Матеріал з Ціклопедіі
Іонний двигун - відпрацьована на практиці різновид електричного ракетного двигуна [1]. Недоліком іонного двигуна є мала тяга (наприклад розгін космічного апарату з вагою автомобіля від 0 до 100 км / ч вимагає двох діб безперервної роботи іонного двигуна), яку неможливо збільшити через обмеження об'ємного заряду, проте тривалий час функціонування іонного двигуна (максимальний термін безперервної роботи найсучасніших зразків іонних двигунів становить більше трьох років) дозволяє за тривалий проміжок часу розігнати космічний апарат невеликої ваги до пристойних швидкостей [1]. Сфера застосування: управління орієнтацією і положенням на орбіті штучних супутників Землі і головний тяговий двигун невеликої автоматичної космічної станції [1]. Характеристики іонного двигуна: споживана потужність 1-7 кВт, швидкість витікання 20-50 км / с, тяга 20-250мН, ККД 60-80% [1]. Його робочим тілом є іонізований газ (аргон. Ксенон і т. П.).
Іонного двигуна в даний час належить рекорд негравітаціонних прискорення космічного апарату в космосі без використання - Deep Space 1 зміг збільшити швидкість на 4,3 км / с, витративши 74 кг ксенону (але цей рекорд швидкості найближчим часом буде перевершений на 10 км / с космічним апаратом Dawn) [1]. В американській лабораторії реактивного руху створені іонні двигуни, здатні безперервно працювати більше 3 років. Однак іонний двигун не є найперспективнішим типом електроракетні двигуна. тому даний рекорд швидкості швидше за все буде перевершений холлівських або магнітоплазмодінаміческім двигуном [1].
Схема дії іонного двигуна
застосовується на практиці
[Ред] Історія
Принцип іонного двигуна досить давно відомий і широко представлений у фантастичній літературі, комп'ютерних іграх і кінематографі, але для космонавтики став доступний тільки останнім часом. Однак реальний іонний двигун за величиною тяги виявився набагато гірше фантастичних моделей [1].
Прообраз іонного двигуна був створений в 1917 році Робертом Годдардом, а в 1954 році Ернст Штулінгер поліпшив характеристики іонного двигуна [1].
У 1960 році був побудований перший функціонуючий широко-променевої (broad-beam) іонний електростатичний двигун (створений в США в NASA Lewis Research Center). У 1964 році - перша успішна суборбітальних демонстрація іонного двигуна (SERT I) [1] тест на здійсненність нейтралізації іонного променя в космосі.
[Ред] Принцип дії
Випробування іонного двигуна на ксеноні
Принцип роботи двигуна полягає в іонізації газу і його розгоні електростатичним полем. При цьому, завдяки високому відношенню заряду до маси, стає можливим розігнати іони до дуже високих швидкостей (аж до 210 км / с [3] в порівнянні з 3-4,5 км / с у хімічних ракетних двигунів). Таким чином, в іонному двигуні можна досягти дуже велику питому імпульсу. Це дозволяє значно зменшити витрату реактивної маси іонізованого газу в порівнянні з витратою реактивної маси в хімічних ракетах, але вимагає великих витрат енергії.
В існуючих реалізаціях для підтримки роботи двигуна використовуються сонячні батареї. Але для роботи в далекому космосі такий спосіб неприйнятний. Тому вже зараз для цих цілей іноді використовуються ядерні установки.
Джерелом іонів служить газ, як правило це аргон або водень, бак з газом коштує на самому початку двигуна, звідти газ подається в відсік іонізації, виходить холодна плазма, яка розігрівається в наступному відсіку за допомогою іонного циклотронного резонансного нагріву. Після нагріву високоенергетична плазма подається в магнітне сопло, де вона формується в потік за допомогою магнітного поля, розганяється і викидається в навколишнє середовище. Таким чином досягається тяга.
З тих пір плазмові двигуни пройшли великий шлях і розділилися на кілька основних типів, це електротермічні двигуни, електростатичні двигуни, сільноточние або Магнітодинамічний двигуни і імпульсні двигуни. У свою чергу електростатичні двигуни діляться на іонні та плазмові (прискорювачі часток на квазинейтральной плазмі).
Іонний двигун використовує в якості палива ксенон або ртуть. Перший іонний двигун називався сітчастий електростатичний іонний двигун. У іонізатор подається ксенон, який сам по собі нейтральний, але при бомбардування високоенергетичними електронами іонізується. Таким чином в камері утворюється суміш з позитивних іонів і негативних електронів. Для «фільтрування» електронів в камеру виводиться трубка з катодними сітками, яка притягує до себе електрони.
Позитивні іони притягуються до системи вилучення, що складається з 2 або 3 сіток. Між сітками підтримується велика різниця електростатичних потенціалів (+1090 вольт на внутрішній проти - 225 на зовнішньої). В результаті попадання іонів між сітками вони розганяються і викидаються в простір, прискорюючи корабель відповідно до третього закону Ньютона. Електрони, спіймані в катодний трубку, викидаються з двигуна під невеликим кутом до сопла і потоку іонів. Це робиться з двох причин:
- щоб корпус корабля залишався нейтрально зарядженим;
- щоб іони, «нейтралізовані» таким чином, не притягувалися назад до корабля.
Щоб іонний двигун працював - потрібні всього 2 речі: газ і електрику.
Недолік двигуна в його нинішніх реалізаціях - дуже слабка тяга (близько 50-100 мілліньютонов). Таким чином, немає можливості використовувати іонний двигун для старту з планети. але, з іншого боку, в умовах невагомості. при досить довгій роботі двигуна є можливість розігнати космічний апарат до швидкостей, недоступних зараз ніяким іншим з існуючих видів двигунів. Однак розробляються досконаліші і потужні типи електроракетних двигунів (холлівських і магнітоплазмодінаміческій), що перевершують іонний двигун за величиною тяги і як наслідок кінцевої швидкості космічного апарату [1].
[Ред] Місії
[Ред] Діючі місії
Іонний двигун NSTAR американської АМС Deep Space 1
[Ред] Плановані місії
GSAT-4 LISA Pathfinder Міжнародна космічна станція
[Ред] Нереалізовані місії
[Ред] Проекти майбутнього
Існує проект міжзоряного зонда з іонним двигуном, які отримують енергію через лазер від базової станції, що дає деяку перевагу в порівнянні з чисто космічним вітрилом (але в даний час даний проект неможливий через технічні обмеження) [4].
[Ред] Іонний двигун в фантастиці
В Зоряних війнах економічний іонний двигун розвиває швидкість до третини світловий і використовується для переміщення в звичайному просторі на невеликі за космічними мірками відстані (наприклад в межах планетарної системи) [5].