Сетевой ионный двигатель - Gridded ion thruster

Электростатический ионный двигатель-ru.svg

В сеточный ионный двигатель это общий дизайн для ионные двигатели, высокоэффективный малотяжелый двигательная установка космического корабля работает от электроэнергии. В этих конструкциях используется высоковольтная сеть. электроды ускоряться ионы с электростатический силы.

История

Ионный двигатель впервые продемонстрировал уроженец Германии НАСА ученый Эрнст Штулингер,[1] и разработан в практической форме Гарольд Р. Кауфман в НАСА Льюис (ныне Гленн) Исследовательский центр с 1957 по начало 1960-х гг.

Использование ионных силовых установок было впервые продемонстрировано в космосе NASA Lewis »Испытание космической электрической ракеты »(SERT) I и II.[2] В этих двигателях в качестве реакционной массы использовалась ртуть. Первый был СЕРТ-1, запущенный 20 июля 1964 года, который успешно доказал, что технология работает, как и предполагалось в космосе. Второй тест, SERT-II, был запущен 3 февраля 1970 г.[3][4] проверил работу двух двигателей с ионами ртути на протяжении тысяч часов работы.[5] Несмотря на демонстрацию в 1960-х и 1970-х годах, они редко использовались до конца 1990-х годов.

НАСА Гленн продолжало разрабатывать электростатические двигатели с ионной сеткой в ​​течение 1980-х годов, создавая Готовность НАСА к применению солнечных технологий (NSTAR), который успешно использовался на Глубокий космос 1 зонд, первая миссия, совершившая полет по межпланетной траектории с использованием электрической тяги в качестве основного двигателя. В настоящее время он летает Рассвет миссия на астероид. Hughes Aircraft Company (ныне L-3 ETI) разработала XIPS (Xenon Ion Propulsion System) для поддержания станции на своих геостационарных спутниках (летает более 100 двигателей). НАСА в настоящее время работает над 20-50 кВт электростатический ионный двигатель HiPEP который будет иметь более высокий КПД, удельный импульс и более продолжительный срок службы, чем у NSTAR. Аэроджет недавно завершил испытания прототипа СЛЕДУЮЩИЙ ионный двигатель.[6]

Начиная с 1970-х годов, ионные радиочастотные двигатели были разработаны в Университете Гиссена и ArianeGroup. Двигатели РИТ-10 летают на EURECA и АРТЕМИДА. Компания Qinetiq (Великобритания) разработала двигатели Т5 и Т6 (типа Кауфмана), используемые на GOCE миссия (T5) и BepiColombo миссия (T6). Из Японии µ10, используя микроволны, прилетел на Хаябуса миссия.

Метод работы

Атомы топлива вводятся в разрядную камеру и ионизируются электронной бомбардировкой, образуя плазму. Есть несколько способов получения энергичных электронов для разряда: электроны могут быть испущены из полый катод и ускоряется разностью потенциалов с анодом; электроны могут быть ускорены колеблющимся электрическим полем, индуцированным переменным электромагнитом, что приводит к самоподдерживающемуся разряду и без катода (радиочастотный ионный двигатель); и микроволновое нагревание. Положительно заряженные ионы диффундируют к вытяжной системе камеры (2 или 3 многоапертурные решетки). После того, как ионы попадают в плазменную оболочку в отверстии сетки, они ускоряются разностью потенциалов между первой и второй сетками (называемыми сетками экрана и ускорителя соответственно). Ионы направляются через отверстия для вывода мощным электрическим полем. Конечная энергия ионов определяется потенциалом плазмы, который обычно немного превышает напряжение экранных сеток.

Отрицательное напряжение на сетке ускорителя не позволяет электронам из пучковой плазмы за пределами двигателя тянуться обратно в плазму разряда. Это может выйти из строя из-за недостаточного отрицательного потенциала в сети, что является обычным окончанием срока службы ионных двигателей. Выброшенные ионы двигают космический аппарат в противоположном направлении, согласно 3-й закон Ньютона Электроны с более низкой энергией испускаются с отдельного катода, называемого нейтрализатором, в пучок ионов, чтобы гарантировать выброс равных количеств положительного и отрицательного заряда. Нейтрализация необходима для предотвращения накопления космического корабля отрицательного заряда, который притягивал бы ионы обратно к космическому кораблю и нейтрализовал бы тягу.

Спектакль

Ионная оптика постоянно подвергается бомбардировке небольшим количеством вторичных ионов и разрушается или изнашивается, что снижает эффективность и срок службы двигателя. Ионные двигатели должны иметь возможность работать эффективно и непрерывно в течение многих лет. Для уменьшения эрозии использовалось несколько методов; Наиболее заметным был переход на другое топливо. Меркурий или же цезий атомы использовались в качестве топлива во время испытаний в 1960-х и 1970-х годах, но это топливо прилипло к решеткам и разрушило их. Ксенон Атомы, с другой стороны, гораздо менее агрессивны и стали предпочтительным топливом практически для всех типов ионных двигателей малой тяги. НАСА продемонстрировало непрерывную работу NSTAR двигателей на более чем 16000 часов (1,8 года), и все еще продолжаются испытания, чтобы продлить срок службы вдвое. Электростатические ионные двигатели также достигли удельный импульс 30–100 кН · с / кг, что лучше, чем у большинства других типов ионных двигателей. Электростатические ионные двигатели разогнали ионы до скорости 100 км / с.

В январе 2006 г. Европейское космическое агентство вместе с Австралийский национальный университет, объявила об успешном испытании усовершенствованного электростатического ионного двигателя Двухступенчатый 4-х сеточный (DS4G), который показал скорость выхлопа 210 км / с, как сообщается, в четыре раза выше, чем было достигнуто ранее, с учетом удельного импульса, который в четыре раза выше. Обычные электростатические ионные двигатели имеют только две решетки, одну высоковольтную и одну низковольтную, которые выполняют как функции извлечения ионов, так и функции ускорения. Однако, когда разница зарядов между этими сетками достигает примерно 5 кВ, некоторые частицы, извлеченные из камеры, сталкиваются с сеткой низкого напряжения, разрушая ее и снижая долговечность двигателя. Это ограничение успешно преодолевается при использовании двух пар сеток. Первая пара работает при высоком напряжении, при этом разница напряжений между ними составляет около 3 кВ; Эта пара сеток отвечает за извлечение заряженных частиц топлива из газовой камеры. Вторая пара, работающая при низком напряжении, создает электрическое поле, которое ускоряет частицы наружу, создавая тягу. Другие преимущества нового двигателя включают более компактную конструкцию, позволяющую увеличивать его тягу, и более узкий, менее расходящийся выхлопной шлейф в 3 градуса, который, как сообщается, в пять раз уже, чем достигалось ранее. Это уменьшает количество топлива, необходимое для корректировки ориентации космического корабля из-за небольших неопределенностей в направлении вектора тяги.[7]

Варианты

Самым большим отличием многих электростатических ионных двигателей является метод ионизации атомов топлива - электронная бомбардировка (NSTAR, NEXT, T5, T6), радиочастотное (RF) возбуждение (RIT 10, RIT 22, μN-RIT), микроволновое возбуждение ( µ10, µ20). С этим связана потребность в катоде и требуемые усилия для источников питания. Двигатели типа Кауфмана требуют, как минимум, питания катода, анода и камеры. Для ВЧ- и СВЧ-типов требуется дополнительный ВЧ-генератор, но нет источников питания для анода или катода.

В системах вытяжной сетки незначительные различия возникают в геометрии сетки и используемых материалах. Это может иметь последствия для срока службы энергосистемы.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Эрнст Штулингер, Ионный двигатель для космического полета (Макгроу-Хилл, Нью-Йорк, 1964).
  2. ^ Дж. С. Сови, В. К. Роулин и М. Дж. Паттерсон, «Проекты разработки ионных двигателей в США: Испытания космической электрической ракеты 1 - Глубокий космос 1», Журнал движения и мощности, Vol. 17, № 3, май – июнь 2001 г., стр. 517-526.
  3. ^ НАСА Гленн "ИСПЫТАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ РАКЕТЫ II (SERT II) В архиве 2011-09-27 на Wayback Machine (Проверено 1 июля 2010 г.)
  4. ^ SERT В архиве 2010-10-25 на Wayback Machine страница в Astronautix (по состоянию на 1 июля 2010 г.)
  5. ^ «Испытание космической электрической ракеты». Архивировано из оригинал на 2011-09-27. Получено 2010-07-01.
  6. ^ Aerojet успешно завершает этапы производства и системной интеграции для программы NASA NEXT Ion Engine Development В архиве 30 мая 2006 г. Wayback Machine
  7. ^ Портал ЕКА - ЕКА и АНУ совершают прорыв в космических силовых установках

внешняя ссылка