Войти
Ион с координатной сеткой Двигатель - это обычная конструкция для ионных двигателей, высокоэффективных двигателей малой тяги , работающих на электроэнергии. В этих конструкциях используются высоковольтные сеточные электроды для ускорения ионов с помощью электростатических сил.
Ионный двигатель был впервые продемонстрирован уроженцем Германии НАСА ученым Эрнстом Стюлингером и разработан в практической форме Гарольдом Р. Кауфманом в НАСА Льюис (ныне Гленн) Исследовательский центр с 1957 по начало 1960-х.
Использование ионных силовых установок было впервые продемонстрировано в космосе НАСА Льюис "Испытание космической электрической ракеты" (SERT) I и II. В этих двигателях в качестве реакционной массы использовалась ртуть. Первым был SERT-1, запущенный 20 июля 1964 года, который успешно доказал, что технология в космосе работает, как и предполагалось. Второе испытание, SERT-II, начатое 3 февраля 1970 года, подтвердило работу двух двигателей с ионами ртути в течение тысяч часов работы. Несмотря на демонстрацию в 1960-х и 1970-х годах, они редко использовались до конца 1990-х годов.
НАСА Гленн продолжал разрабатывать электростатические сетчатые ионные двигатели на протяжении 1980-х годов, разработав двигатель готовности к применению солнечной технологии НАСА (NSTAR), который успешно использовался на Deep Space 1 зонд, первая миссия, совершившая полет по межпланетной траектории с использованием электрической тяги в качестве основного двигателя. В настоящее время он выполняет миссию по астероиду Рассвет. Hughes Aircraft Company (ныне L-3 ETI) разработала XIPS (Xenon Ion Propulsion System) для поддержания станции на своих геосинхронных спутниках (работает более 100 двигателей). НАСА в настоящее время 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. Aerojet недавно завершил испытания прототипа NEXT ионного двигателя.
Начиная с 1970-х годов, радиочастотные ионные двигатели были разработаны в Университете Гиссена и ArianeGroup.. Двигатели РИТ-10 летают на самолетах EURECA и ARTEMIS. Компания Qinetiq (Великобритания) разработала двигатели T5 и T6 (типа Kaufman), используемые в миссии GOCE (T5) и в миссии BepiColombo (T6). Из Японии µ10, используя микроволны, летел в рамках миссии Хаябуса.
Атомы ракетного топлива вводятся в разрядную камеру и ионизируются электронной бомбардировкой, образуя плазму. Существует несколько способов получения энергичных электронов для разряда: электроны могут эмиттироваться из полого катода и ускоряться разностью потенциалов с анодом; электроны могут быть ускорены колеблющимся электрическим полем, индуцированным переменным электромагнитом, что приводит к самоподдерживающемуся разряду и без катода (радиочастотный ионный двигатель); и микроволновое нагревание. Положительно заряженные ионы диффундируют к вытяжной системе камеры (2 или 3 многоапертурные решетки). После того, как ионы попадают в плазменную оболочку в отверстии сетки, они ускоряются разностью потенциалов между первой и второй сетками (называемыми сетками экрана и ускорителя соответственно). Ионы направляются через отверстия для вывода мощным электрическим полем. Конечная энергия ионов определяется потенциалом плазмы, который обычно немного превышает напряжение экранных сеток.
Отрицательное напряжение на сетке ускорителя предотвращает попадание электронов из пучковой плазмы вне двигателя малой тяги обратно в разрядную плазму. Это может выйти из строя из-за недостаточного отрицательного потенциала в сети, что является обычным окончанием срока службы ионных двигателей. Выброшенные ионы двигают космический корабль в противоположном направлении, согласно 3-му закону Ньютона. Электроны с более низкой энергией испускаются в ионный пучок с отдельного катода, называемого нейтрализатором, для обеспечения выброса равных количеств положительного и отрицательного заряда. Нейтрализация необходима для предотвращения накопления космического корабля отрицательного заряда, который притягивал бы ионы обратно к космическому кораблю и нейтрализовал бы тягу.
Ионная оптика постоянно подвергается бомбардировке небольшим количеством вторичных ионов и разрушается или изнашивается, что снижает эффективность и срок службы двигателя. Ионные двигатели должны иметь возможность работать эффективно и непрерывно в течение многих лет. Для уменьшения эрозии использовалось несколько методов; Наиболее заметным был переход на другое топливо. Атомы ртути или цезия использовались в качестве пропеллентов во время испытаний в 1960-х и 1970-х годах, но эти пропелленты прилипли к решеткам и разрушили их. Атомы ксенона, с другой стороны, гораздо менее агрессивны и стали предпочтительным топливом практически для всех типов ионных двигателей малой тяги. НАСА продемонстрировало непрерывную работу двигателей NSTAR в течение более 16000 часов (1,8 года), и все еще продолжаются испытания на удвоение этого срока службы. Электростатические ионные двигатели также достигли удельного импульса 30–100 кН · с / кг, что лучше, чем у большинства других типов ионных двигателей. Электростатические ионные двигатели ускоряли ионы до скорости, достигающей 100 км / с.
. В январе 2006 года Европейское космическое агентство вместе с Австралийским национальным университетом объявили об успешном испытании. усовершенствованного электростатического ионного двигателя Dual-Stage 4-Grid (DS4G), который показал скорость выхлопа 210 км / с, что, как сообщается, в четыре раза выше, чем достигнутая ранее, что позволяет удельный импульс в четыре раза выше. Обычные электростатические ионные двигатели имеют только две решетки, одну высоковольтную и одну низковольтную, которые выполняют как функции извлечения ионов, так и функции 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 снижая долговечность двигателя. Это ограничение успешно преодолевается при использовании двух пар сеток. Первая пара работает при высоком напряжении, при этом разница напряжений между ними составляет около 3 кВ; Эта пара сеток отвечает за извлечение заряженных частиц топлива 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 увеличивать его тягу, и более узкий, менее расходящийся выхлопной шлейф в 3 градуса, который, как сообщается, в пять раз уже, чем достигалось ранее. Это уменьшает количество топлива, необходимое для корректировки ориентации космического корабля из-за небольших погрешностей в направлении вектора тяги.
Самая большая разница во многих электростатических ионных двигателях - это метод ионизации атомы топлива - электронная бомбардировка (NSTAR, NEXT, T5, T6), радиочастотное (RF) возбуждение (RIT 10, RIT 22, µN-RIT), микроволновое возбуждение (µ10, µ20). С этим связана потребность в катоде и требуемые усилия для источников питания. Двигатели типа Кауфмана требуют, как минимум, питания катода, анода и камеры. Для ВЧ- и СВЧ-типов требуется дополнительный ВЧ-генератор, но нет источников питания для анода или катода.
В системах сетки экстракции небольшие различия возникают в геометрии сетки и используемых материалах. Это может иметь последствия для срока службы энергосистемы.
