Сетчатый ионный двигатель — это распространенная конструкция ионных двигателей , высокоэффективного метода приведения в движение космических аппаратов с малой тягой , работающего на электроэнергии с использованием высоковольтных сетчатых электродов для ускорения ионов с помощью электростатических сил.
Ионный двигатель был впервые продемонстрирован немецким ученым НАСА Эрнстом Штулингером [ 1] и доведен до практического применения Гарольдом Р. Кауфманом в Научно-исследовательском центре НАСА имени Льюиса (ныне Гленна) с 1957 по начало 1960-х годов.
Использование ионных двигательных установок было впервые продемонстрировано в космосе на испытаниях NASA Lewis " Space Electric Rocket Test" (SERT) I и II. [2] Эти двигатели использовали ртуть в качестве реакционной массы. Первым был SERT-1 , запущенный 20 июля 1964 года, который успешно доказал, что технология работает так, как и предполагалось в космосе. Второе испытание, SERT-II, запущенное 3 февраля 1970 года, [3] [4] подтвердило работу двух ртутных ионных двигателей в течение тысяч рабочих часов. [5] Однако, несмотря на демонстрацию в 1960-х и 1970-х годах, они редко использовались до конца 1990-х годов.
NASA Glenn продолжала разрабатывать электростатические ионные двигатели с сеткой в течение 1980-х годов, разрабатывая двигатель NASA Solar Technology Application Readiness (NSTAR), который успешно использовался на зонде Deep Space 1 , первой миссии, которая пролетела по межпланетной траектории с использованием электрической тяги в качестве основного двигателя. Позднее он участвовал в миссии по исследованию астероидов Dawn .
Компания Hughes Aircraft Company (теперь L-3 ETI) разработала XIPS ( ксеноновую ионную двигательную систему ) для поддержания орбиты на своих геостационарных спутниках (более 100 работающих двигателей). [ требуется ссылка ] В настоящее время НАСА [ требуется пояснение ] работает над электростатическим ионным двигателем мощностью 20–50 кВт под названием HiPEP , который будет иметь более высокую эффективность, удельный импульс и более длительный срок службы, чем NSTAR. [ требуется ссылка ]
В 2006 году компания Aerojet завершила испытания прототипа ионного двигателя NEXT . [6]
Начиная с 1970-х годов, радиочастотные ионные двигатели были разработаны в Университете Гиссена и ArianeGroup . Двигатели RIT-10 летают на EURECA и ARTEMIS . Qinetiq (Великобритания) разработала двигатели T5 и T6 (типа Кауфмана), используемые в миссии GOCE (T5) и миссии BepiColombo (T6). Из Японии, μ10, использующий микроволны, летел в миссии Hayabusa . [ необходима цитата ]
В 2021 году был запущен спутник DART с ксеноновым ионным двигателем NEXT-C .
В 2021 году компания ThrustMe сообщила об изменении орбиты спутника с помощью своего йод-ионного двигателя NPT30-I2. [7] [8] [9]
Атомы топлива впрыскиваются в разрядную камеру и ионизируются, образуя плазму.
Существует несколько способов получения электростатических ионов для разрядной камеры:
С электростатическим методом производства ионов связана необходимость катода и требований к источнику питания. Электронно-бомбардировочные двигатели требуют, по крайней мере, источников питания для катода, анода и камеры. Типы ВЧ и СВЧ требуют дополнительного источника питания для генератора ВЧ, но не анодного или катодного источника питания.
Положительно заряженные ионы диффундируют к системе извлечения камеры (2 или 3 многоапертурные сетки). После того, как ионы попадают в плазменную оболочку в отверстии сетки, они ускоряются разностью потенциалов между первой и второй сетками (называемых экранной и ускорительной сетками соответственно). Ионы направляются через отверстия для извлечения мощным электрическим полем. Конечная энергия ионов определяется потенциалом плазмы, который обычно немного больше напряжения экранных сеток.
Отрицательное напряжение сетки ускорителя предотвращает обратный поток электронов плазмы пучка за пределами двигателя к плазме разряда. Это может привести к сбою из-за недостаточного отрицательного потенциала в сетке, что является обычным завершением срока службы ионных двигателей. Выброшенные ионы толкают космический корабль в противоположном направлении, согласно третьему закону Ньютона . Электроны с более низкой энергией испускаются из отдельного катода, называемого нейтрализатором, в ионный пучок, чтобы гарантировать, что выбрасывается равное количество положительного и отрицательного заряда. Нейтрализация необходима для предотвращения получения космическим кораблем чистого отрицательного заряда, который притянет ионы обратно к космическому кораблю и отменит тягу.
Ионная оптика постоянно бомбардируется небольшим количеством вторичных ионов и разрушается или изнашивается, тем самым снижая эффективность и срок службы двигателя. Для уменьшения эрозии использовались несколько методов; наиболее заметным был переход на другое топливо. Атомы ртути или цезия использовались в качестве топлива во время испытаний в 1960-х и 1970-х годах, но эти топлива прилипали к решеткам и разъедали их. Атомы ксенона , с другой стороны, гораздо менее едкие и стали топливом по выбору практически для всех типов ионных двигателей. НАСА продемонстрировала непрерывную работу двигателя NSTAR в течение более 16 000 часов (1,8 года) и двигателя NEXT в течение более 48 000 часов (5,5 лет). [10] [11]
В системах извлечения сетки возникают незначительные различия в геометрии сетки и используемых материалах. Это может иметь последствия для срока службы системы сетки.
Электростатические ионные двигатели также достигли удельного импульса 30–100 кН·с/кг, или 3000–10 000 с, что лучше, чем у большинства других типов ионных двигателей. Электростатические ионные двигатели разгоняли ионы до скоростей, достигающих 100 км/с .
В январе 2006 года Европейское космическое агентство совместно с Австралийским национальным университетом объявили об успешном испытании усовершенствованного электростатического ионного двигателя, двухступенчатого 4-сетчатого (DS4G), который показал скорость истечения 210 км/с , что, как сообщается, в четыре раза выше, чем достигнуто ранее, что позволяет получить удельный импульс, который в четыре раза выше. Обычные электростатические ионные двигатели имеют только две сетки, одну высокого напряжения и одну низкого напряжения, которые выполняют как функции извлечения ионов, так и функции ускорения. Однако, когда разность зарядов между этими сетками достигает около 5 кВ, некоторые из частиц, извлекаемых из камеры, сталкиваются с сеткой низкого напряжения, разрушая ее и ставя под угрозу долговечность двигателя. Это ограничение успешно обходится при использовании двух пар сеток. Первая пара работает при высоком напряжении, имея разность напряжений около 3 кВ между ними; эта пара сеток отвечает за извлечение заряженных частиц топлива из газовой камеры. Вторая пара, работающая при низком напряжении, обеспечивает электрическое поле, которое ускоряет частицы наружу, создавая тягу. Другие преимущества нового двигателя включают более компактную конструкцию, позволяющую масштабировать его до более высоких тяг, и более узкий, менее расходящийся выхлопной шлейф в 3 градуса, который, как сообщается, в пять раз уже, чем достигнутый ранее. Это уменьшает топливо, необходимое для коррекции ориентации космического корабля из-за небольших неопределенностей в направлении вектора тяги. [12]
Как атомарные, так и молекулярные ионы йода ускоряются высоковольтными сетками для создания тяги, и может быть получен высококоллимированный пучок со значительной диссоциацией йода.
в истории телекоммуникационный спутник использовал йодное топливо для изменения своей орбиты вокруг Земли. Небольшое, но потенциально разрушительное нововведение может помочь очистить небо от космического мусора, позволив крошечным спутникам дешево и легко самоуничтожаться в конце своих миссий, направляясь в атмосферу, где они сгорят.