Ионный двигатель, перспективы и развитие

Legat

Ословед
Улучшенные ионные двигатели откроют дверь за пределы Солнечной системы

Для многих фраза «Включаем ионный двигатель» может показаться скорее пришедшей из какого-нибудь фантастического фильма, вроде «Звездных войн», нежели относящейся к реальному миру. А ведь ионные двигатели на самом деле используются в различных космических миссиях уже более сорока лет и они по-прежнему продолжают оставаться объектом активных исследований со стороны ученых. Эти двигатели обладают невероятной топливной эффективностью, но их малая тяга требует их постоянной работы – от сюда и все проблемы при их применении. Ведь постоянная работа – это постоянный износ, и как следствие – серьезное ограничение периода их эксплуатации и жизнеспособности. Но группа ученых из исследовательской лаборатории NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) придумали новый дизайн двигателя, который исключает износ и открывает двери для возможных будущих миссий за пределами нашей Солнечной системы.
Различные типы ионных двигателей начали применять в космических миссиях еще в 1964 году, когда NASA запустила программу суборбитального полета SERT (Space Electric Rocket Test I). После этого во многих космических полетах на той или иной стадии использовались такие двигатели. Например, несколько коммуникационных спутников достигали своих ключевых геосинхронных орбит используя именно ионную тягу. А аппарат SMART-1 производства Европейского космического агентства хоть и использовал при выходе на околоземную орбиту обычные двигатели, для полета до лунной орбиты использовал ионные движки.
Но во всей своей красе ионные двигатели смогли раскрыться только при полетах в дальний космос: миссиях NASA Deep Space One и Dawn, и миссии Hayabusa от Японского аэрокосмического исследовательского агентства, где ионные двигатели активировались на разных стадиях, на протяжении нескольких лет и создавали тягу в несколько сотен ньютон.

Как же работает ионный двигатель?

Существует множество видов и еще больше предложенных вариантов ионных двигателей, но основной принцип один для всех. Есть два базовых вида ионных двигателей – электростатический и электромагнитный.
Электростатический ионный двигатель работает по принципу ионизации топлива (чаще всего в таких случаях используются газы ксенон или аргон). Сначала из электрона получают положительно заряженный ион, путем наделения его достаточной энергией. Затем положительно заряженные ионы помещаются между двумя специальными заряженными решетками образующими электростатическое поле. Это настолько разгоняет заряженные ионы, что они буквально вырываются из сопла двигателя и тем самым дают нужную тягу.
Электромагнитный ионный двигатель тоже работает по принципу ионизации топлива. Но в этом случае образуется плазма, которая образует своего рода мост (поток) между ионизированным анодом и катодом. Этот поток преобразует магнитное поле в электрическое поле, которое разгоняет положительно заряженные ионы. Выводятся они из двигателя благодаря силе Лоренцо – примерно по похожему принципу работает рейлган.
…а космические корабли бороздят просторы Вселенной

Все описанное выше требует большого количества электрической энергии, примерно 25 кВт на ньютон тяги. Так сколько же нужно уровней тяги для перемещения по Солнечной системе, скажем, 100-тонного космического корабля? Все конечно зависит от самой миссии, но 1000 H будет вполне достаточно, чтобы примерно за 10 месяцев достигнуть орбиты Юпитера, а орбиты Нептуна – за полтора года.
Что же для этого потребуется? Сперва нужно будет обзавестись источником энергии с силой около 25 МВт (мегаватт). Что же подойдет для такого уровня? Ядерная энергия, конечно! Очень много ядерной энергии, которая вырабатывается ядерным реактором, установленным в 100-тонном космическом корабле. К счастью технологии довольно активно развиваются, и в направлении создания компактных ядерных реакторов работы уже ведутся. Более того, NASA и DOE работают вместе над проектом Fission Surface Power Project, сутью которого является размещение на поверхности Луны и Марса маленьких ядерных электростанций. Задачей проекта является создать в ближайшие 10 лет реактор мощностью 40 кВт, который влезет в пространство размером 3 x 3 x 7 метров и при этом не будет весить больше 5000 кг.
Проблема конструкции

Допустим, миниатюрную ядерную электростанцию мы уже создали. Как мы сделаем сам ионный двигатель на 1000 Н? Помимо обычных технических проблем, вроде эффективности ионизации топлива и разработки системы охлаждения для такого двигателя, самой большой проблемой в данном вопросе является быстрый износ из-за большого ионного «выхлопа» который будет выделять из двигателя и в конце концов просто разрушит конструкцию. Но что интересно, проблем стоит не в материале, из которого этот двигатель состоит, а в нынешней конструкции (дизайне). Так вот эту проблему уже частично решили исследователи из NASA и лаборатории Jet Propulsion.
На схеме ниже можно видеть как топливная плазма заполняет анодный и газовый распылитель. При низкой тяге, малое количество плазмы разгоняется эффектом Лоренца, благодаря магнитному и электрическому полям. При большой тяге плотность плазмы становится достаточно мощной чтобы искривить эти поля, что в результате разгоняет положительно заряженные ионы прямо в анодную стену.

В нынешних ионных двигателях высокая вырабатываемая ионная энергия разрушает стенки камеры. При попытке увеличить тягу, тем самым снизив потребление топлива, разрушение происходит еще быстрее. Проблема становится еще сложнее и потому, что электродинамика полей и плазмы нелинейна, что усложняет возможность предсказать эффект эрозии после изменения самого дизайна камеры.
Новый подход заключается в том, чтобы защитить стенки камеры от заряженных ионов путем создания магнитного щита. NASA удалось это сделать путем экранирования стенок нитридом бора таким образом, что магнитное поле от внутренней и внешний катушки проходит вдоль конца анодного канала. Другими словами, магнитное поле теперь никак не влияет на сами стенки камеры. Эти поля теперь находятся перпендикулярно, или даже практически параллельно стенкам.
Результаты первых экспериментов новой магнитно-экранированной камеры с мощностью 6 кВт ускорителя показали, что эрозия резко снизилась на 500-1000 пунктов. Это просто отличный результат!
Разумеется, на дальнейшем пути создания более крупных ионных двигателей ученые наверняка столкнуться с немалым количеством трудностей, но основная задача, которая вроде бы и лежала на поверхности, но никак не хотела решаться, теперь все таки решена. Другими словами, мы стали еще на один шаг ближе к миссиям и, кто знает, даже коммерческим путешествиям в дальний космос.

 

Legat

Ословед
Ионный двигатель NASA проработал без остановки 5 с половиной лет

6e67f332db99c45ca3382fa6a8691714.jpg



NASA объявило о том, что исследовательский проект ионного двигателя под кодовым названием NEXT (NASA's Evolutionary Xenon Thruster) перешагнул значительный рубеж — двигатель проработал без остановки 48 000 часов (или 5,5 лет), что является наиболее длительным временем тестирования подобных систем для космических двигателей. Конечная цель проекта — разработка экономичного и мощного двигателя для продолжительных миссий в глубоком космосе, которые предусматриваются исследовательской программой Planetary Science Decadal Survey.


Запущеный в июне 2005 года в исследовательском центре NASA имени Гленна в Кливленде, двигатель преобразует солнечную энергию, получаемую с установленных солнечных панелей, для питания ионной установки мощностью в 7 кВт, которая разгоняет заряженные частицы ксенона до скорости 145 000 км/ч, что и обеспечивает тяговое ускорение. Несмотря на то, что характерным недостатком ионных двигателей является малая тяга, в данном случае ситуацию характеризуют как значительное улучшение характеристик и, таким образом, мощности двигателя.


Экономичность NEXT можно описать следующим сравнением — за время эксперимента было потрачено 870 кг ксенона, что позволило получить такой же импульс движения, который было бы возможно получить, сжигая 10 000 кг условного ракетного топлива.


На данный момент в космосе уже функционирует космический аппарат Dawn на ионном двигателе, запущенный для исследования астероида Весты и карликовой планеты Цереры.
 

Legat

Ословед
ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ИЗ ФЕРРОФЛЮИДА

Новая технология, позволяющая создавать более простые и дешевые двигатели для наноспутников, использует замечательные свойства ферромагнитной жидкости.

Десятки наноспутников – космических аппаратов размером со смартфон – находятся на околоземных орбитах, выполняя свои несложные, но от этого не менее важные задачи. Многие их электронные компоненты заимствованы у вполне земных гаджетов: миниатюрные камеры, радио- и GPS-приемники после некоторых усовершенствований вполне способны функционировать и в космическом пространстве. Но по крайней мере одну из технологий, необходимых для развития наноспутников, приходится разрабатывать практически с чистого листа: ни один смартфон пока не оснащен ракетными двигателями.
Наноспутники – это космические «автостопщики», как правило, добирающиеся на орбиту на «попутках». Ракета, выводящая на орбиту более массивный основной груз, может прихватить с собой и наноспутник, но совсем не обязательно «высадит» его в нужном месте. На заданную орбиту наноспутники вынуждены попадать своим ходом. Для этого необходимы двигатели.
Примером таких двигателей может служить установка, распыляющая тонкие струи ионной жидкости через полые иглы толщиной в несколько раз меньше человеческого волоса. Сотни игл упакованы в блок размером с почтовую марку. Такой двигатель может создавать тягу, эквивалентную весу нескольких песчинок. Но для маневрирования наноспутника этого вполне достаточно.
Однако изготовить сотни хрупких игл и объединить их в двигатель – непростая задача. Поэтому ионные двигатели, построенные по этому принципу, довольно дороги даже по космическим меркам. К тому же их может вывести из строя даже незначительный удар или возникшая по какой-либо причине электрическая дуга.
Исследователи из Мичиганского технологического университета во главе с Брэдом Кингом решили пойти по другому пути. Чтобы не столкнуться с технологическими сложностями, неизбежно возникающими при изготовлении микроигл, ученые решили использовать свойствоферромагнитной жидкости образовывать пики при воздействии магнитного поля. Каждое острие такой поверхности может распылять ионы также, как это делают микроиглы.
Однако перед тем, как разрабатывать двигатель, необходимо было получить ионную жидкость, которая вела бы себя как феррофлюид. Оказалось, что другая группа ученых, работающих в Сиднейском университете, уже решила эту задачу, смешав феррофлюид на основе наночастиц, производимых компанией Sirtex и используемых для лечения рака печени.
Первый ферромагнитно-ионный двигатель представлял собой дюймовый алюминиевый блок с кольцом феррофлюида в центре. Поблизости от магнита феррофлюид образует «корону» с пятью зубцами. А приложенная электрическая сила заставляет жидкость истекать из вершины каждого пика тончайшей струйкой, создавая тягу. «Это захватывающее зрелище, – рассказывает Кинг. – Пики становятся все выше и тоньше, и в какой-то момент закругленные вершины мгновенно превращаются в наноострые, начиная испускать ионы».
Ферромагнитно-ионный двигатель способен самовосстанавливаться, что и продемонстрировали (хотя и не намеренно) исследователи. Случайно приложив слишком высокое напряжение, они увидели, как пики разрушились в электрической дуге, но почти мгновенно сформировались вновь. А для типичного ионного двигателя такая ситуация оказалась бы фатальной.
Ученые планируют лучше изучить физические основы процесса, построив еще несколько прототипов. Возможно, такие двигатели когда-нибудь будут использованы для маневрирования реальных наноспутников.
 

Legat

Ословед
КАК УСТРОЕН ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ЗОНДА DAWN, КОТОРЫЙ ЛЕТИТ К ЦЕРЕРЕ?

Dawn_spacecraft_in_asteroid_belt-650x438.jpg

Космический аппарат NASA Dawn провел более семи лет, путешествуя по Солнечной системе, чтобы исследовать астероид Весту и карликовую планету Цереру. Будучи на орбите Цереры, зонд передал нам первые снимки и данные об этих удаленных объектах. Но внутри самого Dawn есть другой, первый в своем роде двигатель — космический аппарат впервые в истории использует ионный двигатель на электротяге.

Такой ионный двигатель должен будет оснащать новое поколение космических аппаратов. Электроэнергия используется для создания заряженных частиц топлива, обычно газа ксенона, и ускорения их до чрезвычайно высоких скоростей. Скорость обычных ракет ограничена химической энергией, запасенной в молекулярных связях топлива, которая ограничивает тягу до 5 км/с. Ионные двигатели в принципе ограничены только электрической энергией, доступной на корабле, но заряженные частицы позволяют развить тягу от 15 км/с до 35 км/c.
На практике это означает, что работающие на электричестве двигатели намного экономичнее химических, поэтому можно сохранить большое количество массы вследствие забора меньшего количества топлива. При стоимости запуска одного килограмма массы на околоземную орбиту в 20 000 долларов, космический аппарат может стать значительно дешевле.
Это может быть весьма полезно для коммерческих производителей геостационарных спутников; электрическая силовая установка позволит им маневрировать, добавляя новые возможности спутникам. Кроме того, для научных миссий вроде межпланетных путешествий ко внешним регионам Солнечной системы, электрическая тяга может быть единственной возможной для перемещения полезной научной аппаратуры на огромные расстояния.
[h=2]Электросила космоса[/h]Есть три основных типа электрических двигателей, в зависимости от метода, который используется для ускорения топлива.
Термоэлектрические двигатели используют электроэнергию, чтобы нагреть топливо, либо пропуская ток через нагревательный элемент, либо пропуская ток через горячий ионизированный газ или саму плазму, к реактивному двигателю.
2-z2-51eefd40-e10d-4a81-9f85-ed11e06bdaff.png
Электромагнитные двигатели ионизируют ракетное топливо, превращая его в электропроводящую плазму, которая разгоняется при взаимодействии с мощным электрическим током и магнитным полем. Импульсные плазменные двигатели на самом деле очень похожи на электродвигатели.
Электростатические двигатели используют электрическое поле, генерируемое путем применения высокого напряжения на две сети, перфорированные множеством крошечных дырочек, чтобы ускорить топливо. Такой ксеноновый двигатель (а точнее три таких) и стоит на зонде Dawn. Другая электростатическая конструкция является двигателем на эффекте Холла, который работает похоже, но вместо высокого напряжения генерирует электрополе в выходной плоскости двигателя, захватывая электроны магнитным полем.
[h=2]Полвека создания[/h]Концепция электрической двигательной установки существует уже более 50 лет, но всегда считалась слишком рискованной, чтобы лечь в основу крупных проектов. Только сейчас она начинает обретать реальные применения. К примеру, для сохранения геостационарных спутников на корректной орбите, чтобы противостоять аэродинамическому сопротивлению в разреженной атмосфере в 200 км над поверхностью Земли. Межпланетные миссии вроде Deep Space 1 — первой экспериментальной миссии с использованием ионных двигателей — изначально задумывались для демонстрации возможностей технологии, но по большей части успешно выполнили возложенные на них обязательства по исследованию астероида 9969 Брайля и кометы Боррелли 15 лет назад.
Еще одна весьма успешная миссия с ионными двигателями была GOCE (Gravity field and steady state Ocean Circulation Explorer); этот спутник за четыре года до 2013 года не был в состоянии отобразить в беспрецедентных деталях гравитационное поле Земли.
[h=2]Будущие проекты[/h]Теперь, когда космические аппараты с электродвигателями начинают получать широкое распространение, они вполне могут снизить стоимость развертывания спутников. С компактными ионными двигателями на борту, спутники могут поднимать себя от низкой околеземной орбиты к окончательной геостационарной орбите своими силами. Это позволит сэкономить огромное количество топлива, необходимого для подъема спутников силами обычных химических ракет, а также использовать гораздо меньшие ракеты-носители, которые тоже сэкономят денег. Boeing первой начала в 2012 году оснащать полностью электрические версии своей платформы спутников 702 ксеноновыми ионными двигателями, и другие производители спутников тоже последуют их примеру.
В настоящее время все проекты работают с использованием ксенонового газа и топлива, но ищутся альтернативы, поскольку ксенон очень дорогой. Но электрическая энергия никуда не денется, и в более долгосрочной перспективе космические буксиры и даже пилотируемые полеты на Марс, в основе которых будет лежать ядерная электрическая установка, получат широкое распространение.

20150429_3_1.jpg

Беспилотный космический самолет X-37B, который является одной из секретных технологий ВВС США, готовится к очередному запуску в рамках миссии Orbital Test Vehicle (OTV) 4. Как обычно запуск, назначенный на 20 мая 2015 года, будет производиться с космодрома на мысе Канаверал и когда этот небольшой космический корабль выйдет на околоземную орбиту он произведет "боевые" испытания нового ионного двигателя на основе эффекта Холла.
20150429_3_2.jpg

Космический корабль X-37B, который напоминает Шаттл в миниатюре, является одним из двух идентичных аппаратов, построенных компанией Boeing Phantom Works. В настоящее время эти два космических кораблясовершили три длительных космических полета, пробыв на околоземной орбите 1367 суток в общей сложности. Задачи, которые решали эти аппараты в космосе, покрыты тайной, а руководства американских ВВС отделывается лишь отговорками об испытаниях технологий космических аппаратов многократного использования.

Ионные двигатели Холла, которые помогут кораблю X-37B выполнить его миссию, являются ионными двигателями, весьма похожими на ионные двигатели, которые позволили исследовательскому космическому аппарату Dawn побывать возле астероида Веста, добраться до карликовой планеты Церера, установив по путирекорд скорости перемещения в космическом пространстве. Ионные двигатели используют электроны для ионизации атомов инертного газа, ксенона, которые затем ускоряются при помощи электрических полей и вырабатывают реактивную тягу. Хотя вырабатываемая ионным двигателем сила тяги эквивалентна весу листа бумаги, двигатель чрезвычайно эффективнее и может непрерывно работать в течение многих лет, разгоняя космический аппарат до очень высоких скоростей.
20150429_3_3.jpg

Экспериментальный ионный двигатель Холла был разработан совместными усилиями специалистов Научно-исследовательской лаборатории ВВС США (Air Force Research Laboratory, AFRL), центра Space and Missile Systems Center (SMC) и управления Rapid Capabilities Office (CRO). Он, в сущности, является модернизированным вариантом двигателей, используемых на первых трех спутниках системы военной космической связи Advanced Extremely High Frequency (AEHF).

Когда, находясь на околоземной орбите, космический корабль X-37B включит ионный двигатель, начнется передача на Землю потока телеметрических данных, которые будут содержать информацию о функционировании и режимах работы двигателя, о силе вырабатываемой им тяги и о многом другом. Собранные в ходе экспериментального запуска данные будут использоваться для улучшения конструкции очередных ионных двигателей, которые уже будут предназначаться для фактической работы на орбите.
 
Сверху