Почему в ионных двигателях используется ксенон
Ионный двигатель создает возможность разогнать космический аппарат в условиях невесомости до скоростей, которые и не снились жидкостным и химическим реактивным двигателям.
Этот двигатель основан на создании реактивной тяги ионизированного газа, разогнанного до невероятных скоростей в электрическом поле. Устройство такого двигателя описал русский ученый К.Э. Циолковский в 1906 г. В дальнейшем его теория дорабатывалась и уточнялась. Теперь она находит практическое применение на орбите.
Для выработки электричества в настоящее время используются солнечные батареи, но в дальнейшем планируется использовать термоядерные установки, которые быстрее появятся в космосе чем на земле. Отдельно про термоядерные двигатели читайте в этой статье .
Использование внешнего магнитного поля в ионном двигателе позволяет повысить энергоэффективность системы.
Итак, преимущества ионного двигателя:
– большой удельный импульс. У ионного двигателя он самый высокий из всех существующих двигателей, так как на свою мощность он тратит сопоставимо мало топлива, в отличие от тех же жидкостных движков.
– для функционирования ионного двигателя достаточно небольшой электрической мощности – от 150 до 500 Ватт. Двигатели мощностью от 150 до 500 Ватт могут быть установлены на малые космические аппараты,
Перспективы: когда полетим в дальние дали?
Применение ионных двигателей в космических аппаратах открывает новые перспективы развития космонавтики, в частности, запускаемых космических аппаратов. Современные перспективы таковы, что доля запускаемых тяжелых космических аппаратов массой больше 1 тонны неуклонно снижается и составляет не более 30% от всех запусков. Все более востребованными становятся малые космические аппараты весом от 100 кг до 500 кг, находящиеся на низкой околоземной орбите до 1000 км и функционирующие в течение 5-10 лет. К малым космическим аппаратам относятся спутники и системы мобильной связи и радионавигации, мониторинга Земли, атмосферы и околоземного космического пространства.
Ионные двигатели в ближайшем будущем позволят заменить двигатели орбитального движения малых космических аппаратов, что увеличит срок их эксплуатации в 2-3 раза и продлит срок их жизни до 5-10 лет.
В отдаленной перспективе планируется оснащать все, в том числе тяжелые, космические аппараты ионными двигателями, что позволит совершать путешествия к далеким планетам и звездам, пилотируемые экспедиции к планетам Солнечной системы, тяжелые транспортные перелеты. В данный момент ионные двигатели применяются для управления ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли.
С течением технической проработки концепции двигателя он сможет в ближайшем будущем заменить главный тяговый двигатель тяжелых космических аппаратов.
Характеристики электроракетных двигателей определяются не только скоростью истечения заряженных частиц, но и плотностью тяги - значением силы тяги , приходящимся на единицу площади отверстия, через которое эти частицы истекают. Возможности ионных и аналогичных электростатических двигателей ограничиваются объемным зарядом , который налагает очень низкий предел на достижимую плотность тяги. Дело в том, что по мере прохождения положительных ионов через электростатические сетки двигателя между ними неизбежно накапливается положительный заряд, который уменьшает напряженность электрического поля, ускоряющего ионы.
Из-за этого тяга двигателя зонда Deep Space 1 эквивалентна примерно весу листа бумаги, что очень далеко от тяги двигателей в научно-фантастических фильмах вроде "Интерстеллар". Для разгона тонны веса с помощью такой силы от нуля до сотни при отсутствии сопротивления движению потребовалось бы более двух суток. В космическом вакууме, который не оказывает сопротивления, придать аппарату большую скорость способна даже очень слабая сила, если она действует достаточно долго.
Черепаха все равно побеждает
Кадр из фильма Такси:"Эй, Эйнштейн, читал Ля Фонтена? Да, большой заяц недоволен, что его обогнала глупая черепаха! А вот Пума будет довольна: давно она мечтала полакомиться зайчатиной!"
Кадр из фильма Такси:"Эй, Эйнштейн, читал Ля Фонтена? Да, большой заяц недоволен, что его обогнала глупая черепаха! А вот Пума будет довольна: давно она мечтала полакомиться зайчатиной!"
______________________________________________________________________________________
Почему мы никак не можем отказаться от ракетных двигателей на химическом топливе? Неужели нельзя ничего придумать что-то лучше, чем взрыв водорода или газа? Хорошая новость: есть другие ракетные двигатели, которые пока воспринимаются как фантастика. Электромагнитное поле этих двигателей ускоряет атомы, что позволяет космическим аппаратам двигаться несколько месяцев. Речь идет про ионные двигатели, которые уже используются на нескольких космических аппаратах, чтобы реализовать множество удивительных исследований Солнечной системы.
Когда вы разрабатываете ракету, большую роль играет скорость, с которой она выкидывает газы. Самая эффективная ракета на химическом топливе выкидывает газ со скоростью 5 км/с. В то же время, ионные двигатели скидывают отдельные атомы со скоростью 90 км/с. Что позволяет космическому аппарату развить большую скорость? КПД наилучших ракет на химическом топливе составляет всего 35%, а ионные двигатели имеют целые 90%. Но как именно они работают? Правда похожа на научную фантастику.
Вместо раскаленных газов ионные двигатели выкидывают ионы, т.е. молекулы, которые имеют электрический заряд, потому что потеряли или получили электрон. Ионные двигатели выкидывают положительно заряженные ионы, которые потеряли свои электроны. Как только вы получили ионы, их магнитное поле формирует поток, разгоняется и, в результате, возникает сильнейшая тяга. Но откуда они берутся, эти ионы?
Проблема в том, что толчок от такого освобождения ионов, очень маленький. Тяга ионного двигателя измеряется в миллиньютонах, тысячных частиц Ньютона. Этого хватит, чтобы удержать в руках листок бумаги. Но двигатели будут работать в режиме ускорения дни, недели и даже месяцы, хотя в химической ракете уже давно закончилось бы топливо. Когда корабль выходит из зоны гравитации планеты, ионный двигатель кардинально меняет скорость.
А недавно был слух, что Европейское Космическое агентство протестировало ионный двигатель, который работает на воздухе. Инженеры предлагают полностью отказаться от топлива, вместо этого на низкой орбите космический корабль будет втягивать молекулы воздуха прямо с верхних слоев атмосферы, а потом будет ионизировать их и выкидывать их обратно в пространство. Учитывая, что корабль будет иметь безлимитный запас солнечной энергии, а топливо будет генерироваться прямо из атмосферы, он сможет очень долго работать без дозаправки. Космические корабли смогут функционировать на нижней высоте, а космические станции пребывать на низкой земной орбите без дозаправки. Это может кардинально изменить правила игры не только на Земле, но и на Марсе, Венере или Титане, везде, где есть атмосфера. Ионные двигатели уже внесли свой вклад в исследование космоса, а через несколько лет ими будут оснащены еще больше миссий. Вероятно, именно эти двигатели в ближайшее десятилетие доставят астронавтов на Марс.
Не секрет, что все реактивные двигатели работают за счёт закона сохранения импульса. Именно из него вытекает, что реактивная тяга — это произведение массового расхода на скорость выхода рабочего тела из сопла.
Эту скорость принято называть удельным импульсом реактивного двигателя. Давайте для примера найдём реактивную тягу при стрельбе из автомата Калашникова, которая является основной составляющей отдачи. Пусть масса пули будет 0,016 кг, начальная скорость пули 700 м/с, а скорострельность 10 выстр./с. Тогда отдача F=700∙0,016∙10=112 Н (или 11 кгс). Большая отдача, но тут приведена техническая скорострельность 600 выстр./мин. В реальности стрельба ведётся очередями или одиночными и составляет ≈50 выстр./мин.
Вернёмся к реальным реактивным двигателям, в которых вместо пуль обычно используются потоки выходящего с гиперзвуковой скоростью газа. Химические реактивные двигатели являются самыми распространёнными, но не единственными.
В этой статье, с большим предисловием, я хочу рассказать об ионных реактивных двигателях (далее ИРД). ИРД используют в качестве рабочего тела заряженные частицы — ионы. Ионы имеют массу, и если их разогнать электрическим полем, то можно создать реактивную тягу. Это всё в теории, а теперь подробнее. ИРД имеет некоторый запас газа, который ионизируют (т.е. нейтрально-заряженные атомы газа разбивают на отрицательные электроны и положительные ионы) с помощью газового разряда. Далее ионы разгоняются электрическим полем с помощью специальной системы сеток, и эта же система сеток блокирует движение электронов. После того, как положительные ионы вылетели из сопла, их нейтрализуют отрицательными электронами (в результате этого происходит рекомбинация и газ начинает светиться), чтобы ионы не притягивались обратно к двигателю, и тем самым не снижали его тяги.
Обычно в ИРД в качестве рабочего тела используется газ ксенон, так как он имеет наименьшую энергию ионизации среди инертных газов.
Удельный импульс ионных реактивных двигателей достигает 50 км/с, что в 150 раз превышает скорость звука! Увы, но тяга таких двигателей составляет около 0,2 Н. Почему же так? Ведь удельный импульс очень большой. Дело в том, что масса ионов очень маленькая и массовый расход получается небольшим. Для чего тогда такие двигатели нужны, если они ничего не смогут сдвинуть с места? На Земле может быть не смогут, а вот в космосе, где нет сил сопротивления, они достаточно эффективные. Существует такое понятие как полный импульс — произведение тяги на время или произведение удельного импульса на массу топлива, который у ИРД является достаточно большим.
Решим следующую задачу. Пусть жидкостный ракетный двигатель имеет удельный импульс 5 км/с, а у нашего ИРД он будет 50 км/с. И давайте масса рабочего тела (в ЖРД она равна массе топлива) у обоих двигателей будет 50 кг. Примем массу космического аппарата равной 100 кг.
Найдём по формуле Циолковского конечную скорость аппарата (т.е. когда в нём закончится рабочая масса).
И что получается, если ионный и химический реактивные двигатели будут иметь одинаковую массу топлива, то ИРД сможет разогнать космический аппарат до больших скоростей, нежели химический РД. Правда на ИРД космический аппарат будет разгонятся дольше до конечной скорости, чем на ЖРД. Но в путешествиях к далёким планетам, высокая конечная (разгонная) скорость будет компенсировать этот недостаток.
ИРД используются и в наше время. Например, аппарат Deep Space 1 сблизился с астероидом Брайль и кометой Борелли, передал на Землю значительный объём ценных научных данных и изображений.
Deep Space 1
Также космическая антенна LISA, которая сейчас находится на стадии проектирования, будет использовать ИРД для корректировки орбиты.
Laser Interferometer Space Antenna
И напоследок, давайте определим тягу ИРД, зная массу иона М=6,5∙10^-26 кг, ускоряющие напряжение U=50 кВ, ток нейтрализации I=0,5 А, элементарный заряд е=1,6∙10^-16 Кл.
Напряжение — это работа по переносу заряда, т.е. на выходе из сопла ион будет иметь кинетическую энергию равную произведению напряжения на заряд иона. Из кинетической энергии выражаем скорость (удельный импульс). Найдём массовый расход из определения тока, электрический ток — это проходящий заряд во времени. Получается, что массовый расход — это произведение массы иона и тока, делённое на заряд иона. Перемножая удельный импульс и массовый расход, получаем тягу равную 0,1 Н.
Подводя итог, хочу сказать, что существуют плазменные реактивные двигатели, у которых схожее устройство, но которые имеют намного больший массовый расход рабочего тела. Кто знает, может быть уже завтра на таких двигателях человечество будет летать на Марс и Луну.
Вы используете Internet Explorer устаревшей и не поддерживаемой более версии. Чтобы не было проблем с отображением сайтов или форумов обновите его до версии 7.0 или более новой. Ещё лучше - поставьте браузер Opera или Mozilla Firefox.
Обсудить и задать вопросы можно в этой теме.
maxim
втянувшийся
Принципиально новый двигатель позволил
космическому аппарату НАСА проникнуть в
Солнечную систему намного глубже, чем любые
рукотворные приборы, запущенные когда бы то ни
было в прошлом.
По словам представителей американского
аэрокосмического агентства, ионная силовая
установка успешно двигала аппарат Deep Space-1
в течение 200 дней - куда дольше, чем
традиционные космические двигатели, которым
топлива хватает всего на несколько суток.
- Ионный двигатель, установленный на Deep
Space-1, накопил уже больше времени
деятельности в космосе, чем любая другая
система в истории освоения космоса, - утверждает
представитель НАСА Джон Брофи.
Ионный двигатель позволяет космическому
аппарату проникнуть в такие районы открытого
космоса, до которых традиционным долетать
никогда не удавалось.
В отличие от фейерверка,
принцип которого заложен
в большинстве ракетных
двигателей, работающих
на твердом или жидком
топливе, ионные излучают
лишь жутковатое голубое
свечение: это
выбрасываются наружу
ионизированные атомы
ксенона. Ксенон - тот же
газ, что используется в
фотовспышках и
большинстве ламп дневного света.
Испуская поток электрически заряженного газа,
двигатель производит небольшой поступательный
импульс, силу которого можно сравнить с тем
давлением, которое оказывает кусочек бумаги на
руку человека.
Этот тип топлива намного легче и более
эффективен, чем химический, что удешевляет
использование ионных двигателей по сравнению с
традиционными. Скорость такой двигатель набирает
медленно, но держит ее достаточно долго, а
удельная мощность его на единицу веса в 10 раз
больше, чем у топливного.
К концу своей миссии ионный двигатель разгонит
Deep Space-1 до 11 тысяч километров в час.
- Важность использования такого двигателя
заключается в том, что он очень эффективен, -
говорит руководитель проекта доктор Марк Рэйман.
- Он обладает очень маленькой движущей силой,
но он и весит меньше, так что его можно
использовать для более дешевых запусков, а уж
по скорости - после ее набора - с ним не сравнится
ни один другой двигатель. И с его помощью мы
сможем проникать намного глубже в Солнечную
систему, - добавляет Рэйман.
Основной задачей аппарата Deep Space-1 является
встреча в сентябре следующего года с кометой
Боррелля.
Ионный двигатель — разновидность электрического ракетного двигателя. Его рабочим телом является ионизированный газ (аргон, ксенон и т. п.).
Содержание
История
Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 29 февраля 2012.
Принцип ионного двигателя довольно давно известен и широко представлен в фантастической литературе, компьютерных играх и кинематографе, но для космонавтики стал доступен только в последнее время.
В 1960 году был построен первый функционирующий широко-лучевой (broad-beam) ионный электростатический двигатель (создан в США в NASA Lewis Research Center). В 1964 году — первая успешная суборбитальная демонстрация ионного двигателя (SERT I) тест на выполнимость нейтрализации ионного луча в космосе.
В качестве основного (маршевого) двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1 (первый запуск двигателя 10 ноября 1998). Следующими аппаратами стали европейский лунный зонд Смарт-1, запущенный 28 сентября 2003, и японский аппарат Хаябуса, запущенный к астероиду в мае 2003.
Следующим аппаратом NASA, обладающим маршевыми ионными двигателями, стала (после ряда замораживаний и возобновления работ) АМС Dawn, которая стартовала 27 сентября 2007 года. Dawn предназначается для изучения Весты и Цереры, и несет три двигателя NSTAR, успешно испытанных на Deep Space 1.
Европейское Космическое Агентство установило ионный двигатель на борту спутника GOCE, запущенного 17 марта 2009 года на сверх-низкую околоземную орбиту высотой всего около 260 км. Ионный двигатель создаёт в постоянном режиме импульс, компенсирующий атмосферное трение и другие негравитационные воздействия на спутник.
Принцип действия
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 [2] 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.
В существующих реализациях для поддержки работы двигателя используются солнечные батареи. Но для работы в дальнем космосе такой способ неприемлем. Поэтому уже сейчас для этих целей иногда используются ядерные установки.
Источником ионов служит газ, как правило это аргон или водород, бак с газом стоит в самом начале двигателя, оттуда газ подаётся в отсек ионизации, получается холодная плазма, которая разогревается в следующем отсеке посредством ионного циклотронного резонансного нагрева. После нагрева, высокоэнергетическая плазма подается в магнитное сопло, где она формируется в поток посредством магнитного поля, разгоняется и выбрасывается в окружающую среду. Таким образом достигается тяга.
С тех пор плазменные двигатели прошли большой путь и разделились на несколько основных типов, это электротермические двигатели, электростатические двигатели, сильноточные или магнитодинамические двигатели и импульсные двигатели. В свою очередь электростатические двигатели делятся на ионные и плазменные (ускорители частиц на квазинейтральной плазме).
Положительные ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2 или 3 сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против — 225 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 по двум причинам:
Чтобы ионный двигатель работал нужны всего 2 вещи — газ и электричество.
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.
Перспективы
Ионный двигатель с ядерным реактором имеет небольшое ускорение, что делает его непригодным для межзвездного полета [3] [4] .
Действующие миссии
- SERT
- Deep Space 1
- Artemis
- Hayabusa
- Smart 1
- Dawn
- GOCE
Планируемые миссии
ЕКА планирует использовать ионный двигатель в меркурианской миссии BepiColombo. Он будет базироваться на двигателе, основанном на Смарт-1, но станет более мощным (запуск намечен на 2011—2012).
GSAT-4 LISA Pathfinder Международная космическая станция
Нереализованные проекты
Читайте также: