Неоновый двигатель. Реактивная тяга или как устроен ионный реактивный двигатель

Цель работы: изучение истории ионного двигателя, рассмотрение перспектив его использования в ближайшем будущем и проведение расчётов связанных с его применением.

При выполнении работы ставились следующие задачи:
найти, изучить и проанализировать литературу о ионном виде двигателей
составить краткий вводный курс об истории создания, применения, а также принципе работы ионных двигателей
проанализировав результаты осуществлённых космических полётов, провести свои расчёты с целью получения необходимой информации о моделируемом мной полёте
сделать выводы

Была выдвинута гипотеза: ионный двигатель имеет некоторые заметные преимущества перед обычными ракетными двигателями, делающие его использование перспективным.

В работе были использованы следующие методы исследования:
анализ
синтез
моделирование
измерение

Объект исследования: Ионный двигатель

Актуальность темы:

Человек пытается разглядеть и попасть во всё более отдалённые от него места космоса. И для успешного развития человечества в этой отрасли, необходимо постоянно улучшать космические аппараты, используя в них новые технологии, позволяющие оптимизировать расход топлива, увеличить вместимость и тд. Ионный двигатель является довольно выгодным ввиду малого расхода топлива, а значит, именно он может в дальнейшем заменить обычные двигатели и помочь человеку в дальнейшем освоении космоса.

Гипотеза: ионный двигатель имеет некоторые заметные преимущества перед обычными ракетными двигателями, делающие его использование перспективным.

Определение

Ионный двигатель - тип электрического ракетного двигателя, принцип работы, которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.

Принцип работы

Принцип работы двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. При этом благодаря высокому отношению заряда к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей. Таким образом, в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса, что позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа, но требует больших затрат энергии. 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. Электроны, пойманные в катодную трубку выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается для того, чтобы ионы «нейтрализованные» таким образом не притягивались обратно к кораблю.

История

Принцип ионного двигателя довольно давно известен и широко представлен в фантастической литературе, компьютерных играх и кинематографе, но для космонавтики стал доступен только в последнее время. В 1960 году был построен первый, функционирующий широко-лучевой ионный электростатический двигатель (создан в США в NASA Lewis Research Center). В 1964 году - первая успешная суборбитальная демонстрация ионного двигателя (SERT I), тест на выполнимость нейтрализации ионного луча в космосе. В 1970 году - испытание на длительную работу ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II). С 1970-х годов ионные двигатели на эффекте Холла использовались в СССР в качестве навигационных двигателей (двигатели SPT-60 использовались в 1970-х годах на «Метеорах», SPT-70 на спутниках «Космос» и «Луч» в 1980-х, SPT-100 в ряде спутников в 1990-х). В качестве основного (маршевого) двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1 (первый запуск двигателя 10 ноября 1998). Следующими аппаратами стали европейский лунный зонд Смарт-1, запущенный 28 сентября 2003, и японский аппарат Хаябуса, запущенный к астероиду в мае 2003. Следующим аппаратом NASA, обладающим маршевыми ионными двигателями, стала (после ряда замораживаний и возобновления работ) АМС Dawn, которая стартовала 27 сентября 2007 года. Dawn предназначается для изучения Весты и Цереры, и несет три двигателя NSTAR, успешно испытанных на Deep Space 1. Европейское Космическое Агентство установило ионный двигатель на борту спутника GOCE, запущенного 17 марта 2009 года на сверх-низкую околоземную орбиту высотой всего около 260 км. Ионный двигатель создаёт в постоянном режиме импульс, компенсирующий атмосферное трение и другие негравитационные воздействия на спутник.

Ближайшие космические программы

В ближайшем будущем, ЕКА (Европейское космическое агенство) совместно с JAXA(Японское космическое агенство) и Роскосмосом планирует использовать ионный двигатель в меркурианской миссии BepiColombo(апрель 2018). К планете отправятся две орбитальных станции на одном транспортном модуле Mercury Transfer Module (MTM). BepiColombo будет использовать ионные двигатели, опробованные на модуле Смарт-1.

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

Возможность доставки грузов

Из-за небольшого ускорения, аппараты с ионным двигателем более разумно использовать для межпланетных (или других, на длинные дистанции) перелётов (для чего он уже и не раз использовался).
А если сравнить характеристики обычных и ионного двигателей, на данном помежутке, то выгодность использования второго будет хорошо заметна. Засчёт меньшего количества топлива увеличится полезная масса, уменьшатся денежные расходы на топливо, а сам аппарат доберётся до цели быстрее, развив скорость значительно больше, чем аппараты с другими видами двигателей.

Я провёл свои расчёты, чтобы узнать за какое время аппарат с заданными мной массой и другими техническими характеристиками сможет попасть на Марс, используя ионный двигатель в качестве основного. За основу я взял данные уже называемого мной аппарата Dawn и некоторые данные его полёта.

В качестве двигателя в расчётах я использовал ксеноновый ионный двигатель аппарата Dawn, разработанный на основе образца, испытанного на зонде Deep Space 1 с тягой 30 мН и удельным импульсом 3100 с.

Используя примерную схему полёта и проведения манёвров, я рассчитал, что общая длина траектории равна ~1 млрд км.

Используя данные полёта я узнал, что на перелёт от Земли до Весты одним двигателем было израсходовано ~275 кг ксенона, далее соотнеся длины траекторий полёта на Марс и Весту, я вычислил, что для одного двигателя будет необходимо лишь 100 кг ксенона.

Я решил установить на предполагаемый аппарат 3 двигателя с данными характеристиками, в результате чего масса топлива с небольшим запасом должна будет составлять ~325 кг Назначемнием данного аппарата я выбрал перевоз грузов с Земли на Марс в один конец. При таких условиях масса грузовика будет состоять из: 325 кг топлива, 250 кг программной аппаратуры, и некоторой массы перевозимого груза. Для примера я взял 600 кг, 1 т и 5т. По формулам равноускоренного движения я нашёл, что аппарат достигнет цели лишь спустя 3,5 года, 4,5 года и около 10 лет при конечной скорости 17, 13 и 6 км/с, которую необходимо будет уменьшать при приближении к Марсу. В итоге я получил довольно слабый невыгодный результат, однако для 3 двигателей с такой маленькой тягой - этот результат является неплохим. В будущем, я возьму за основу данные более мощных, современных и совершенных ионных двигателей или создам и вычислю характеристики своей модели.

Ионный двигатель ускоряется медленно, поэтому его нельзя использовать для вывода космического корабля на орбиту Земли. Он функционален только для корабля, уже находящегося в космосе.

Подведение итогов

Я считаю, что в настоящее время, ионный двигатель - одно из действительно самых перспективных приспособлений для передвижения в космосе, имеющее целый ряд преимуществ перед прочими видами двигателей.

Учёные уже сейчас снабжают спутники и небольшие космические станции, исследующие другие планеты ионными двигателями как для стабилизации аппаратов в пространстве, так и в роли основного двигателя.

Ввиду своих специфических преимуществ, возможно, в будущем, именно ионный двигатель будет передвигать огромные межпланетные и межгалактические звездолёты со множеством людей на борту.

Заключение

Цели и задачи, поставленные в проекте, выполнены. Я изучил принцип работы ионного двигателя, рассмотрел плюсы и минусы его использования и узнал об основных космических программах с участием данного вида двигателя. В перспективе работу можно усовершенствовать, проведя более точные расчёты и в других возможных сферах использования ионного двигателя, опираясь на другие официальные данные, а также собрать действующую модель ионного двигателя.

Плазма между анодом и катодом ионного двигателя.

Фотография: Joao Duarte / eLab hackerspace

Португалец Жуан Дуарте собрал в домашних условиях простую рабочую модель ионного двигателя. Рассказ о своем проекте разработчик опубликовал на портале eLab hackerspace. В его двигателе используются несколько держателей, подставка, корпус и сопло, напечатанные из пластика на 3D-принтере, семь гвоздей, семь медных трубок и высоковольтный трансформатор.

При строительстве ионного двигателя важна высокая электрическая проводимость всех элементов. Для ее увеличения Дуарте покрыл гвозди тонким слоем меди. Он зачистил гвозди от ржавчины, а затем опустил их вместе с окислившимися медными монетами в раствор соли и уксуса. Благодаря меднению электрическая проводимость на поверхности гвоздей увеличилась.

Затем португалец взял медную трубу диаметром два сантиметра и нарезал ее на пять частей длиной пять сантиметров каждая. После этого Дуарте распечатал на принтере держатели для трубок и гвоздей, подставку, кожух двигателя и сопло. Для эффективной работы ионного двигателя кончики медненных гвоздей должны находиться точно в центре окружности медных трубок.

На каком расстоянии от трубок следует разместить гвозди от трубок Дуарте не уточнил, но отметил, что оно должно быть одинаковым для всех гвоздей. Для регулирования тяги португалец сделал держатель с гвоздям подвижным в горизонтальной плоскости. К трубкам и гвоздям Дуарте подключил трансформатор, способный выдавать напряжение в девять киловольт и силу тока в 50 миллиампер.

В конструкции двигателя гвозди выступают в качестве катода, а медные трубки - анода. При включении напряжения воздух вокруг гвоздей ионизируется и притягивается анодом, возникает воздушный поток, который и формирует незначительную тягу за соплом двигателя. Сдвинутся с места такая силовая установка не может, но способна колыхать обрезки бумаги.

Концепцию ионного двигателя впервые предложил американский ученый Роберт Годдард. В 1954 году технологию детально описал ученый Эрнст Штулингер, а первый функционирующий двигатель был собран в 1959 году в NASA. Он смог проработать на протяжении 31 минуты. В качестве маршевого двигателя ионная силовая установка была впервые использована на космическом аппарате Deep Space в 1998 году.

Современные ионные двигатели способны непрерывно работать на протяжении трех лет. В них для создания реактивной тяги используются как правило аргон или ксенон. Эти инертные газы разгоняются в электрическом поле. Положительными качествами ионного двигателя является малое энергопотребление и расход топлива, а серьезным недостатком - микроскопическая тяга, составляющая до 250 миллиньютонов.

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.

Издание «YAHOO» приводит материал со сведениями о новом революционном ионном двигателе для космических полетов.
Космический аппарат НАСА – Dawn (Рассвет) провел более семи лет, путешествуя по Солнечной системе, чтобы перехватить астероид Веста и карликовую планету Церера. Теперь с орбиты вокруг Цереры, зонд передал первые изображения и данные от этих далеких объектов. Но здесь удивительно не только это, а то, что для этой разведывательной космической миссии использовали не обычные ракетные двигатели, а ионный двигатель на электротяге, аналогов которому нет в мире.

Такие ионные двигатели впредь будут двигать следующее поколение космических аппаратов. Электроэнергия используется здесь для создания заряженных частиц топлива, как правило, с помощью газа ксенона, и ускоряет их до чрезвычайно высоких скоростей. Скорость истечения частиц у обычных ракет ограничена химической энергией, запасенной в молекулярных связях в топливе, которое ограничивает их тягу до около 5 км / с. А вот у ионных двигателей, в принципе, ограничена только электрическая мощность, которая может быть доступной на корабле, но, как правило, скорость выхлопных газов из заряженных частиц лежит в невероятных для нашего времени пределах — от 15 км / с до 35 км / с.

Это означает на практике, что двигатели с электрическим приводом намного экономичнее, чем с химическим, так огромное количество стартовой массы космического корабля может быть спасена за счет меньшей потребности в топливе на борту. При стоимости для запуска одного килограмма массы на околоземную орбиту около $ 20 000, это может сделать космический корабль значительно более дешевым. Это может быть весьма полезным для коммерческих производителей геостационарных спутников, где электрическая силовая установка позволяет им маневрировать, добавив новые возможности для миссий спутников. Тем не менее, для научных миссий, таких как межпланетные путешествия во внешних областях Солнечной системы на огромные расстояния, электрические тяговые установки являются только средством для выполнения полезной работы с научной аппаратурой.

Типы электрических ионных двигателей

Космический корабль Рассвет, оснащен большими солнечными панелями для питания электрического двигателя.

Существуют три основных типа электрических двигателей, в зависимости от метода, используемого для ускорения.

Термоэлектрические системы используют электроэнергию, чтобы нагреть топливо либо путем пропускания тока через нагревательный элемент, или пропусканием тока через горячий ионизированный газ или саму плазму в реактивном двигателе.

Электромагнитные двигатели при ионизации ракетного топлива, взаимодействуют с электропроводящей плазмой, ускорение происходит при взаимодействии с сильным электрическим током и магнитным полем. Известный как импульсный плазменный двигатель, этот метод на самом деле очень похож на то, как работает электрический двигатель. Электростатические двигатели используют электрическое поле, генерируемое путем применения высокого напряжения на две перфорированные сетки с множеством мелких отверстий для ускорения топлива. Другой электростатическая конструкция с эффектом Холла, работает таким же образом, но вместо сеток с высоким напряжением генерирует электрическое поле путем захвата электронов в магнитном поле в плоскости выхода двигателя малой тяги.

Полвека в создании ионного двигателя

Понятие об электрической силовой установке присутствовало в течение 50 лет или более, но было сочтено слишком экспериментальным направлением, не способным взять на себя реализацию крупных проектов. Только теперь это направление начинает обретать реальные приложения. Например, для сохранения геостационарных спутников на правильной орбите, чтобы противостоять аэродинамическому сопротивлению в сильно разреженной атмосфере на высоте 200 км над поверхностью Земли. Или во время межпланетной миссии, такой как Deep Space 1- первой экспериментальной миссией, которая использовала ионные двигатели, чтобы изначально продемонстрировать возможности технологии в отношении астероида 9969 Braille и кометы Borrelly 15 лет назад, пишет «YAHOO».

Имелся и еще один проект со спутником, который в течение четырех лет до 2013 года изучал гравитационное поле Земли.

Будущие проекты с использованием ионных двигателей

Электродвигатели космических аппаратов готовы снизить стоимость развертывания спутников. С помощью компактных ионных двигателей на борту спутников, они могут поднять себя с низкой околоземной орбиты к их окончательной геостационарной орбите. Это позволит сэкономить огромное количество, необходимое для подъема спутника с помощью обычных химических ракет, топлива, и позволяют использовать гораздо меньшие ракеты-носители, которые будут значительно экономить деньги. Первые блоки с полностью электрической версией платформы спутника в 2012 году с ионным двигателем были оснащены ксеноновым питанием с сеткой.

В более долгосрочной перспективе, космические буксиры и даже пилотируемые полеты на Марс, будут основаны, наиболее вероятно, на ядерных электрических силовых установках.

Источник — phys.org/news

Статья полезна? Тогда сообщите о ней другим, нажав на кнопки социальных сетей (Twitter, Facebook и др.) ниже.
Скорее всего, вам будут интересны и полезны следующие записи:
,
а также пригодится подписка на новые интересные материалы сайта через оранжевую кнопку вверху или в боковой колонке страницы.

Добавьте статью в закладки, чтобы вновь вернуться к ней, нажав кнопки Ctrl+D .Подписку на уведомления о публикации новых статей можно осуществить через форму "Подписаться на этот сайт" в боковой колонке страницы. Если что непонятно, то, читайте .

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.