Эта статья входит в число добротных статей

Ионный двигатель

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Deep Space 1 ion engine.jpg
Ионный двигатель NSTAR американской АМС Deep Space 1
Тип: электрический ракетный двигатель
Топливо: ионизированный инертный газ
Страна:
Использование:
Время эксплуатации: более 3 лет[1]
Применение: управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли; главный тяговый двигатель небольших автоматических космических станций[1]
Массогабаритные
характеристики
Рабочие характеристики
Тяга: 20—250 мН[1]
Потребляемая мощность: 1—7 кВт
КПД: 60—80 %
Скорость истечения: 20—50 км/с

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[1]. Технические характеристики ионного двигателя: потребляемая мощность 1—7 кВт, скорость истечения ионов 20—50 км/с, тяга 20—250 мН, КПД 60—80 %, время непрерывной работы более трёх лет[1]. Рабочим телом как правило является ионизированный инертный газ (аргон, ксенон и т. п.), но иногда и ртуть. Достоинством этого типа двигателей является малый расход топлива и продолжительное время функционирования (максимальный срок непрерывной работы самых современных образцов ионных двигателей составляет более трёх лет)[1]. Недостатком ионного двигателя является меньшая по сравнению с химическими двигателями тяга[1]. Сфера применения: управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли (некоторые спутники оснащены десятками маломощных ионных двигателей) и использование в качестве главного тягового двигателя небольших автоматических космических станций[1].

Ионному двигателю в настоящее время принадлежит рекорд негравитационного ускорения космического аппарата в космосе — Deep Space 1 смог увеличить скорость на 4,3 км/с, израсходовав 74 кг ксенона[1].

История[править | править вики-текст]

Ионный двигатель широко представлен в фантастической литературе, компьютерных играх и кинематографе (так в звёздных войнах экономичный ионный двигатель развивает скорость до трети световой и используется для перемещения в обычном пространстве на небольшие по космическим меркам расстояния — например в пределах планетарной системы[2]), но для практической космонавтики стал доступен только во второй половине XX века. Реальный ионный двигатель по своим техническим характеристикам (и в первую очередь по силе тяги) значительно уступает своим литературным прообразам (так Эдгард Чуэйри образно сравнивает ионный двигатель с автомобилем, которому нужно двое суток для разгона с 0 до 100 км/ч)[1].

Ионный двигатель является первым хорошо отработанным на практике типом электрического ракетного двигателя. Концепция ионного двигателя была выдвинута в 1917 году Робертом Годдардом[3], а в 1954 году Эрнст Штулингер enru детально описал эту технологию сопроводив её необходимыми вычислениями[4].

Первый функционирующий ионный электростатический двигатель (создан в США в NASA John H. Glenn Research Center at Lewis Field) был построен под руководством Гарольда Кауфмана enru в 1959 году. В 1964 году прошла первая успешная демонстрация ионного двигателя в суборбитальном полёте (SERT I)[1]. Двигатель успешно работал в течение запланированной 31 минуты. В 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II)[5].

В качестве основного (маршевого) двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1 (первый запуск двигателя — 10 ноября 1998 г.). Следующими аппаратами стали европейский лунный зонд Смарт-1, запущенный 28 сентября 2003 года[6], и японский аппарат Хаябуса, запущенный к астероиду Итокава в мае 2003 года[1].

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

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

Принцип действия[править | править вики-текст]

Испытания ионного двигателя на ксеноне

Принцип работы двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. При этом, благодаря высокому отношению заряда к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей (вплоть до 210 км/с[7] по сравнению с 3—4,5 км/с у химических ракетных двигателей). Таким образом, в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса. Это позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа по сравнению с расходом реактивной массы в химических ракетах, но требует больших затрат энергии[1].

В существующих реализациях ионного двигателя, в качестве источника энергии необходимой для ионизации топлива используются солнечные батареи[1].

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

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

Миссии[править | править вики-текст]

Действующие миссии[править | править вики-текст]

Планируемые миссии[править | править вики-текст]

  • BepiColombo (2015). ЕКА планирует использовать ионный двигатель в меркурианской миссии BepiColombo, наряду с гравитационными маневрами и химическим двигателем для перехода на орбиту вокруг Меркурия в качестве искусственного спутника[6].
  • LISA Pathfinder (ЕКА, 2014) будет использовать ионные двигатели в качестве вспомогательных для точного контроля высоты.
  • Международная космическая станция. По состоянию на март 2011 планировалась доставка на МКС электромагнитного двигателя (VASIMR) Ad Astra VF-200 с мощностью в 200 кВт VASIMR. VF-200 представляет собой версию VX-200[8]. Поскольку доступная электрическая мощность на МКС меньше 200 кВт, проект ISS VASIMR включал в себя систему батарей, которая накапливала энергию для 15 минут работы двигателя.

Нереализованные миссии[править | править вики-текст]

Компьютерная модель Прометея-1

NASA вело проект «Прометей», для которого разрабатывался мощный ионный двигатель, питающийся электричеством от бортового ядерного реактора. Предполагалось, что такие двигатели в количестве восьми штук могли бы разогнать аппарат до 90 км/с. Первый аппарат этого проекта Jupiter Icy Moons Explorer планировалось отправить к Юпитеру в 2017 году, однако разработка этого аппарата была приостановлена в 2005 году из-за технических сложностей. В 2005 году программа была закрыта[9]. В настоящее время идёт поиск более простого проекта АМС для первого испытания по программе «Прометей»[10].

Проект будущего[править | править вики-текст]

Geoffrey A. Landis enru предложил проект межзвёздного зонда с ионным двигателем, получающим энергию через лазер от базовой станции, что даёт некоторое преимущество по сравнению с чисто космическим парусом. В настоящее время данный проект неосуществим из-за технических ограничений — например, он потребует силы тяги от ионных двигателей в 1570 Н при нынешних 20—250 мН[11].

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Choueiri, Edgar Y. (2009) New dawn of electric rocket Scientific American 300, pp. 58-65 DOI:10.1038/scientificamerican0209-58
  2. Кочуров, В. Бороздя гиперпространство. Физика и технологии «Звёздных войн». журнал «Мир фантастики» (27 декабря 2005). Проверено 22 февраля 2015.
  3. Robert H. Goddard: American Rocket Pioneer. Smithsonian Scrapbook. Smithsonian Institution Archives. Проверено 21 февраля 2015.
  4. Choueiri, E. Y. A Critical History of Electric Propulsion: The First 50 Years (1906–1956). Проверено 21 февраля 2015.
  5. Innovative Engines - Glenn Ion Propulsion Research Tames the Challenges of 21st Century Space Travel (англ.). Glenn Research Center (20 May 2008). Проверено 22 февраля 2015.
  6. 1 2 3 Рахманов, М. Ионные двигатели: от фантастики к реальным пускам (рус.). CNews.ru (30/09/2003). Проверено 22 февраля 2015.
  7. Испытан рекордный ионный двигатель (рус.). membrana.ru (12 января 2006). Проверено 22 февраля 2015. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.
  8. Jason Mick. Commercially Developed Plasma Engine Soon to be Tested in Space. DailyTech (August 11, 2008). Проверено 22 февраля 2015.
  9. The National Academy of Sciences Launching Science: Science Opportunities Provided by NASA's Constellation System. — Washington, DC: The National Academies Press, 2009. — P. 18. — ISBN 978-0-309-11644-2.
  10. The National Academy of Sciences Launching Science: Science Opportunities Provided by NASA's Constellation System. — Washington, DC: The National Academies Press, 2009. — С. 18. — ISBN 978-0-309-11644-2.
  11. Landis, G. A. Межзвёздный ионный зонд, снабжаемый энергией по лазерному лучу (рус.) (1 сентября 1994). Проверено 22 февраля 2015.

Литература[править | править вики-текст]

  • Kaufman H. R., Robinson R. S. Ion Source Design for Industrial Application (англ.) // AIAA Journal : журнал. — 1982. — Vol. 20. — № 6. — P. 745—760.

Ссылки[править | править вики-текст]