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.

Содержание

• 1 Как работает ионный двигатель
• 2 Преимущества ионного двигателя для космического корабля
• 3 Недостатки ионных двигателей
• 4 Где используются ионные двигатели
• 5 Когда изобрели ионный двигатель

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.

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.

Как работает самый совершенный ракетный двигатель. Но не ионный.

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.

NASA: Россия сможет отправлять своих космонавтов в космос на Crew Dragon

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.

Роберт Годдард.

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.

Изготовление плазменных двигателей в России

Гигантские звездолеты с призрачно светящимися двигателями стали одним из постоянных атрибутов космической фантастики. В то же время плазменные двигатели уже полвека успешно используются в настоящей космонавтике, и российские разработчики являются одними из мировых лидеров. Мне удалось посетить калининградское предприятие «ОКБ Факел» и увидеть, как создаются стационарные плазменные двигатели.

Стационарный плазменный двигатель (СПД) — это одна из разновидностей электроракетного двигателя, где электрическая энергия используется для ионизации газа и придания полученной плазме высокой скорости истечения из «сопла».

У такого двигателя нет топлива в привычном понимании, т.е. горючего и окислителя, необходимого для химической реакции с выделением тепла. СПД подходит практически любой газ, но лучше использовать химически неактивные и с высокой атомной массой, вроде аргона или ксенона. Плазменные двигатели обеспечивают очень высокую скорость выбрасываемой струи газа, например, для ксенона это около 30 км/с. Для сравнения, скорость выброса газа у одного из самых эффективных химических ракетных двигателей — кислород-водородного — около 4,5 км/с. Преимуществом химических двигателей является способность выбрасывать сразу много газа, что дает большую тягу. СПД же требует мощного источника электрической энергии, и даже с ним способен выбрасывать лишь незначительную массу газа за момент времени, то есть имеет очень малую тягу и требует много времени на разгон и торможение. Плазменные двигатели применяются только в космосе: оснащенные ими космические аппараты имеют относительно малый запас рабочего тела и большой размах солнечных батарей.

О возможностях использования электроракетных двигателей задумывались еще в начале XX века, но к первым испытаниям в космосе перешли только в 60-е годы. В 1972 году в системе ориентации советского спутника «Метеор» использовались два электроракетных двигателя: ионный и стационарный плазменный. СПД показал себя лучше, и советские специалисты сконцентрировались на этой разновидности. В создании экспериментальных образцов принимали участие специалисты «ОКБ Факел», и с того времени предприятие стало специализироваться на производстве двигателей такого типа, развивать и совершенствовать технологию.

В начале XXI века калининградский СПД-100 прошел успешные испытания на лунном спутнике Европейского космического агентства Smart-1.

После успешного полета к Луне европейские производители коммерческих геостационарных спутников стали закупать российские двигатели и создавать новые поколения спутников. Ранее на спутниках-ретрансляторах использовались химические двигатели на токсичном гидразине. Применение российских СПД открыло возможность создания т.н. «полностью электрических спутников», на которых уже не было химической тяги.

Калининградские СПД имеют довольно небольшой размер, но цикл их производства всё же требует немалых производственных площадей.

Разработчики «ОКБ Факел» активно сотрудничают с европейскими производителями и даже помогали французам сделать свой двигатель. Однако на предприятии строжайшие нормы безопасности. Фотосъемка на экскурсии была запрещена сотрудниками службы безопасности, а кадры использованные в репортаже, сняли позже сотрудники пресс-службы по моей просьбе.

На «ОКБ Факел» наглядно видна преемственность поколений.
Молодые работают рядом с опытными специалистами.

Кульманы давно заменены на САПР «Компас-3D» для разработки трехмерных моделей и выпуска конструкторской документации.

Цех механической обработки открывается современными станками ЧПУ.

— В некоторых случаях у нас токари пишут программы сами, — говорит генеральный конструктор предприятия Евгений Космодемьянский. И я понимаю, что пришло время выбросить свое удостоверение токаря второго разряда.

Однако в глубине зала работа идет на универсальных станках, где роль ручного труда сохраняет значение, и мои надежды на космическую карьеру возрождаются.

Необходимый этап создания космического двигателя — испытание. Для проверки СПД требуется смоделировать условия космоса, прежде всего вакуум.

В советские времена здесь разрабатывали самый мощный двигатель в своем классе — СПД-290. Сейчас создается сравнимый по мощности СПД-230.

Своими глазами работу плазменного двигателя увидеть, к сожалению, не удалось, но фото нам предоставили.

Недавно «Роскосмос» показал классное видео с бортовых камер спутника Egyptsat-A, созданного в «РКК Энергия».

На этих кадрах, пожалуй, впервые миру показана работа плазменных двигателей СПД-70 в космосе.

Возможно, моя фраза про мировое лидерство «ОКБ Факел» может показаться излишне пафосной, но практика показывает правоту этих слов. Space System/Loral, Airbus — это одни из самых крупных производителей коммерческих спутников связи в мире, и они берут калининградские СПД. А совсем недавно заключен вероятно самый большой контракт в истории мирового спутникостроения — на несколько сотен модернизированных двигателей СПД-50М.

Когда проходила моя экскурсия сотрудники предприятия не признавались кто заказчик ссылаясь на соглашение о неразглашении. Позже информация попала в СМИ и теперь мы знаем, что это OneWeb. Проект низкоорбитального спутникового интернета предполагает запуск почти тысячи космических аппаратов в течение трех-четырех лет. И на каждом спутнике будет российский плазменный двигатель.

Новый заказ требует перестройки всего производства, ведь надо создавать практически по двигателю в день. Специалистов на работу набирают даже из других городов. Такой нагрузки не было никогда, поэтому под проект OneWeb провели модернизацию с новыми станками ЧПУ и оборудовали новое современное чистое помещение для сборки.

За каждым столом собирается по двигателю.

Готовые изделия запираются в специальном шкафу, где поддерживается определенный режим температуры и влажности.

Работа почти ювелирная и неподготовленным взглядом воспринимается непривычно. Обычно под сборкой космических двигателей понимается что-то более масштабное.

Зато в результате получаются вот такие красавцы.

Финальный этап экскурсии — музей предприятия. Здесь первым делом показывают историческую гордость, «лунный камин» — макет радиоизотопного теплогенератора, который был установлен на советских «Луноход-1» и «Луноход-2» и согревал электронику в холодные лунные ночи.

Разумеется, музейный образец не начинен полонием и не радиоактивен.

Еще одно направление производимых «ОКБ Факел» двигателей для космических аппаратов — термокаталитические. Они требуют химического топлива, но его разложение до газообразных компонентов происходит при помощи металлического катализатора, размещенного внутри двигателя. Для повышения интенсивности реакции катализатор нагревается подобно спирали электроплитки.

Термокаталитические двигатели имеют меньшую эффективность чем плазменные или даже химические двухкомпонентные, зато они позволяют создать более простую топливную систему. Обычно такие двигатели используются для ориентирования космических аппаратов и располагаются в блоках по несколько штук.

Особый интерес вызывает один музейный образец — стационарный плазменный двигатель, прошедший длительные испытания в вакуумной камере. Тысячи часов работы приводят к деградации поверхность двигателя под воздействием плазмы.

Такие испытания позволяют повышать ресурс двигателей. Сейчас СПД обеспечивают гарантированную работу в течение нескольких тысяч часов. И, по словам представителей «ОКБ Факел», этот ресурс многократно подтвержден заказчиками, и новые заказы лучше всего говорят о качестве.

Источник

Если у вас есть производство или сервис, о котором вы хотите рассказать нашим читателям, пишите Аслану ([email protected]) и мы сделаем самый лучший репортаж, который увидят не только читатели сообщества, но и сайта Как это сделано

Еще раз напомню, что посты теперь можно читать на канале в Телеграме

и как обычно в инстаграме.    Жмите на ссылки, подписывайтесь и комментируйте, если вопросы по делу, я всегда отвечаю.

Все авторские ролики загружаются на мой канал, поддержите его подпиской, кликнув по этой ссылке — Как это сделано или по этой картинке. Спасибо всем подписавшимся!

Tags: космос

Ионный двигатель принцип работы. Технологии: фотонный и ионный двигатели

Основная проблема в освоении космических просторов — крайне низкие скорости у разработанных человечеством летательных аппаратов. Современные разработки имеют также и огромный расход топлива. Таким образом, если построить ракету и запустить ее, например, на Марс и обратно, то корабль будет просто огромный. И большую его часть будет занимать именно топливо. Приблизительно для высадки на Марс нужно более миллиарда тонн высококачественного ракетного топлива. К счастью, такая современная разработка ученых, как ионный двигатель, сможет в недалеком будущем решить эту проблему. Теоретически с его помощью можно разгоняться до двухсот километров за секунду. Основными плюсами можно назвать именно огромные развиваемые скорости и маленький запас горючего. Для работы такого агрегата, как ионный двигатель, нужны лишь электричество и инертный газ. Однако есть у него и некоторые недостатки, например, слабая разгонная скорость. Это заставляет задуматься о многих проблемах применения двигателя в условиях присутствия гравитационных полей.

Ионный двигатель: принцип действия

Благодаря высокому напряжению ионизируется газ в специальной камере. Вследствие этого ионы газа начинают выбрасываться прочь из камеры и создавать тягу. Однако, так как это цепная реакция, и сила тяги увеличивается очень медленно и постепенно, понадобится приблизительно полгода, чтобы разогнаться до двухсот километров в секунду. Примерно такое же количество времени уйдет и на торможение. С другой стороны, объективно эти цифры очень малы в сравнении с показателями у современных космических двигателей, которым на достижение подобных по качеству результатов необходимо было бы затратить в двадцать раз больше времени. Более того, инертный газ занимает в сотни раз меньше места, чем топливо у ракет. Единственная проблема, которую сложно решить — это наличие электричества. Солнечных батарей просто не хватит для работы таких приборов, как ионные двигатели, поэтому вероятно применение ядерного реактора.

Еще одним недостатком можно считать низкую маневренность. Также основным вопросом стоит проблема с гравитацией. Находясь в пределах поля Земли, двигатель просто не будет работать. С другой стороны, в условиях открытого космоса аналогов такого устройства, как ионный двигатель, пока нет.

Немного истории и перспективы

В фантастической литературе подобные приборы встречались довольно часто. Однако только в 1960 году был создан ионный двигатель своими руками (а точнее, руками научных сотрудников НАСА). Он назывался широко-лучевым электростатическим устройством. Уже в начале семидесятых прошли испытание ртутные электростатические двигатели в условиях открытого космоса.

К концу семидесятых генераторы на основе эффекта Холла использовали в Советском Союзе. В качестве именно основного двигателя ионный был применен на американском космическом аппарате в 1998 году. За ним последовали европейский зонд, японский космический корабль в 2003 году. На сегодняшний день НАСА разрабатывает знаменитый проект под названием «Прометей». Для него конструируют супермощный ионный двигатель, который питается от ядерного реактора.

Проблема перемещения в космосе стоит перед человечеством с момента начала орбитальных полетов. Ракета взлетая с земли расходует практически все свое топливо, плюс заряды ускорителей и ступеней. И если ракету еще можно оторвать от земли, заправив её огромным количеством топлива, на космодроме, то в открытом космосе заправляться попросту негде и нечем. А ведь после выхода на орбиту нужно двигаться дальше. А топлива нет.

И в этом то и состоит основная проблема современной космонавтики. Выбросить на орбиту корабль с запасом топлива до луны еще можно, под эту теорию строятся планы создать на луне базу дозаправки «дальнобойных» космических кораблей, летящих например на Марс. Но это все слишком сложно.

А решение проблемы было создано очень давно, еще в 1955 году, когда Алексей Иванович Морозов опубликовал статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». В ней он описывал концепцию принципиально нового космического двигателя.

Устройство ионно плазменного двигателя

Принцип действия плазменного двигателя
состоит в том, что рабочим телом выступает не сгорающее топливо, как в реактивных двигателях, а разогнанный магнитным полем до безумных скоростей поток ионов.

Источником ионов служит газ, как правило это аргон или водород, бак с газом стоит в самом начале двигателя, оттуда газ подается в отсек ионизации, получается холодная плазма, которая разогревается в следующем отсеке посредством ионного циклотронного резонансного нагрева. После нагрева, высокоэнергетическая плазма подается в магнитное сопло, где она формируется в поток посредством магнитного поля, разгоняется и выбрасывается в окружающую среду. Таки образом достигается тяга.

С тех пор плазменные двигатели прошли большой путь и разделились на несколько основных типов, это электротермические двигатели, электростатические двигатели, сильноточные или магнитодинамические двигатели и импульсные двигатели.

В свою очередь электростатические двигатели делятся на ионные и плазменные (ускорители частиц на квазинейтральной плазме).

В данной статье мы напишем про современные ионные двигатели
и их перспективные разработки, так как на наш взгляд именно за ними будущее космического флота.

Ионный двигатель использует в качестве топлива ксенон или ртуть. Первый ионный двигатель назывался сетчатый электростатический ионный двигатель.

Принцип его действия таков:

В ионизатор подается
ксенон
, который сам по себе нейтрален, 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 же ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2 или 3 сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против — 225 на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона.

Российские ионные двигатели. На всех хорошо видны катодные трубки, направленные в сторону сопла

Электроны, пойманные в катодную трубку выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается по двум причинам:

Во первых чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным, а во вторых чтобы ионы «нейтрализованные» таким образом не притягивались обратно к кораблю.

Чтобы ионный двигатель работал нужны всего две вещи — газ и электричество. С первым все просто отлично, двигателю американского межпланетного аппарата Dawn, который стартовал осенью 2007-го, для полета в течении почти 6 лет потребуется всего 425 килограммов ксенона. Для сравнения для корректировки орбиты МКС с помощью обычных ракетных двигателей каждый год затрачивается 7,5 тонн горючего.

Одно плохо — ионные двигатели имеют очень небольшую тягу, порядка 50-100 миллиньютонов, что абсолютно недостаточно при перемещении в атмосфере Земли. Но в космосе, где нет практически никаких сопротивлений, ионный двигатель при длительном разгоне может достигнуть значительных скоростей. Общее приращение скорости за всё время миссии Dawn составит порядка 10 километров в секунду.

Тест ионного двигателя для корабля Deep Space

Недавние испытания проведенные американской компанией Ad Astra Rocket, проведенные в вакуумной камере показали, что их новый Магнитоплазменный двигатель с переменным удельным импульсом” (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) VASIMR VX-200может дать тягу уже в 5 ньютонов.

Второй вопрос — электричество. Тот же VX-200 потребляет 201 кВт энергии. Солнечных батарей такому двигателю просто мало. Следовательно необходимо изобретать новые способы получения энергии в космосе. Тут есть два пути — заправляемые батареи например тритиевые, выводимые на орбиту вместе с кораблем, либо автономный атомный реактор, который и будет питать кораблю на протяжении всего полета.

Еще в 2006 году Европейское космическое агентство (European Space Agency) и Австралийский национальный университет (Australian National University) успешно провели испытания нового поколения космических ионных двигателей, достигнув рекордных показателей.

Двигатели, в которых заряженные частицы ускоряются в электрическом поле — давно известны. Они применяются для ориентации, коррекции орбиты на некоторых спутниках и межпланетных аппаратах, а в ряде космических проектов (как уже осуществившихся, так и только задуманных — читайте , и ) — даже в качестве маршевых.

С ними специалисты связывают дальнейшее освоение Солнечной системы. И хотя все разновидности так называемых электроракетных двигателей сильно уступают химическим в максимальной тяге (граммы против килограммов и тонн), зато кардинально превосходят их в экономичности (расходе топлива на каждый грамм тяги за секунду). А эта экономичность (удельный импульс) прямо пропорционально зависит от скорости выбрасываемой реактивной струи.

Так вот, в опытном двигателе, названном «Двухступенчатый с четырьмя решётками» (Dual-Stage 4-Grid — DS4G), построенном по контракту ESA в Австралии, скорость эта достигла рекордных 210 километров в секунду.

Это, к примеру, раз в 60 выше, чем скорость выхлопа у хороших химических двигателей, и в 4-10 раз больше, чем у прежних «ионников».

Как ясно из названия разработки, такая скорость достигнута двухступенчатым процессом разгона ионов при помощи четырёх последовательных решёток (вместо традиционных одной стадии и трёх решёток), а также высоким напряжением — 30 киловольт. Кроме того, расхождение выходного реактивного пучка составило всего 3 градуса, против примерно 15 градусов — у прежних систем.

А вот информация последних дней.

Ионный двигатель (ИД) работает просто: газ из бака (ксенон, аргон и пр.) ионизируется и разгоняется электростатическим полем. Поскольку масса иона мала, а заряд он может получить значительный, ионы вылетают из двигателя со скоростями до 210 км/с. Химические двигатели могут достичь… нет, ни чего-то подобного, а всего лишь в двадцать раз меньшей скорости истечения продуктов сгорания лишь в исключительных случаях. Соответственно, расход газа в сравнении с расходом химического топлива крайне мал.

Именно поэтому на ИД полностью или частично работали и работают такие «дальнобойные» зонды, как Hayabusa , Deep Space One и Dawn . И если вы собираетесь не просто по инерции лететь до далёких небесных тел, но и активно маневрировать близ них, то без таких двигателей не обойтись.

В 2014 году ионные двигатели справляют полувековой юбилей в космосе. Всё это время проблему эрозии не удавалось решить даже в первом приближении. (Здесь и ниже илл. NASA, Wikimedia Commons.)

Как и всё хорошее, ИД любит, чтобы его питали: на один ньютон тяги нужно до 25 кВт энергии. Представим, что нам поручили запустить 100-тонный космический корабль к Плутону (вы уж простите нас за мечтательность!). В идеале даже для Юпитера нам потребуется 1 000 ньютонов тяги и 10 месяцев, а до Нептуна на той же тяге — полтора года. В общем, давайте про Плутоны всё-таки не будем, а то грустно как-то…

Ну а чтобы получить эти пока умозрительные 1 000 ньютонов, нам потребуется 25 мегаватт. В принципе, ничего технически невозможного — 100-тонный корабль мог бы принять атомный реактор. Кстати, в настоящее время НАСА и Министерство энергетики США работают над проектом Fission Surface Power . Правда, речь идёт о базах на Луне и Марсе, а не о кораблях. Но масса реактора не так уж высока — всего пять тонн, при размерах в 3×3×7 м…

Ну ладно, помечтали и хватит, скажете вы, и тут же вспомните частушку, якобы придуманную Львом Толстым во время Крымской войны. В конце концов, такой большой поток ионов, проходящий через двигатель (а это ключевое препятствие), вызовет его эрозию, и значительно быстрее, чем за десять месяцев или полтора года. Причём это не проблема выбора конструкционного материала — благо разрушаться в таких условиях будут и титан, и алмаз, — а неотъемлемая часть конструкции ионного двигателя per se.

Подготовлено по материалам Gizmag . и http://lab-37.com

А вы в курсе что в России активно
работает над ядерным двигателем для ракет
или например о том,
что скоро может появится

Европейское космическое агентство провело испытания прямоточного ионного двигателя, использующего в качестве рабочего тела воздух из окружающей атмосферы. Предполагается, что небольшие спутники с таким двигателем смогут практически неограниченно находиться на орбитах с высотой 200 или менее километров, сообщается в пресс-релизе агентства.

Принцип работы ионных двигателей основан на ионизации частиц газа и их разгоне с помощью электростатического поля. Частицы газа в таких двигателях разгоняются до значительно больших скоростей, чем в химических двигателях, из-за чего ионные двигатели имеют гораздо больший удельный импульс и расходуют меньше топлива. Но у ионных двигатель есть и важный недостаток — крайне малая тяга, по сравнению с химическими двигателями. Из-за этого они редко применяются на практике, в основном на небольших аппаратах. К примеру, такие двигатели используются на зонде Dawn, сейчас на орбите карликовой планеты Церера, и будут использоваться в миссии BepiColombo , которая должна отправиться к Меркурию в конце 2018 года.

Как и в химических двигателях, в используемых сейчас ионных двигателях применяется запас топлива, как правило, ксенона. Но существует и концепция прямоточных ионных двигателей, которая, правда, пока не применялась на летавших в космос аппаратах. Ее отличие заключается в том, что в качестве рабочего тела предлагается использовать не конечный запас газа, загружаемый в бак перед запуском, а воздух из атмосферы Земли или другого атмосферного тела.

Схема работы двигателя

ESA–A. Di Giacomo

Предполагается, что относительно небольшой аппарат с таким двигателем сможет практически неограниченно находиться на низких орбитах с высотой примерно от 150 километров, компенсируя атмосферное торможение тягой двигателя, работающего на поступающем в него воздухе из атмосферы. В 2009 году ESA запустило спутник GOCE , который смог за счет постоянно включенного ионного двигателя с запасом ксенона пробыть на 255-километровой орбите в течение почти пяти лет. После этого агентство занялось разработкой прямоточного ионного двигателя для аналогичных низкоорбитальных спутников, и теперь провело первые испытания такого двигателя.

Испытания проходили в вакуумной камере, в которой располагался двигатель. Изначально в него подавали ускоренный ксенон. После этого в газозаборное устройство начали добавлять смесь кислорода с азотом, имитирующую атмосферу на высоте 200 километров. В конце испытаний инженеры провели тесты с исключительно воздушной смесью для проверки работоспособности в основном режиме.

Испытания двигателя с воздухом в качестве топлива

Прямоточный ионный двигатель

Современные ракетные двигатели неплохо справляются с задачей выведения техники на орбиту, но совершенно непригодны для длительных космических путешествий. Поэтому уже не первый десяток лет ученые работают над созданием альтернативных космических двигателей, которые могли бы разгонять корабли до рекордных скоростей. Давайте рассмотрим семь основных идей из этой области.

EmDrive

Чтобы двигаться, надо от чего-то оттолкнуться – это правило считается одним из незыблемых столпов физики и космонавтики. От чего конкретно отталкиваться – от земли, воды, воздуха или реактивной струи газа, как в случае ракетных двигателей, – не так важно.

Хорошо известен мысленный эксперимент: представьте, что космонавт вышел в открытый космос, но трос, связывающий его с кораблем, неожиданно порвался и человек начинает медленно улетать прочь. Все, что у него есть, – это ящик с инструментами. Каковы его действия? Правильный ответ: ему нужно кидать инструменты в сторону от корабля. Согласно закону сохранения импульса, человека отбросит от инструмента ровно с той же силой, с какой и инструмент от человека, поэтому он постепенно будет перемещаться по направлению к кораблю. Это и есть реактивная тяга – единственный возможный способ двигаться в пустом космическом пространстве. Правда, EmDrive, как показывают эксперименты, имеет некоторые шансы это незыблемое утверждение опровергнуть.

Создатель этого двигателя – британский инженер Роджер Шаер, основавший собственную компанию Satellite Propulsion Research в 2001 году. Конструкция EmDrive весьма экстравагантна и представляет собой по форме металлическое ведро, запаянное с обоих концов. Внутри этого ведра расположен магнетрон, излучающий электромагнитные волны, – такой же, как в обычной микроволновке. И его оказывается достаточно, чтобы создавать очень маленькую, но вполне заметную тягу.

Сам автор объясняет работу своего двигателя через разность давления электромагнитного излучения в разных концах «ведра» – в узком конце оно меньше, чем в широком. Благодаря этому создается тяга, направленная в сторону узкого конца. Возможность такой работы двигателя не раз оспаривалась, но во всех экспериментах установка Шаера показывает наличие тяги в предполагаемом направлении.

В числе экспериментаторов, опробовавших «ведро» Шаера, такие организации, как NASA, Технический университет Дрездена и Китайская академия наук. Изобретение проверяли в самых разных условиях, в том числе и в вакууме, где оно показало наличие тяги в 20 микроньютонов.

Это очень мало относительно химических реактивных двигателей. Но, учитывая то, что двигатель Шаера может работать сколь угодно долго, так как не нуждается в запасе топлива (работу магнетрона могут обеспечивать солнечные батареи), потенциально он способен разгонять космические корабли до огромных скоростей, измеряемых в процентах от скорости света.

Чтобы полностью доказать работоспособность двигателя, необходимо провести еще множество измерений и избавиться от побочных эффектов, которые могут порождаться, к примеру, внешними магнитными полями. Однако уже выдвигаются и альтернативные возможные объяснения аномальной тяги двигателя Шаера, которая, в общем-то, нарушает привычные законы физики.

К примеру, выдвигаются версии, что двигатель может создавать тягу благодаря взаимодействию с физическим вакуумом, который на квантовом уровне имеет ненулевую энергию и заполнен постоянно рождающимися и исчезающими виртуальными элементарными частицами. Кто в итоге окажется прав – авторы этой теории, сам Шаер или другие скептики, мы узнаем в ближайшем будущем.

Солнечный парус

Как говорилось выше, электромагнитное излучение оказывает давление. Это значит, что теоретически его можно преобразовывать в движение – например, с помощью паруса. Аналогично тому, как корабли прошлых веков ловили в свои паруса ветер, космический корабль будущего ловил бы в свои паруса солнечный или любой другой звездный свет.

Проблема, однако, в том, что давление света крайне мало и уменьшается с увеличением расстояния от источника. Поэтому, чтобы быть эффективным, такой парус должен иметь очень малый вес и очень большую площадь. А это увеличивает риск разрушения всей конструкции при встрече с астероидом или другим объектом.

Попытки строительства и запуска солнечных парусников в космос уже имели место – в 1993 году тестирование солнечного паруса на корабле «Прогресс» провела Россия, а в 2010 году успешные испытания по пути к Венере осуществила Япония. Но еще ни один корабль не использовал парус в качестве основного источника ускорения. Несколько перспективнее в этом отношении выглядит другой проект – электрический парус.

Электрический парус

Солнце излучает не только фотоны, но также и электрически заряженные частицы вещества: электроны, протоны и ионы. Все они формируют так называемый солнечный ветер, ежесекундно уносящий с поверхности светила около одного миллиона тонн вещества.

Солнечный ветер распространяется на миллиарды километров и ответственен за некоторые природные явления на нашей планете: геомагнитные бури и северное сияние. Земля от солнечного ветра защищается с помощью собственного магнитного поля.

Солнечный ветер, как и ветер воздушный, вполне пригоден для путешествий, надо лишь заставить его дуть в паруса. Проект электрического паруса, созданный в 2006 году финским ученым Пеккой Янхуненом, внешне имеет мало общего с солнечным. Этот двигатель состоит из нескольких длинных тонких тросов, похожих на спицы колеса без обода.

Благодаря электронной пушке, излучающей против направления движения, эти тросы приобретают положительный заряженный потенциал. Так как масса электрона примерно в 1800 раз меньше, чем масса протона, то создаваемая электронами тяга не будет играть принципиальной роли. Не важны для такого паруса и электроны солнечного ветра. А вот положительно заряженные частицы – протоны и альфа-излучение – будут отталкиваться от тросов, создавая тем самым реактивную тягу.

Хотя эта тяга будет примерно в 200 раз меньше, чем таковая у солнечного паруса, заинтересовал Европейское космическое агентство. Дело в том, что электрический парус гораздо проще сконструировать, произвести, развернуть и эксплуатировать в космосе. Кроме того, с помощью гравитации парус позволяет также путешествовать к источнику звездного ветра, а не только от него. А так как площадь поверхности такого паруса гораздо меньше, чем у солнечного, то для астероидов и космического мусора он уязвим куда меньше. Возможно, первые экспериментальные корабли на электрическом парусе мы увидим уже в следующие несколько лет.

Ионный двигатель

Поток заряженных частиц вещества, то есть ионов, излучают не только звезды. Ионизированный газ можно создать и искусственно. В обычном состоянии частицы газа электрически нейтральны, но, когда его атомы или молекулы теряют электроны, они превращаются в ионы. В общей своей массе такой газ все еще не имеет электрического заряда, но его отдельные частицы становятся заряженными, а значит, могут двигаться в магнитном поле.

В ионном двигателе инертный газ (обычно используется ксенон) ионизируется с помощью потока высокоэнергетических электронов. Они выбивают электроны из атомов, и те приобретают положительный заряд. Далее получившиеся ионы ускоряются в электростатическом поле до скоростей порядка 200 км/с, что в 50 раз больше, чем скорость истекания газа из химических реактивных двигателей. Тем не менее современные ионные двигатели обладают очень маленькой тягой – около 50–100 миллиньютонов. Такой двигатель не смог бы даже сдвинуться со стола. Но у него есть серьезный плюс.

Большой удельный импульс позволяет значительно сократить расходы топлива в двигателе. Для ионизации газа используется энергия, полученная от солнечных батарей, поэтому ионный двигатель способен работать очень долго – до трех лет без перерыва. За такой срок он успеет разогнать космический аппарат до скоростей, которые химическим двигателям и не снились.

Ионные двигатели уже не раз бороздили просторы Солнечной системы в составе различных миссий, но обычно в качестве вспомогательных, а не основных. Сегодня как о возможной альтернативе ионным двигателям все чаще говорят про двигатели плазменные.

Плазменный двигатель

Если степень ионизации атомов становится высокой (порядка 99%), то такое агрегатное состояние вещества называется плазмой. Достичь состояния плазмы можно лишь при высоких температурах, поэтому в плазменных двигателях ионизированный газ разогревается до нескольких миллионов градусов. Разогрев осуществляется с помощью внешнего источника энергии – солнечных батарей или, что более реально, небольшого ядерного реактора.

Горячая плазма затем выбрасывается через сопло ракеты, создавая тягу в десятки раз большую, чем в ионном двигателе. Одним из примеров плазменного двигателя является проект VASIMR, который развивается еще с 70-х годов прошлого века. В отличие от ионных двигателей, плазменные в космосе еще испытаны не были, но с ними связывают большие надежды. Именно плазменный двигатель VASIMR является одним из основных кандидатов для пилотируемых полетов на Марс.

Термоядерный двигатель

Укротить энергию термоядерного синтеза люди пытаются с середины ХХ века, но пока что сделать это так и не удалось. Тем не менее управляемый термоядерный синтез все равно очень привлекателен, ведь это источник громадной энергии, получаемой из весьма дешевого топлива – изотопов гелия и водорода.

В настоящий момент существует несколько проектов конструкции реактивного двигателя на энергии термоядерного синтеза. Самой перспективной из них считается модель на основе реактора с магнитным удержанием плазмы. Термоядерный реактор в таком двигателе будет представлять собой негерметичную цилиндрическую камеру размером 100–300 метров в длину и 1–3 метра в диаметре. В камеру должно подаваться топливо в виде высокотемпературной плазмы, которая при достаточном давлении вступает в реакцию ядерного синтеза. Располагающиеся вокруг камеры катушки магнитной системы должны удерживать эту плазму от контакта с оборудованием.

Зона термоядерной реакции располагается вдоль оси такого цилиндра. С помощью магнитных полей экстремально горячая плазма проистекает через сопло реактора, создавая огромную тягу, во много раз большую, чем у химических двигателей.

Двигатель на антиматерии

Все окружающее нас вещество состоит из фермионов – элементарных частиц с полуцелым спином. Это, к примеру, кварки, из которых состоят протоны и нейтроны в атомных ядрах, а также электроны. При этом у каждого фермиона есть своя античастица. Для электрона таковой выступает позитрон, для кварка – антикварк.

Античастицы имеют ту же массу и тот же спин, что и их обычные «товарищи», отличаясь знаком всех остальных квантовых параметров. Теоретически античастицы способны составлять антивещество, но до сих пор нигде во Вселенной антивещество зарегистрировано не было. Для фундаментальной науки является большим вопросом, почему его нет.

Но в лабораторных условиях можно получить некоторое количество антивещества. К примеру, недавно был проведен эксперимент по сравнению свойств протонов и антипротонов, которые хранились в магнитной ловушке.

При встрече антивещества и обычного вещества происходит процесс взаимной аннигиляции, сопровождаемый выплеском колоссальной энергии. Так, если взять по килограмму вещества и антивещества, то количество выделенной при их встрече энергии будет сопоставимо со взрывом «Царь-бомбы» – самой мощной водородной бомбы в истории человечества.

Причем значительная часть энергии при этом выделится в виде фотонов электромагнитного излучения. Соответственно, возникает желание использовать эту энергию для космических перемещений путем создания фотонного двигателя, похожего на солнечный парус, только в данном случае свет будет генерироваться внутренним источником.

Но чтобы эффективно использовать излучение в реактивном двигателе, необходимо решить задачу создания «зеркала», которое было бы способно эти фотоны отразить. Ведь кораблю каким-то образом надо оттолкнуться, чтобы создать тягу.

Никакой современный материал попросту не выдержит рожденного в случае подобного взрыва излучения и моментально испарится. В своих фантастических романах братья Стругацкие решили эту проблему путем создания «абсолютного отражателя». В реальной жизни ничего подобного пока сделать не удалось. Эта задача, как и вопросы создания большого количества антивещества и его длительного хранения, – дело физики будущего.

Космические двигатели будущего

Создание ионного двигателя

Мы продоожаем рассказывать про виды двигателей
.

Проблема перемещения в космосе стоит перед человечеством с момента начала орбитальных полетов. Ракета взлетая с земли расходует практически все свое топливо, плюс заряды ускорителей и ступеней. И если ракету еще можно оторвать от земли, заправив её огромным количеством топлива, на космодроме, то в открытом космосе заправляться попросту негде и нечем. А ведь после выхода на орбиту нужно двигаться дальше. А топлива нет.

И в этом то и состоит основная проблема современной космонавтики. Выбросить на орбиту корабль с запасом топлива до луны еще можно, под эту теорию строятся планы создать на луне базу дозаправки «дальнобойных» космических кораблей, летящих например на Марс. Но это все слишком сложно.

А решение проблемы было создано очень давно, еще в 1955 году, когда Алексей Иванович Морозов опубликовал статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». В ней он описывал концепцию принципиально нового космического двигателя.

Устройство ионно плазменного двигателя

Принцип действия плазменного двигателя
состоит в том, что рабочим телом выступает не сгорающее топливо, как в , а разогнанный магнитным полем до безумных скоростей поток ионов.

Источником ионов служит газ, как правило это аргон или водород, бак с газом стоит в самом начале двигателя, оттуда газ подается в отсек ионизации, получается холодная плазма, которая разогревается в следующем отсеке посредством ионного циклотронного резонансного нагрева. После нагрева, высокоэнергетическая плазма подается в магнитное сопло, где она формируется в поток посредством магнитного поля, разгоняется и выбрасывается в окружающую среду. Таки образом достигается тяга.

С тех пор плазменные двигатели прошли большой путь и разделились на несколько основных типов, это электротермические двигатели, электростатические двигатели, сильноточные или магнитодинамические двигатели и импульсные двигатели.

В свою очередь электростатические двигатели делятся на ионные и плазменные (ускорители частиц на квазинейтральной плазме).

В данной статье мы напишем про современные ионные двигатели
и их перспективные разработки, так как на наш взгляд именно за ними будущее космического флота.

Ионный двигатель использует в качестве топлива ксенон или ртуть. Первый ионный двигатель назывался сетчатый электростатический ионный двигатель.

Принцип его действия таков:

В ионизатор подается ксенон
, который сам по себе нейтрален, 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 же ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2 или 3 сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против – 225 на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона.

Российские ионные двигатели. На всех хорошо видны катодные трубки, направленные в сторону сопла

Электроны, пойманные в катодную трубку выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается по двум причинам:

Во первых чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным, а во вторых чтобы ионы «нейтрализованные» таким образом не притягивались обратно к кораблю.

Чтобы ионный двигатель работал нужны всего две вещи – газ и электричество. С первым все просто отлично, двигателю американского межпланетного аппарата Dawn, который стартовал осенью 2007-го, для полета в течении почти 6 лет потребуется всего 425 килограммов ксенона. Для сравнения для корректировки орбиты МКС с помощью обычных ракетных двигателей каждый год затрачивается 7,5 тонн горючего.

Одно плохо – ионные двигатели имеют очень небольшую тягу, порядка 50-100 миллиньютонов, что абсолютно недостаточно при перемещении в атмосфере Земли. Но в космосе, где нет практически никаких сопротивлений, ионный двигатель при длительном разгоне может достигнуть значительных скоростей. Общее приращение скорости за всё время миссии Dawn составит порядка 10 километров в секунду.

Тест ионного двигателя для корабля Deep Space

Недавние испытания проведенные американской компанией Ad Astra Rocket, проведенные в вакуумной камере показали, что их новый Магнитоплазменный двигатель с переменным удельным импульсом” (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) VASIMR VX-200 может дать тягу уже в 5 ньютонов.

Второй вопрос – электричество. Тот же VX-200 потребляет 201 кВт энергии. Солнечных батарей такому двигателю просто мало. Следовательно необходимо изобретать новые способы получения энергии в космосе. Тут есть два пути – заправляемые батареи например тритиевые, выводимые на орбиту вместе с кораблем, либо автономный атомный реактор, который и будет питать кораблю на протяжении всего полета.

Во втором случае, в условиях космоса и его низких температур более интересно выглядит проект корабля с термоядерным реактором на борту, но пока НАСА разрабатывает только ядерный реактор.

Эти исследования проходят в рамках проекта Prometheus. В планах НАСА запустить в солнечную систему ядерный зонд, оснащенный мощными ионными двигателями, питающимися от бортового ядерного реактора.

Напоследок видео испытаний ионного двигателя
VX-200.

Новый способ сделать плазменные двигатели более легкими и эффективными

Плазменные двигатели вызывают большой интерес у астрономов и космических агентств. Как передовая технология, которая обеспечивает значительную топливную эффективность по сравнению с обычными химическими ракетами, в настоящее время она используется во всем, от космических кораблей и спутников до исследовательских миссий. И, глядя в будущее, текущая плазма также исследуется для более продвинутых концепций движения, а также для синтеза с магнитным ограничением.

Однако общая проблема с плазменными двигателями заключается в том, что они основаны на так называемом «нейтрализаторе». Этот инструмент, который позволяет космическому кораблю оставаться без заряда, является дополнительным расходом энергии. К счастью, группа исследователей из Йоркского университета и Политехнической школы изучает конструкцию плазменного двигателя, в которой нейтрализатор полностью отсутствует.

В начале этого месяца в0007 Physics of Plasmas — журнал, издаваемый Американским институтом физики. Под руководством доктора Джеймса Дендрика, физика из Йоркского института плазмы Йоркского университета, они представляют концепцию саморегулирующегося плазменного двигателя.

Двигатель Холла мощностью 6 кВт в работе в Лаборатории реактивного движения НАСА. Предоставлено: NASA/JPL

По сути, плазменные двигательные установки используют электроэнергию для ионизации рабочего газа и преобразования его в плазму (то есть отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы). Затем эти ионы и электроны ускоряются соплами двигателей, создавая тягу и приводя в движение космический корабль. Примеры включают ионно-решетчатый двигатель и двигатель на эффекте Холла, оба из которых являются признанными двигательными технологиями.

Ионный двигатель Гриддена был впервые испытан в 1960-х и 70-х годах в рамках программы испытаний космической электроракеты (SERT). С тех пор он использовался миссией НАСА Dawn , которая в настоящее время исследует Цереру в Главном поясе астероидов. А в будущем ЕКА и ДЖАКСА планируют использовать двигатели с решетчатой ​​​​решеткой для продвижения своей миссии BepiColombo к Меркурию.

Точно так же двигатели на эффекте Холла исследовались с 1960-х годов как НАСА, так и советскими космическими программами. Впервые они были использованы в рамках миссии ЕКА по перспективным исследованиям в области технологий-1 (SMART-1). Эта миссия, запущенная в 2003 году и три года спустя разбившаяся о поверхность Луны, стала первой миссией ЕКА, отправившейся на Луну.

Как уже отмечалось, все космические корабли, использующие эти двигатели, нуждаются в нейтрализаторе, чтобы гарантировать, что они остаются «нейтральными по заряду». Это необходимо, поскольку обычные плазменные двигатели генерируют больше положительно заряженных частиц, чем отрицательно заряженных. Таким образом, нейтрализаторы вводят электроны (которые несут отрицательный заряд), чтобы поддерживать баланс между положительными и отрицательными ионами.

Художественная иллюстрация космического корабля NASA Dawn с его ионным двигателем, приближающегося к Церере. Предоставлено: NASA/JPL-Caltech.

Как вы могли подозревать, эти электроны генерируются электроэнергетическими системами космического корабля, а это означает, что нейтрализатор является дополнительным расходом энергии. Добавление этого компонента также означает, что сама силовая установка должна быть больше и тяжелее. Чтобы решить эту проблему, команда York/École Polytechnique предложила конструкцию плазменного двигателя, который может сам по себе сохранять нейтральный заряд .

Эта концепция, известная как двигатель Нептун, была впервые продемонстрирована в 2014 году Дмитрием Рафальским и Ане Анесланд, двумя исследователями из Лаборатории физики плазмы Политехнической школы (LPP) и соавторами недавней статьи. Как они продемонстрировали, концепция основана на технологии, используемой для создания двигателей с сеткой ионов, но позволяет генерировать выхлоп, который содержит сопоставимые количества положительно и отрицательно заряженных ионов.

Как они объясняют в ходе своего исследования:

«Его конструкция основана на принципе плазменного ускорения, в соответствии с которым одновременное извлечение ионов и электронов достигается за счет приложения осциллирующего электрического поля к решетчатой ​​ускоряющей оптике. В традиционных двигателях с ионными сетками ионы ускоряются с использованием определенного источника напряжения для приложения электрического поля постоянного тока между сетками извлечения. В данной работе постоянное напряжение самосмещения формируется при подаче радиочастотной (ВЧ) мощности на вытяжные сетки из-за разницы площадей запитанной и заземленной поверхностей, контактирующих с плазмой».

Двигатель на эффекте Холла, использовавшийся миссией SMART-1, которая использовала ксенон в качестве реактивной массы. Авторское право: ESA

Короче говоря, двигатель создает выхлоп, который эффективно нейтрален по заряду за счет применения радиоволн. Это имеет тот же эффект добавления электрического поля к тяге и эффективно устраняет необходимость в нейтрализаторе. Как показало их исследование, двигатель Neptune также способен генерировать тягу, сравнимую с обычным ионным двигателем.

Чтобы еще больше продвинуть технологию, они объединились с Джеймсом Дедриком и Эндрю Гибсоном из Йоркского института плазмы, чтобы изучить, как двигатель будет работать в различных условиях. С Дедриком и Гибсоном на борту они начали изучать, как плазменный луч может взаимодействовать с пространством и повлияет ли это на его сбалансированный заряд.

Они обнаружили, что выхлопной пучок двигателя играет большую роль в поддержании нейтральности луча, где распространение электронов после того, как они введены в решетки извлечения, компенсирует объемный заряд в плазменном луче. Как они заявляют в своем исследовании:

«Оптическая эмиссионная спектроскопия с разрешением [P]hase применялась в сочетании с электрическими измерениями (функции распределения ионов и электронов по энергии, ионные и электронные токи и потенциал пучка) для изучения нестационарного распространения энергичных электронов в протекающей плазме, генерируемой с помощью высокочастотного плазменного двигателя с автоматическим смещением. Результаты показывают, что распространение электронов в течение интервала коллапса оболочки на выводных сетках компенсирует объемный заряд в плазменном пучке».

Естественно, они также подчеркивают, что потребуются дальнейшие испытания, прежде чем можно будет использовать двигатель Neptune. Но результаты обнадеживают, поскольку они открывают возможность создания ионных двигателей, которые легче и меньше, что позволит создавать еще более компактные и энергоэффективные космические корабли. Для космических агентств, стремящихся исследовать Солнечную систему (и за ее пределами) с ограниченным бюджетом, такая технология просто желательна!

Дополнительная литература: Физика плазмы , AIP

Like this:

Like Loading…

DIY Plasma Assisted Combustion — Applied Ion Systems

INTRODUCTION

In the previous DIY Science project, DIY Vortex Stabilized Скользящий дуговой разряд , Я продемонстрировал очень простую сборку нетепловой атмосферной вихревой стабилизированной плазменной системы скользящего дугового разряда, сделанной из металлолома. В этом проекте мы поднимем эту предыдущую сборку на новый уровень и используем ее для изучения практического и очень интересного применения этой технологии для усовершенствованных систем сгорания. Я продемонстрирую принципы плазменного горения с использованием нетепловых атмосферных скользящих дуговых разрядов и рассмотрю несколько очень простых экспериментов, иллюстрирующих некоторые уникальные особенности и преимущества использования этой технологии для плазменного горения.

ПЛАЗМЕННОЕ СЖИГАНИЕ ОБЗОР

Прежде чем мы перейдем к примерам испытаний и демонстраций, что такое плазменное горение? Проще говоря, горение с помощью плазмы (PAC) — это процесс использования плазмы (часто в форме нетепловой/неравновесной плазмы) для усиления или поддержки процессов горения. PAC — это сложное и интенсивно междисциплинарное исследование, которое охватывает широкий спектр технических и научных дисциплин, от горения до химии, плазменной инженерии, термальных и жидкостных технологий, и имеет широкий спектр применений в таких отраслях, как авиационная, аэрокосмическая, энергетическая, двигательная. , и многие другие.

PAC — очень сложная и многодисциплинарная область. Хотя я мог бы подробно рассказать об этой области здесь, в области ПАУ уже доступны гораздо лучшие ресурсы, которые гораздо лучше объяснены самими ведущими исследователями в этой области. Если вы хотите узнать больше о PAC, есть фантастическая серия лекций, которую можно бесплатно получить в летней школе Princeton CEFRC Combustion . Эту многодневную серию лекций ведет доктор Джу, ведущий исследователь и эксперт в области ПАУ. Полная серия лекций размещена на Youtube и доступна здесь: Плазменное сжигание – Ju . Я настоятельно рекомендую посмотреть серию лекций, в которой рассматривается огромное количество глубоких принципов, физики и приложений PAC.

Еще один полезный ресурс по PAC и связанным с ним технологиям можно найти в Международном центре плазменных технологий , в котором имеется значительный объем ресурсов по технологиям сжигания с помощью плазмы. Эти усилия возглавляет д-р Игорь Матвеев, еще один лидер и пионер в области ПАУ, которые направлены на продвижение ресурсов, опыта, исследований и сотрудничества в области ПАУ.

Каково практическое применение PAC? PAC может использоваться для широкого и разнообразного спектра применений, начиная от риформинга топлива, крекинга углеводородов, более чистых циклов сгорания, повышения эффективности сгорания, охлаждения пламени и улучшения воспламенения и стабильности пламени в экстремальных условиях, например, в воспламенителях для ГПВРД. или внутри газовых турбин.

Как упоминалось ранее, часто PAC зависит от использования нетепловой/неравновесной плазмы. Наиболее распространенные типы нетепловой плазмы, используемые в PAC, включают диэлектрический барьерный разряд (DBD), скользящий дуговой разряд (GAD) и наносекундные импульсные разряды. В зависимости от цели и используемой системы существует бесчисленное множество способов реализации нетепловой плазмы для PAC. Для этого простого Наука своими руками демонстрация, мы рассмотрим один из простейших видов нетепловой плазмы – скользящий дуговой разряд. На самом деле, я предоставил несколько сборок скользящего дугового разряда на предыдущих страницах DIY Science , тщательно изучив концепции и принципы, лежащие в основе технологии GAD. Для следующих демонстраций я покажу использование стабилизированного скользящего дугового разряда с прямым вихрем в качестве плазменной топливной форсунки для изучения PAC и влияния плазмы на динамику пламени, стабильность горения и управление дроссельной заслонкой. Для справки, вы можете посмотреть видео серийно выпускаемой плазменной топливной форсунки здесь, начиная с 9.0067 Прикладные плазменные технологии .

Несмотря на то, что PAC является очень сложной и запутанной областью, сочетающей горение, химию и плазменную инженерию, мы увидим, что очень простая настольная установка может быть построена практически бесплатно для изучения этой уникальной и захватывающей области. Показанная ниже демонстрационная установка может быть дополнительно улучшена и расширена, чтобы создать полностью оборудованную настольную платформу для испытаний на горение для более продвинутых исследований горения своими руками.

ДЕМОНСТРАЦИЯ 1 — СРАВНЕНИЕ 

В первых двух демонстрационных видеороликах мы исследуем разницу в динамике горения между стандартным пламенем и пламенем с использованием плазменного горения. В качестве топлива используется пропан с небольшим вентилятором для подачи воздуха. Плазмотрон представляет собой систему DIY Vortex Stabilized с скользящим дуговым разрядом . В обоих тестах подается постоянный расход топлива и воздуха. Топливо воспламеняется, и мощность плазмы включается и выключается, чтобы сравнить разницу между обычным пламенем и пламенем с плазменной поддержкой. Сразу же можно заметить радикальную разницу в характеристиках пламени между двумя режимами работы. В то время как обычное горящее пламя представляет собой более широкое, вздымающееся пламя, при включении плазмы пламя быстро сужается, образуя более плотное и радикально отличающееся пламя. В первом видео показан тест с использованием умеренного расхода топлива. Второе видео представляет собой более короткий тест, который показывает использование гораздо большего количества топлива, что приводит к большему шлейфу пламени.

ДЕМОНСТРАЦИЯ 2 – УПРАВЛЕНИЕ ДРОССЕЛЬНОЙ ЗАСЛОНКОЙ

В следующих двух видеороликах мы рассмотрим, как плазменное горение может повлиять на управление дроссельной заслонкой при горении. В первом видео топливо несколько раз переключается с низкого уровня на высокий как для обычного горящего пламени, так и для пламени с плазменной поддержкой. Во время нормального горения пламени, на самом низком уровне подачи топлива, мы видим, что в пламени возникают некоторые нестабильности. Тем не менее, при включенной поддержке плазмы эти нестабильности исчезают, и пламя очень последовательно и плавно дросселируется от крайне низкого уровня топлива до полного расхода топлива. Во втором видео плазмотрон сначала запускается, и топливо медленно вводится до тех пор, пока не будет установлено максимальное горение, а затем снова снижается до состояния отсутствия топлива. В этом случае мы видим очень плавный переход от воспламенения к максимальному горению.

Идем дальше

Теперь, когда мы нашли очень простой способ экспериментировать с довольно продвинутой технологией плазменного горения по очень низкой цене, глядя на простую плазменную топливную форсунку, что можно сделать для дальнейшего изучения этого захватывающего применение нетермических плазменных технологий? Систему можно сначала усовершенствовать, добавив более совершенные инжектор и сопло. Дополнительные тангенциальные порты могут быть добавлены для раздельного смешивания воздуха, топлива и других технологических газов. Плазменная топливная форсунка может быть установлена ​​внутри приборной жаровой трубы с термопарами и газовыми датчиками, такими как CO, для наблюдения за характеристиками процесса горения и сбора данных между обычным горящим пламенем и пламенем с плазменной поддержкой. Систему также можно масштабировать до меньшего, более компактного блока или расширить до гораздо большей горелки. Можно исследовать различные выходные сопла, конфигурации завихрителей и материалы электродов. Систему также можно преобразовать в скользящий дуговой разряд, стабилизированный обратным вихрем, чтобы увидеть, чем стабилизация обратного вихря отличается от стабилизации прямого вихря. Используя источники с высокой скоростью воздуха, такие как воздуходувка, можно также экспериментировать с такими областями, как воспламенение дозвукового набегающего воздуха и стабилизация пламени. В этом случае можно изучить другие методы воспламенения, такие как воспламенители с плоскими электродами для воспламенения на высокой скорости полета. Для окончательного испытания плазменное сгорание может быть интегрировано в настоящие турбины или реактивные двигатели, либо небольшие модели реактивных двигателей, либо турбины на основе турбонагнетателя, чтобы изучить влияние технологии на сгорание под высоким давлением в турбомашинах. Примеры будущих проектов сжигания с плазменной поддержкой в ​​ Applied Ion Systems , Я буду изучать более сложные форсунки, а также системные приборы для сбора данных о характеристиках горения и стабилизации горения высокоскоростным потоком воздуха в очень бедных условиях.

Введение в двигательную установку на основе плазмы: двигатели Холла

• Вход в панель авторов

Что такое открытый доступ?

Открытый доступ — это инициатива, направленная на то, чтобы сделать научные исследования бесплатными для всех. На сегодняшний день наше сообщество сделало более 100 миллионов загрузок. Он основан на принципах сотрудничества, беспрепятственного открытия и, самое главное, научного прогресса. Будучи аспирантами, нам было трудно получить доступ к нужным нам исследованиям, поэтому мы решили создать новое издательство с открытым доступом, которое уравняет правила игры для ученых со всего мира. Как? Упрощая доступ к исследованиям и ставя академические потребности исследователей выше деловых интересов издателей.

Наши авторы и редакторы

Мы являемся сообществом из более чем 103 000 авторов и редакторов из 3 291 учреждения в 160 странах мира, в том числе лауреатов Нобелевской премии и самых цитируемых исследователей мира. Публикация на IntechOpen позволяет авторам получать цитирование и находить новых соавторов, а это означает, что больше людей увидят вашу работу не только из вашей собственной области исследования, но и из других смежных областей.

Оповещения о содержимом

Краткое введение в этот раздел, посвященный открытому доступу, особенно с точки зрения IntechOpen

Как это работаетУправление предпочтениями

Контакты

Хотите связаться? Свяжитесь с нашим головным офисом в Лондоне или командой по работе со СМИ здесь:

Карьера

Наша команда постоянно растет, поэтому мы всегда ищем умных людей, которые хотят помочь нам изменить мир научных публикаций.

Рецензируемая глава в открытом доступе

Автор:

Сукхмандер Сингх, Санджив Кумар, Шраван Кумар Мина и Суджит Кумар Саини

0003

DOI: 10. 5772/intechopen.96916

СКАЧАТЬ БЕСПЛАТНО

Из отредактированного тома

Под редакцией Кадзуо Мацуути и Хироаки Хасэгава
365 загрузок глав

Просмотреть полные показатели

СКАЧАТЬ БЕСПЛАТНО

Рекламное объявление

Abstract

С технической точки зрения существует два типа силовых установок: химические и электрические, в зависимости от источников топлива. Электростатические двигатели используются для запуска на низкую околоземную орбиту малых спутников, способных обеспечивать тягу в течение длительных интервалов времени. Эти двигатели потребляют меньше топлива по сравнению с химическими двигательными установками. Поэтому в интересах снижения затрат ученые-космонавты заинтересованы в разработке двигателей, основанных на технологии электродвижения. Эта глава предназначена для того, чтобы служить общим обзором технологии электродвижения (ЭРД) и ее приложений. Плазменная электрическая двигательная установка, используемая для космических миссий в отношении поддержания, перефразирования и выхода на орбиту станций космических кораблей. Срок службы типичных двигателей составляет 10 000 часов, а тяга составляет 0,1–1 Н. Эти устройства имеют конфигурации E→×B→, которые используются для удержания электронов, увеличения времени пребывания электронов и обеспечения большей ионизации в канале. До 2020 года на орбиту было запущено почти 2500 спутников. Например, миссия ESA SMART-1 (Small Mission for Advanced Research in Technology) использовала двигатель Холла, чтобы выйти с околоземной орбиты и достичь Луны с помощью небольшого спутника весом 367 кг. Эти спутники несут небольшие двигатели Холла для коррекции орбиты в космосе, поскольку тяга необходима для компенсации различных внешних сил, включая атмосферное сопротивление и радиационное давление. В главе описываются системы и технологии электрических двигателей, а также их недостатки. Кроме того, обсуждалось текущее состояние потенциальных исследований по совершенствованию электрических двигательных установок для малых спутников.

Ключевые слова

• электрическая двигательная установка
• двигатель Холла
• импульс
• скорость истечения

должны быть скорректированы. Двигатели используются для космических миссий в связи с удержанием станции космического корабля, перефразированием и выходом на орбиту. Кроме того, такого рода устройства находят применение в частично ионизированной плазме (токамаках), в ионосфере (основе солнечной фотосферы), в протопланетных дисках, околоядерных дисках в активных ядрах галактик и нейтронных звездах. Обозначим ṁp — массовый расход, скорость истечения U→ex и g — ускорение свободного падения.

Производительность подруливающих устройств обычно определяется тягой T , что является полной силой, испытываемой ракетой. Тяга также имеет ту же единицу, что и сила, в ньютонах, которые показывают движение двигательной установки. Тяга создается за счет сжигания топлива или электростатических сил. Тяга T=ṁpU→ex, если массовый расход постоянен. Удельный импульс Ispis используется для сравнения эффективности различных типов двигательных установок [1]. Удельный импульс выражается как Isp=Tṁpg. Как правило, чем выше удельный импульс, тем меньше требуется топлива. Поэтому удельный импульс упрощается до Isp=U→exg. Удельный импульс имеет измерение времени и является мерой эффективного срока службы двигателя. Высокое значение удельного импульса сокращает время полета.

Реклама

2. Уравнение Циолковского

Уравнение ракеты используется в двигательных установках для определения различных параметров. Следовательно, высокий удельный импульс связан с большей эффективностью топлива. Если обозначить Δυ→=υ→f−υ→i как изменение скорости ракеты, то уравнение ракеты было выведено ученым Циолковским (1857–1935) и имеет вид

mfmi=e−Δυ→gIspE1

Здесь mf — конечная масса, а mi — начальная масса ракеты соответственно. Возьмем натуральный логарифм с обеих сторон, получим

Δυ→=gIsplnmimfE2

С помощью этого соотношения можно найти изменение скорости ракеты через удельный импульс или силу. Это уравнение называется уравнением Циолковского. Через скорость истечения получается

Δυ→=U→exlnmf+mpmfE3

Здесь масса топлива mp=mi−mf, mf – сухая масса ракеты. Это видно из уравнения (3) что чем выше dυ→, тем больше топлива требуется. Поэтому для достижения более высокого dυ→ скорость истечения топлива U→ex должна быть порядка dυ→. Для достижения более высокого Δυ→ электрическая тяга играет ключевую роль в текущем времени. Различные космические миссии, включая спутники связи GEO, требуют ΔV примерно 0,6 км/с в течение 10-летнего периода.

2.

1 Зависимость между КПД тяги и подводимой мощностью

Если мы обозначим КПД тяги η и подводимую мощность Pt, то они связаны соотношением

T=2ηPtIspgE4

Реклама

плазменных двигателей были разработаны за последние 70 лет. Корпорация Mitsubishi Electric разработала ионные двигатели Кауфмана для японского инженерно-испытательного спутника в 1994 г., которые создавали тягу 20 мН (удельный импульс около 2400 с) [2, 3]. Еще один ионный двигатель (для коммерческого применения на станциях) под названием Hughes-13-cm Xenon Ion Propulsion System был выведен на орбиту в 1919 г.97 на спутнике Hughes PAS-5 [4]. Двигатели Hughes создавали тягу 18 мН при удельном импульсе 2500 с (КПД около 50%).

В зависимости от ускорения газов для приведения в движение электрические двигатели подразделяются на три основные категории, а именно электротермические, электростатические и электромагнитные двигатели. В двигателе с химическим двигателем скорость истечения зависит от теплового нагрева, который не может достигать очень большой величины. В химическом двигателе топливо сжигается, а горячий газ выбрасывается из двигателя с помощью сопла, а в плазменном двигателе выброс плазмы происходит без взрыва [2, 3, 5, 6, 7, 8, 9]., 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18]. Выступления различных типов электрических двигателей обсуждались в Таблице 1.

Наименования двигателей	. I sp (s)	T (N)
Гидразин	Летающие космические аппараты	Электротермический: электрическая энергия используется для нагрева топлива, которое расширяется через сопло [3].	0.3 to 2	500 to 600	10 –3 to 0.2
Hydrogen	For ground testing work		1 to 100	900 to2000	0. 1 to 5
Hall effect двигатели	Летающие космические аппараты	Электростатический двигатель: электрическая энергия используется для ускорения ионов топлива [3].	0.5 to 5	500 to 3000	10 −2 to 0.4
Gridded ion engines	Flight space vehicles		0.3 to 5	1000 to 4000	10 −3 to 0.2
Импульсный плазменный двигатель	Управление ориентацией малых спутников	для формирования плазмы и выброса ее из сопла под действием магнитного поля [3].	.070	80	860 мкН
Литий	Для наземных испытательных установок	Электромагнитный двигатель: электромагнитные системы ионизируют и ускоряют топливо под совместным действием магнитного и электрического полей [3].	200 to 1000	2000 to 5000	2 to 15
Hydrogen	For ground testing facilities		1000	5000	15
Variable Specific Impulse Magnetoplasma	В разработке	Он ионизирует топливо радиоволнами для образования плазмы, затем ускоряет ее в магнитном поле [3].

Таблица 1.

Классификация некоторых электродвигателей.

Реклама

4. Электростатические двигатели Холла

В электростатических двигателях только ионы ускоряются за счет приложения постоянного электрического поля на выходной стороне двигателя для создания тяги. Двигатели Холла были изобретены в США и России 70 лет назад. После этого они были широко исследованы в Европе, Японии и Китае. Двигатели Холла стали неотъемлемой частью двигательной техники. В отличие от химических и электрических ракет (твердотопливные ракетные двигатели, жидкостные ракетные двигатели и гиперголические двигатели), тяга в двигателях Холла достигается за счет топлива (обычно ксенона). Типичные удельные импульсы химических двигателей составляют около 200–500 с, хотя электрические двигатели могут иметь удельные импульсы до 3000 с и более [1, 5, 6, 7, 19].]. Давление внутри канала составляет порядка 0,1 Па. В настоящее время большинство стран используют технологию двигателей Холла в своих космических миссиях. В отличие от химических и электрических ракет, тяга в двигателе Холла достигается за счет ионизированного инертного газа (ксенона), который имеет высокий атомный номер и низкий потенциал ионизации. Для этого в основном используется ксенон. В двигателе Холла топливо ионизируется, а затем ускоряется электростатическими силами.

На рис. 1 показаны внутренние части плазменного холловского двигателя. Как правило, выпускной канал имеет цилиндрическую форму, выполненную из металлического материала. Магнитное поле порядка 150 Гс прикладывается для создания замкнутого дрейфа электронов внутри канала. Приложенное магнитное поле, достаточно сильное, чтобы электроны намагничивались, то есть они могли вращаться внутри разрядного канала, но ионы оставались незатронутыми из-за их ларморовского радиуса, намного превышающего размер двигателя. Магнитная структура обычного HET состоит из магнитной цепи с двумя полюсными наконечниками, сердечниками и двумя магнитными экранами, одной внутренней катушкой и четырьмя внешними катушками для достижения максимального радиального магнитного поля на выходе из канала. Таким образом, электроны остаются эффективно захваченными в азимутальном дрейфе E→×B→ вокруг кольцевого канала и медленно диффундируют к аноду. Этот азимутальный дрейфовый ток электронов называется током Холла. Топливо поступает с левой стороны канала через анод и ионизируется через полый катод устройства. Двигатели Холла можно разделить на две категории. Один из них — стационарный плазменный двигатель (имеет расширенную зону разгона), а второй — двигатель с анодным слоем (имеет более узкую зону разгона). Внутри разрядного канала вдоль аксиального направления устройства создается электрическое поле напряженностью ~1000 В/м [5]. ISRO (Индия) использовала ионные двигательные установки на эффекте Холла в GSAT-4 еще в 2010 году, установленные на GSLV Mk2 D3. У него было четыре двигателя с ксеноновым двигателем для удержания станции Север-Юг. Двое из них были русскими, а двое других – коренными жителями.

Рис. 1.

Принципиальная схема типичного холловского плазменного двигателя.

Объявление

5. Типовые параметры двигателей Холла

В таблице 2 приведены типовые значения некоторых соответствующих свойств на выходе из двигателя СПД-100.

Таблица 2.

. Таблица 2.

.

Реклама

6. Компоненты двигателей Холла

Есть несколько компонентов, которые отвечают за правильную работу двигателей Холла. Ниже мы обсудим некоторые важные ингредиенты.

6.1 Топливо

В большинстве двигателей в качестве топлива используется ксенон из-за его большей массы (131,3 а.е.м.), более низкого первого потенциала ионизации, меньшей токсичности, поперечного сечения ионизации 2,3 × 10 ⁻⁶  см ² . К сожалению, ксенон очень дорог (по сравнению с криптоном высокое значение первого потенциала ионизации) из-за одной лишь его доступности в земной атмосфере [20].

6.2 Анод и катод

Последние двигатели имеют полые аноды, через которые топливо закачивается в закрытый канал. Топливо ксенон хранится в баке на космическом корабле и достигает анода. Полые катоды используются в двигателе Холла для подачи электронов (с помощью генератора плазмы с электронным разрядом постоянного тока), для нейтрализации корпуса космического корабля (для управления зарядкой космического корабля), а также для поддержания плазменного разряда и. Полый катод выполнен из тугоплавкой металлической трубки и гексаборида лантана [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]., 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20]. Катод работает при напряжении от 30 В до 40 В, отрицательном по отношению к аноду в ртутном двигателе, в зависимости от конструктивных соображений.

Объявление

7. Обзор литературы

Теоретически, численно (моделирование PIC) и экспериментально исследованы различные явления в двигателях Холла. Физические явления, изучаемые в настоящее время в холловских двигателях, — это колебания плазмы различных частотных диапазонов, распространение и нейтрализация ионного пучка, транспорт электронов, взаимодействие плазмы с диэлектрической стенкой и плазменной оболочкой. Некоторые из них обсуждаются ниже.

7.1 Исследования срока службы

Низкочастотные колебания и характеристики сильно изменяются при изменении конфигурации магнитного поля. Меньшая кривизна конфигурации магнитного поля подавляет амплитуду низкочастотных колебаний и повышает производительность двигателя Холла. Было проведено множество исследований срока службы двигателей Холла, включая испытания на выносливость и измерения эрозии, что ограничивает срок службы двигателей Холла. Эрозия зависит от материала стенки, условий эксплуатации, геометрии канала, конструкции магнитного поля и конфигурации анода. Гарригес и др. [21] уделили особое внимание сроку службы двигателей и сообщили, что конфигурация с нулевым магнитным полем и меньшей областью с большим магнитным полем имеет тенденцию уменьшать эрозию стенок и низкочастотные колебания тока. Дорф и др. [22] сообщили, что работа двигателя более стабильна с анодом с покрытием. Барраль и Медзик [23] исследовали роль цепей индуктор-конденсатор и резистор-индуктор-конденсатор в стабилизации плазменного разряда. Тахара и др. [24] изучали влияние материала стенки канала на характеристики двигателя Холла. Ахедо и Эскобар [25] изучили влияние параметров конструкции и работы на характеристики двигателя Холла.

7.2 Исследования плазменного факела

Структура плазменного факела, выходящего из двигателя, представляет большой интерес, так как его огромная расходимость выхлопного луча может вызвать помехи связи со спутниками и проблемы с электростатическим зарядом. Асхабов и др. . В работе [26] установлено, что плазменная струя имеет половинный угол 45°, а температура электронов монотонно спадает вдоль струи и падает на порядок на 10 м. Было обнаружено, что потенциал плазмы существенно возрастает по мере удаления от выхода из двигателя. Это важный результат ввиду эффективного падения потенциала ускорения [27]. Фрухтман теоретически показал [28], что управление профилем электрического поля в холловском двигателе за счет размещения дополнительного электрода вдоль канала должно повысить эффективность. Кейдар и Бойд [29] изучали влияние магнитного поля на плазменный шлейф холловского двигателя.

7.3 Исследования колебаний и неустойчивостей

Плотность плазмы, внешние электрические и магнитные поля в холловском двигателе находятся в неоднородном виде и не находятся в термодинамически равновесном состоянии. Эти отклонения являются источником нестабильности плазмы. Эти колебания и нестабильность в двигателе Холла могут повлиять на расходимость ионного пучка и перенос электронов поперек магнитного поля, которые контролируют производительность системы. Choueiri [11] качественно обсудил характер колебаний в диапазоне частот 1 кГц–60 МГц, которые наблюдались при работе двигателей Холла. Типичный диапазон колебаний был обнаружен в двигателях Холла, таких как разрядные колебания 10–20 кГц, вращающиеся спицы 5–25 кГц (из-за процесса ионизации), азимутальные моды 20–60 кГц (из-за нестабильности дрейфового типа, связанной с градиентом плотность и магнитное поле), время переходного процесса 70–500 кГц (время пребывания ионов в канале), азимутальная волна 0,5–5 МГц и высокочастотные колебания (табл. 1). Вышеуказанные волны регулируют эффективность двигателя. Реальная частота, скорость нарастания и амплитуда колебаний зависят от геометрии, профиля магнитного поля, массового расхода и разрядного напряжения. Дюкрок и др. . В работе [30] исследована высокочастотная дрейфовая неустойчивость электронов и получено трехмерное дисперсионное уравнение. Кейдар [31] смоделировал динамику плазмы и ионизацию рабочего газа внутри анодных отверстий. Баррал и Маковски [32] проанализировали неустойчивость времени прохождения в холловском двигателе. Капулкин и Гельман [33] исследовали низкочастотную нестабильность в прианодной области холловского двигателя. Лазуренко и др. . [34] рассмотрели высокочастотные нестабильности и аномальный перенос электронов в холловских двигателях. Исследователи исследовали резистивные неустойчивости в холловском двигателе и обнаружили, что плазменные возмущения в ускорительном канале неустойчивы при наличии столкновений [13, 15, 17, 35, 36, 37, 38, 39]., 40]. Фернандес и др. В работе [41] проведено моделирование роста резистивных неустойчивостей в E→×B→ плазменном разряде. Удельное сопротивление плазмы индуцирует резистивные неустойчивости (электростатические и электромагнитные) [13, 15, 17], связанные с азимутальным и аксиальным направлениями, и было показано, что эти неустойчивости имеют самый высокий уровень вблизи выходной плоскости двигателя. Смоляков и др. сообщил, что нестабильность оболочки играет жизненно важную роль в аномальных явлениях переноса в холловском плазменном двигателе [41]. Плазменная оболочка играет важную роль в управлении подвижностью электронов внутри плазменного канала [42, 43, 44].

5

Range (kHz)	Type	Driving mechanism
10–20	Loop or circuit oscillations	Magnetic field, discharge voltage and electron wall collision frequency [45]
5–25	Вращающиеся спицы	Процесс ионизации [46]
20–60	Дрейфовая неустойчивость	Градиент магнитного поля [4]0285
70–500	Переходные временные колебания. , 34].

Объявление

8. Выводы

Проанализировано текущее состояние электрических двигателей для дальних межпланетных миссий. Приведены основные рабочие механизмы электротермических, электростатических и электромагнитных двигателей. Обсуждены ограничения и недостатки системы двигателя Холла. Также приведены основные моменты потенциальных исследований.

Реклама

Благодарности

Комиссия по университетским грантам (UGC), Нью-Дели, Индия выражает благодарность за предоставление стартового гранта (№ F. 30-356/2017/BSR).

Ссылки

1. 1. Kaufman HR. (2012). Технология двигателей с закрытым дрейфом. AIAA J, Vol. 23, No.1, May 2012, 78–86, doi:10.2514/3.8874
2. 2. O’Reilly D, Herdrich G, Kavanagh DF. Методы электрического движения для малых спутников: обзор. Аэрокосмическая промышленность. 2021; 8:1–30. Doi.org/10.3390/aerospace8010022
3. 3. Наваз А., Альбертони Р., Ауветер-Куртц М. Оптимизация эффективности тяги импульсного плазменного двигателя SIMP-LEX. Акта Астронавт. 2010; 67: 440–448. Doi.org/10.1016/j.actaastro.2010.03.006
4. 4. Битти JRXIPS. Отслеживает спутники, Промышленный физик. Том. 4. Американский институт физики; 1998
5. 5. Potrivitu GC, Sun Y, Rohaizat MW, Cherkun O, Xu L, Huang S, et al. Обзор исследований маломощных электрических двигателей в Центре космических двигателей Сингапура. Аэрокосмическая промышленность. 2020 Июн;7(6):67
6. 6. Гебель Д.М., Кац И. Основы электрического двигателя: ионные и холловские двигатели. Нью-Йорк: Уайли; 2008
7. 7. Оланд Э., Кристиансен Р., Никлассон П.Дж. Комбинированный химический и электрический двигатель для управления ориентацией. На 4-й Международной конференции по последним достижениям в области космических технологий, 11 июня 2009 г. (стр. 627-631). IEEE
8. 8. Ян Р.Г. Физика электродвижения. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл; 1968
9. 9. Мартинес-Санчес М., Поллард Дж. Э. Электродвигатель космического корабля: обзор. Журнал Силовая установка. 1998; 14(5), сентябрь-октябрь, 688–699
10. 10. Левченко И., Сюй С., Мазоуффр С., Лев Д., Педрини Д., Гебель Д. и соавт. Перспективы, рубежи и новые горизонты плазменных космических электрореактивных двигателей. Физика плазмы. 2020; 3 февраля; 27(2):020601
11. 11. Choueiri EY. Плазменные колебания в холловских двигателях. Физика плазмы. 2001;8:1411-1426. DOI: 10.1063/1.1354644
12. 12. Ахедо Э. Плазма для космических двигателей. Физика плазмы и управляемый синтез. 2011;53(12):124037. DOI: 10.1088/0741-3335/53/12/124037
13. 13. Сингх С., Малик Х.К., Нисида Ю. Высокочастотная электромагнитная резистивная нестабильность в двигателе Холла под действием ионизации. Физика плазмы. 2013;102109(1–7):20
14. 14. Линг В.Ю., Чжан С., Фу Х., Хуанг М., Куансах Дж., Лю С. и др. Краткий обзор альтернативных видов топлива и требований к импульсным плазменным двигателям для микродвигателей. Китайский журнал аэронавтики. 2020;33:2999-3010
15. 15. Сингх С., Малик Х.К. Рост низкочастотной электростатической и электромагнитной неустойчивости в холловском двигателе. Транзакции IEEE по плазменной науке. 2011;39:1910-1918
16. 16. Левченко И., Сюй С., Тил Г., Мариотти Д., Уокер М.Л., Кейдар М. Недавний прогресс и перспективы космических электрических двигательных установок на основе интеллектуальных наноматериалов. Связь с природой. 2018;9:1-9
17. 17. Сингх С., Малик Х.К. Резистивные неустойчивости в холловском двигателе при наличии столкновений и теплового движения электронов. Открытый журнал физики плазмы. 2011;4:16-23
18. 18. Rovey JL, Lyne CT, Mundahl AJ, Rasmont N, Glascock MS, Wainwright MJ, et al. Обзор многорежимных космических двигателей. Прогресс в аэрокосмических науках. 2020;100627(1–27):118
19. 19. Браун Н.П., Уокер М.Л. Обзор эрозии холловского двигателя, вызванной плазмой. Прикладные науки. 2020 Jan;10(11):3775(1–18)
20. 20. Журин В.В., Кауфман Х.Р., Робинсон Р.С. Физика двигателей с закрытым дрейфом. Наука и техника источников плазмы. 1999;8:R1-R20
21. 21. Гарриг Л., Хагелаар Г.Дж., Барель Дж., Бонифаций С., Бёф Дж.П. Модельное исследование влияния конфигурации магнитного поля на характеристики и срок службы двигателя Холла. Физика плазмы. 2003;10:4886-4892
22. 22. Дорф Л., Райцес Ю., Фиш Н.Ю., Семенов В. Влияние анодного диэлектрического покрытия на работу двигателя Холла. Письма по прикладной физике. 2004;84:1070-1072
23. 23. Баррал С., Медзик Дж. Численное исследование управления с обратной связью для ускорителей Холла. Журнал прикладной физики. 2011;013302(1–10):109
24. 24. Тахара Х., Иманака К., Юге С. Влияние материала стенки канала на характеристики тяги и характеристики плазмы двигателей на эффекте Холла. Вакуум. 2006;80:1216-1222
25. 25. Ахедо Э., Эскобар Д. Влияние конструкции и рабочих параметров на характеристики подруливающего устройства Холла. Журнал прикладной физики. 2004;96:983-992
26. 26. Акшабов Н, Бургасов М.П., ​​Веселовзоров А.Н. Советский журнал плазмы. физика. 1981;7:125
27. 27. Кейдар М., Галлимор А.Д., Райцес Ю., Бойд И.Д. О распределении потенциала в холловских двигателях. Письма по прикладной физике. 2004;85:2481-2483
28. 28. Фрухтман А., Коэн-Зур А. Плазменная линза и расходимость факела в двигателе Холла. Буквы по прикладной физике. 2006;89:111501. Doi.org/10.1063/1.2349827
29. 29. Кейдар М., Бойд И.Д. Влияние магнитного поля на плазменный шлейф холловских двигателей. Журнал прикладной физики. 1999; 86: 4786–4791. Doi.org/10.1063/1.371444
30. 30. Ducrocq A, Adam JC, Heron A, Laval G. Высокочастотная нестабильность дрейфа электронов в поперечном поле холловских двигателей. Физика плазмы. 2006; 13:102111(1–8). Doi.org/10.1063/1.2359718
31. 31. Кейдар М. Анодная плазма в холловских двигателях. Журнал прикладной физики. 2008;103:053309(1–5). Doi.org/10.1063/1.2844495
32. 32. Barral S, Makowski K, Peradzyński Z, Dudeck M. Неустойчивость во времени в холловских двигателях. Физика плазмы. 2005;12:073504 Doi.org/10.1063/1.1947796
33. 33. Капулкин А., Гельман М.М. Низкочастотная нестабильность в прианодной области холловского двигателя. Транзакции IEEE по плазменной науке. 2008;36:2082–2087. Doi.org/10.1109/TPS.2008.2003359
34. 34. Лазуренко А., Красносельских В., Бушуль А. Экспериментальные исследования высокочастотных нестабильностей и связанного с ними аномального переноса электронов в холловских двигателях. Транзакции IEEE по плазменной науке. 2008;36:1977–1988. Doi.org/10.1109/TPS.2008.2000972
35. 35. Тьяги Дж., Сингх С., Малик Х. К., Влияние пыли на наклонную электростатическую резистивную нестабильность в двигателе Холла. Журнал теоретической и прикладной физики. 2018; 12: 39–43. Doi.org/10.1007/s40094-018-0278-z
36. 36. Малик Х.К., Сингх С. Резистивная неустойчивость в холловском плазменном разряде под действием ионизации. Физика плазмы. 2013;052115(1–8):20
37. 37. Сингх С. Эволюция растущих волн в сложной плазменной среде. IntechOpen, Лондон, Великобритания, ноябрь: в отредактированной книге Engineering Fluid Mechanics; 2020
38. 38. Сингх С. Волны и нестабильности в E X B пылевой плазме. В кн.: Под редакцией Теплофизические свойства сложных материалов. IntechOpen, Лондон, Великобритания, 12 декабря. 2019
39. 39. Сингх С. Динамика неустойчивости Рэлея-Тейлора в плазменных жидкостях. В: отредактированная книга Engineering Fluid Mechanics. IntechOpen, Лондон, Великобритания, 15 апреля. 2020
40. 40. Двигатель Сингх С. Холла: электрическое движение через плазму. В: отредактированная книга Plasma Science IntechOpen, Лондон, Великобритания, 29 марта.0295-й . 2020
41. 41. Фернандес Э., Шарф М.К., Томас К.А., Гаскон Н., Каппелли М.А. Рост резистивных неустойчивостей в моделировании плазменного разряда E×B. Физика плазмы. 2008; 15:012102(1–10). Doi.org/10.1063/1.2823033
42. 42. Альварес-Лагуна А., Магин Т., Массо М., Бурдон А., Чаберт П. Переход плазма-оболочка в многожидкостных моделях с инерционными членами в условиях низкого давления: сравнение с классической и кинетическая теория. Наука и техника источников плазмы. 2020;29:025003
43. 43. Mandal D, Elskens Y, Lemoine N, Doveil F. Хаотический перенос электронов в поперечном поле из-за нестабильности дрейфа электронов E×B в холловском двигателе. Физика плазмы. 2020;27:032301
44. 44. Смоляков А., Зинтел Т., Кудель Л., Сидоренко Д. , Умнов А., Сорокина Е. и соавт. Аномальный перенос электронов в одномерной электронной циклотронной дрейфовой турбулентности. Отчеты по физике плазмы. 2020;46:496-505
45. 45. Тилинин Г.Н. Высокочастотные плазменные волны в холловском ускорителе с протяженной зоной ускорения. Советская физика Техническая физика. 1977;22:974-978
46. 46. Честа Э., Лам С.М., Мизан Н.Б., Шмидт Д.П., Каппелли М.А. Характеристика флуктуаций плазмы в холловском разряде. Транзакции IEEE по плазменной науке. 2001;29:582-591
47. 47. Фриас В., Смоляков А.И., Каганович И.Д., Райцес Ю.Дрейфовая неустойчивость длинноволнового градиента в холловских плазменных устройствах. I. Теория жидкости. Физика плазмы. 2012;19:072112
48. 48. Морозов А.И., Савельев В.В. Основы теории стационарных плазменных двигателей. Обзоры физики плазмы. 2000:203-391

Разделы

Информация о авторе

• 1.