на то, что в реальной жизни ядерный раке́тный дви́гатель (ЯРД) выделяют в отдельный класс РД, в игре он является двухкомпонентным ЖРД.
  • Твердото́пливный раке́тный дви́гатель (РДТТ, ракетный двигатель твёрдого топлива, Solid Fuel Engine);
  • Ионный двигатель;
  • Двигатели реактивной системы управления (Reaction Control System, RCS).

Двигатели реактивной системы управления используют собственную схему управления. Все двигатели, за исключением ионного, можно причислить к химическим ракетным двигателям. Двигатели РСУ скафандра, скорее всего, используют азот в качестве рабочего тела.

Программа

По результатам лекций слушатели приобретут знания в следующих областях: история космонавтики, принципы создания и использования космических аппаратов, устройство Вселенной и Солнечной системы, методы и системы исследования космического пространства и подготовки космических миссий.

Программа состоит из трех основных блоков:

— Астрономия и астрофизика

— Наземные системы исследования космоса и подготовка космических миссий.

Цели и задачи программы

Программа направлена на формирование инженерного, научно-технического мышления у детей, освоения теоретических знаний по ракетно-космическим технологиям, астрономии и астрофизике. Важной составляющей является формирование представления о профессиях, связанных с изучением и освоением космоса среди школьников с возможностью выбора в будущем профессий, связанных с космической инженерией, астрономией, фундаментальными науками данной области знаний. У учащихся будет возможность принять участие в научных дискуссиях по темам лекций с ведущими учёными и специалистами.

Главная цель: обучение учащихся Образовательного центра «Сириус» научным знаниям в области космических исследований с привлечением ведущих специалистов и учёных данной отрасли науки и техники.

В процессе реализации программы будут затронуты следующие темы:

— строение Солнечной системы;

— основные объекты Вселенной и принципы их взаимодействия;

— физику и химию процессов в космическом пространстве;

— наземные комплексы для изучения космического пространства;

— программы по подготовке космонавтов и оборудования к различным космическим миссиям;

Все участники, успешно освоившие курс, смогут получить сертификат о прохождении программы.

Достоинства и недостатки

Плазменные ракетные двигатели за десятилетия своего использования зарекомендовали себя следующими преимуществами в сравнении с традиционными реактивными двигателями на «химической» тяге:

  • Высокий импульс;
  • Малая масса расходуемого рабочего тела;
  • Малые габариты самого двигателя.

В то же время свойственные таким двигателем недостатки сводятся к главному: слишком малой тяге. Они существенно уступают по данным показателям обычным ракетным двигателям, что делает их использование крайне неэффективным. Кроме того, весьма высоки затраты энергии на ионизацию. К тому же в условиях земной атмосферы высвобождаемые ионы крайне химически активны, образуя весьма агрессивные соединения.

Таким образом, ближайшее будущее плазменных ракетных двигателей будет связано исключительно с их применением на достаточно дальних космических маршрутах и уже сложившейся ролью дополнительных двигателей на околоземных спутниках, которым требуется совершать манёвры в космосе. В последнем варианте перспективным направлением для использования ионных двигателей может стать уборка орбитального «космического мусора», проблема с которым ежегодно обостряется.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector