Электродвижение с автоэмиссией ( FEEP ) — это передовая концепция электростатического космического движения, разновидность ионного двигателя , в котором в качестве топлива используется жидкий металл — обычно цезий , индий или ртуть . [1]
Устройство FEEP состоит из эмиттера и ускорительного электрода. Между ними подается разность потенциалов порядка 10 кВ, что создает сильное электрическое поле на кончике металлической поверхности. Взаимодействие электрической силы и поверхностного натяжения жидкого металла создает поверхностную нестабильность, которая приводит к образованию конусов Тейлора на поверхности жидкости. [2] При достаточно высоких значениях приложенного поля ионы извлекаются из кончика конуса путем испарения поля или аналогичных механизмов, которые затем электрически ускоряются до высоких скоростей — обычно 100 км/с или более. Хотя скорость истечения ионов высока, их масса очень мала, что приводит к очень слабым силам ускорения. Их преимущество заключается в постоянных силах ускорения в течение длительных периодов времени. [3]
Из-за своей очень низкой тяги (в диапазоне от микроньютонов (мкН) до миллиньютонов (мН)), двигатели FEEP в основном используются для микрорадианного, микроньютонного управления ориентацией на космических аппаратах , таких как научный космический аппарат ESA/NASA LISA Pathfinder . Двигатель FEEP также планировалось установить на космических аппаратах Gravity Field и Steady-State Ocean Circulation Explorer [4] , но вместо этого использовался ионный двигатель Gridded . [5] Первым двигателем FEEP, работающим в космосе, был IFM Nano Thruster, успешно введенный в эксплуатацию на низкой околоземной орбите в 2018 году. [6]
Электродвижение с полевой эмиссией (FEEP) — это электростатический метод движения, основанный на ионизации поля жидкого металла и последующем ускорении ионов сильным электрическим полем. Острые детали, такие как иглы, используются для усиления и концентрации силы этого электрического поля. Игла покрыта жидким металлом, что максимизирует ускорение ионов. [7]
В настоящее время FEEP является объектом интереса научного сообщества из-за своих уникальных особенностей: диапазон тяги от суб -мкН до мН , возможность почти мгновенного включения/выключения и возможность дроссельной заслонки с высоким разрешением (лучше, чем одна часть из 10 4 ), что обеспечивает точную модуляцию тяги как в непрерывном, так и в импульсном режиме. [8] В настоящее время эта двигательная система является базовой для научных миссий на борту спутников без лобового сопротивления , а также предлагается для управления ориентацией и поддержания орбиты на коммерческих малых спутниках и созвездиях.
Для поддержания электронейтральности космического корабля необходим отдельный источник электронов.
Этот тип двигателя может разгонять большое количество различных жидких металлов или сплавов. Наилучшие характеристики (с точки зрения эффективности тяги и отношения мощности к тяге) могут быть получены при использовании щелочных металлов с высоким атомным весом, таких как цезий ( Cs , 133 а.е.м.) и рубидий ( Rb , 85,5 а.е.м.). Эти топлива имеют низкий потенциал ионизации (3,87 эВ для Cs и 4,16 эВ для Rb), низкую температуру плавления (28,7 °C для Cs и 38,9 °C для Rb) и очень хорошую смачиваемость. [9]
Эти особенности приводят к низким потерям мощности из-за ионизации и нагрева, а также к возможности использования капиллярных сил для целей подачи, т. е. не требуются ни резервуары под давлением, ни клапаны. Более того, щелочные металлы имеют наименьшую склонность к образованию ионизированных капель или многозарядных ионов, что приводит к наилучшей достижимой массовой эффективности. Фактическая тяга создается путем истечения пучка, состоящего в основном из однократно ионизированных атомов цезия или рубидия, полученных путем испарения поля на кончике эмиттера.
Ускоряющий электрод (ускоритель) размещается непосредственно перед излучателем. Этот электрод состоит из металлической (обычно из нержавеющей стали) пластины, на которой обработаны два острых лезвия. Когда требуется тяга, сильное электрическое поле генерируется путем приложения высокой разности напряжений между излучателем и ускорителем. При этом условии свободная поверхность жидкого металла входит в режим локальной нестабильности из-за комбинированного воздействия электростатической силы и поверхностного натяжения. Таким образом, создается ряд выступающих выступов, или «конусов Тейлора». Когда электрическое поле достигает значения порядка 10 9 В/м, атомы на кончиках выступов спонтанно ионизируются, и ионная струя извлекается электрическим полем, в то время как электроны отбрасываются в объем жидкости. Внешний источник электронов (нейтрализатор) обеспечивает отрицательные заряды для поддержания глобальной электрической нейтральности сборки двигателя.
Источники ионов жидких металлов (LMIS), основанные на полевой ионизации или полевом испарении, были введены в конце 60-х годов и быстро получили широкое распространение как простые, дешевые источники ионов для ряда приложений, а в 1972 году Европейское космическое агентство начало разработку электрической двигательной установки, основанной на принципе полевой эмиссии с использованием источников ионов жидких металлов. [10] Использование LMIS, работающих на галлии, индии, щелочных металлах или сплавах, также стало стандартной практикой во вторичной ионной масс-спектрометрии (SIMS) с 1970-х годов.
Хотя существуют различные конфигурации полевых эмиттеров, такие как игольчатый, капиллярный и щелевой типы эмиттеров, принцип работы одинаков во всех случаях. Например, в щелевом эмиттере жидкое металлическое топливо подается капиллярными силами через узкий канал. Эмиттер состоит из двух одинаковых половин, изготовленных из нержавеющей стали и скрепленных или прикрученных друг к другу. [11] Слой никеля, нанесенный на одну из половин эмиттера, очерчивает желаемый контур канала и определяет высоту канала (также известную как высота щели, обычно 1–2 мкм ) и ширину канала (также известную как длина щели , которая колеблется от 1 мм до примерно 7 см). [11] Канал заканчивается на кончике эмиттера, образованном острыми краями, которые расположены напротив отрицательного, или ускорительного, электрода и отделены небольшим зазором (около 0,6 мм) от кончика эмиттера. Между двумя электродами подается извлекающее напряжение. Эмиттер несет положительный потенциал, а ускоритель имеет отрицательный потенциал. Электрическое поле, генерируемое между эмиттером и ускорителем, теперь воздействует на жидкометаллическое топливо.
Узкая ширина щели не только обеспечивает капиллярную подачу, но, в сочетании с острыми краями канала прямо напротив ускорителя, также обеспечивает получение высокой напряженности электрического поля вблизи выхода щели. Жидкометаллический столб под воздействием этого электрического поля начинает деформироваться, образуя выступы (конусы Тейлора), которые выступают из поверхности жидкости. По мере того, как выступы жидкости образуют все более острые конусы из-за действия электрического поля, локальная напряженность электрического поля вблизи этих выступов усиливается. Как только достигается локальная напряженность электрического поля около 10 9 В/м, электроны отрываются от атомов металла. Эти электроны собираются через жидкометаллический столб стенками канала, а положительные ионы ускоряются от жидкости через зазор в отрицательном электроде ускорителя тем же самым электрическим полем, которое их создало.
Щелевые излучатели были разработаны для увеличения площади излучения двигателя с целью получения более высоких уровней тяги и во избежание нерегулярного поведения, наблюдаемого для одиночных излучателей. Существенное преимущество щелевых излучателей перед сложенными иглами заключается в саморегулирующемся механизме, управляющем образованием и перераспределением мест излучения на поверхности жидкого металла в соответствии с рабочими параметрами; в массиве сложенных игл, напротив, конусы Тейлора могут существовать только на фиксированных наконечниках, которые предварительно конфигурируют геометрическое расположение, которое может соответствовать только одному конкретному рабочему условию.
Были изготовлены щелевые излучатели с широким диапазоном ширины щели; в настоящее время доступны устройства с шириной щели от 2 мм до 7 см. Эти устройства, охватывающие диапазон тяги от 0,1 мкН до 2 мН , работают с цезием или рубидием .
В 2017 году была представлена миниатюрная конструкция модуля FEEP с излучателем в форме короны, помещающаяся в стандартное шасси CubeSat .
Конструкция FEEP с одним излучателем 0,5 мН доступна для приобретения [12], а разработка ее матричной версии близка к завершению в 2018 году [13].