Ионный двигатель с решеткой — это обычная конструкция ионных двигателей , высокоэффективный метод движения космического корабля с малой тягой , работающий на электрической энергии с использованием высоковольтных решетчатых электродов для ускорения ионов с помощью электростатических сил.
Ионный двигатель был впервые продемонстрирован немецким ученым НАСА Эрнстом Штулингером [ 1] и разработан в практической форме Гарольдом Р. Кауфманом в Исследовательском центре Льюиса (ныне Гленна) НАСА с 1957 по начало 1960-х годов.
Использование ионных двигательных установок было впервые продемонстрировано в космосе в рамках « Испытания космической электрической ракеты» Льюиса НАСА (SERT) I и II. [2] В этих двигателях в качестве реакционной массы использовалась ртуть. Первым был SERT-1 , запущенный 20 июля 1964 года, который успешно доказал, что технология работает в космосе так, как было предсказано. Второе испытание, SERT-II, запущенное 3 февраля 1970 года, [3] [4] проверило работу двух ртутно-ионных двигателей в течение тысяч часов работы. [5] Однако, несмотря на демонстрации в 1960-х и 70-х годах, до конца 1990-х они использовались редко.
НАСА Гленн продолжало разрабатывать ионные двигатели с электростатической решеткой в 1980-е годы, разработав двигатель НАСА для обеспечения готовности к применению солнечных технологий (NSTAR), который успешно использовался на зонде Deep Space 1 , первой миссии, совершившей полет по межпланетной траектории с использованием электрической двигательной установки в качестве основной. толчок. Позже он совершил полет на астероид Dawn .
Компания Hughes Aircraft Company (ныне L-3 ETI) разработала XIPS ( Xenon Ion Propulsion System ) для выполнения удержания станции на своих геосинхронных спутниках (на которых летает более 100 двигателей). [ нужна ссылка ] НАСА в настоящее время [ необходимы разъяснения ] работает над электростатическим ионным двигателем мощностью 20–50 кВт под названием HiPEP , который будет иметь более высокий КПД, удельный импульс и более длительный срок службы, чем NSTAR. [ нужна цитата ]
В 2006 году Aerojet завершила испытания прототипа ионного двигателя NEXT . [6]
Начиная с 1970-х годов в Гиссенском университете и компании ArianeGroup разрабатывались радиочастотные ионные двигатели . Двигатели РИТ-10 летают на ЭВРИКА и АРТЕМИДА . Компания Qinetiq (Великобритания) разработала двигатели T5 и T6 (типа Кауфмана), используемые в миссии GOCE (T5) и миссии BepiColombo (T6). Из Японии µ10, использующий микроволны, прилетел в рамках миссии Хаябуса . [ нужна цитата ]
В 2021 году DART представила ксеноново-ионный двигатель NEXT-C .
В 2021 году 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 в катоде и требованиях к источнику питания. Двигатели электронной бомбардировки требуют как минимум источников питания катода, анода и камеры. ВЧ- и СВЧ-типы требуют дополнительного источника питания для ВЧ-генератора, но не требуют источников питания для анода или катода.
Положительно заряженные ионы диффундируют к системе экстракции камеры (2 или 3 многоапертурные решетки). После того, как ионы попадают в плазменную оболочку через отверстие сетки, они ускоряются за счет разности потенциалов между первой и второй сетками (называемыми экранной и ускорительной сетками соответственно). Ионы направляются через экстракционные отверстия под действием мощного электрического поля. Конечная энергия ионов определяется потенциалом плазмы, который обычно несколько превышает напряжение экранных сеток.
Отрицательное напряжение решетки ускорителя предотвращает обратный поток электронов плазмы пучка за пределами двигателя обратно в плазму разряда. Это может выйти из строя из-за недостаточного отрицательного потенциала в сети, что является частым окончанием 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 выброс одинакового количества положительного и отрицательного заряда. Нейтрализация необходима, чтобы предотвратить получение космическим кораблем чистого отрицательного заряда, который притягивал бы ионы обратно к космическому кораблю и компенсировал бы тягу.
Ионная оптика постоянно подвергается бомбардировке небольшим количеством вторичных ионов и разрушается или изнашивается, что снижает эффективность и срок службы двигателя. Для уменьшения эрозии использовалось несколько методов; наиболее примечательным был переход на другое топливо. Атомы ртути или цезия использовались в качестве топлива во время испытаний в 1960-х и 1970-х годах, но это топливо прилипло к решеткам и разрушило их. Атомы ксенона , с другой стороны, гораздо менее агрессивны и стали предпочтительным топливом практически для всех типов ионных двигателей. НАСА продемонстрировало непрерывную работу двигателя NSTAR более 16 000 часов (1,8 года) и двигателя NEXT более 48 000 часов (5,5 года). [10] [11]
В системах вытяжных решеток незначительные различия возникают в геометрии решетки и используемых материалах. Это может иметь последствия для срока службы энергосистемы.
Электростатические ионные двигатели также достигли удельного импульса 30–100 кН·с/кг, или от 3000 до 10 000 с, что лучше, чем у большинства других типов ионных двигателей. Электростатические ионные двигатели ускоряют ионы до скорости, достигающей 100 км/с .
В январе 2006 года Европейское космическое агентство совместно с Австралийским национальным университетом объявило об успешных испытаниях улучшенного электростатического ионного двигателя Dual-Stage 4-Grid (DS4G), который показал скорость выхлопа 210 км/с , что, как сообщается, в четыре раза превышает скорость выхлопа 210 км/с . выше, чем достигалось ранее, что позволяет получить удельный импульс в четыре раза выше. Обычные электростатические ионные двигатели имеют только две решетки, одну высоковольтную и одну низковольтную, которые выполняют функции как извлечения ионов, так и 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 ставя под угрозу долговечность двигателя. Это ограничение успешно обходится при использовании двух пар сеток. Первая пара работает под высоким напряжением, имея разность напряжений между ними около 3 кВ; эта пара решеток отвечает за извлечение заряженных частиц пороха 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 масштабировать его до более высоких тяг, а также более узкий и менее расходящийся выхлопной шлейф на 3 градуса, что, как сообщается, в пять раз уже, чем достигалось ранее. Это уменьшает количество топлива, необходимого для коррекции ориентации космического корабля из-за небольших неопределенностей в направлении вектора тяги. [12]
И атомарные, и молекулярные ионы йода ускоряются с помощью высоковольтных решеток для создания тяги, а высококоллимированный луч может быть создан при значительной диссоциации йода.
Впервые в истории телекоммуникационный спутник использовал йодное топливо для изменения своей орбиты вокруг Земли. Небольшое, но потенциально разрушительное нововведение могло бы помочь очистить небо от космического мусора, позволив крошечным спутникам дешево и легко самоуничтожиться в конце своей миссии, направляясь в атмосферу, где они сгорят.