Ионный двигатель
Ионные двигатели
могут использоваться для широкого спектра задач — от коррекции положения спутников на орбите Земли, до разгона гигантских космических кораблей, направляющихся за пределы нашей Солнечной системы в глубины Млечного Пути. Но что же такое ионный двигатель, и как именно он используется в космосе? Обычные ракетные двигатели сжигают газ, который выпускается из сопла под высоким давлением, что вызывает мощную реактивную тягу, толкающую корабль вперед. У ионного двигателя инертный газ (ксенон, аргон) не сжигают, а ионизируют, а испускаемые им ионы разгоняют до высоких скоростей в сильном электрическом поле. Таким образом, ионы выстреливают из двигателя со скоростью до 150000 км в час.
Применение ионных двигателей
Но, к сожалению, тяга ионных двигателей чрезвычайно мала и сопоставима с давлением, которое оказывает один лист бумаги формата А4 на ладонь человека. Но в невесомой космической среде, где нет никакого трения, ионные двигатели могут быть чрезвычайно эффективными, поскольку эффект от их тяги накапливается со временем. Первый в мире ионный двигатель успешно используется на автоматической межпланетной станции DAWN , которую НАСА запустило в космос 27 сентября 2007 года для исследования астероида Веста и карликовой планеты Церера. В данный момент космический аппарат DAWN находится в поясе астероидов между и Юпитером.
У него ушло четыре дня на то, чтобы с помощью ионного двигателя разогнаться с нуля до 100 километров в час. Да, это не особо впечатляет, но зато ионные двигатели очень экономные и могут работать десятилетиями. При этом скорость космического корабля, разгоняемого ионным двигателем, постоянно увеличивается и может составлять тысячи километров в секунду через определенное время.
Зачем использовать ионные двигатели?
Этот тип движения дают космическим аппаратам маневренность на орбите Земли. С их помощью можно легко менять расположение спутников, например, для коррекции высоты их орбиты или уклонения от крупного . Кроме этого ионные двигатели значительно дешевле и экономнее ракетных двигателей. Они значительно продлевают срок эксплуатации спутников и сокращают пусковые и эксплуатационных затраты. В данный момент времени, НАСА работает над разработкой сразу двух ионных двигателей нового поколения: Эволюционный ксеноновый Двигатель Next и кольцевой ионный двигатель . Эти новые двигатели снизят стоимость космических миссий и продлят время их работы, а также будут обладать более высокой мощностью.
Цель работы: изучение истории ионного двигателя, рассмотрение перспектив его использования в ближайшем будущем и проведение расчётов связанных с его применением.
При выполнении работы ставились следующие задачи:
найти, изучить и проанализировать литературу о ионном виде двигателей
составить краткий вводный курс об истории создания, применения, а также принципе работы ионных двигателей
проанализировав результаты осуществлённых космических полётов, провести свои расчёты с целью получения необходимой информации о моделируемом мной полёте
сделать выводы
Была выдвинута гипотеза: ионный двигатель имеет некоторые заметные преимущества перед обычными ракетными двигателями, делающие его использование перспективным.
В работе были использованы следующие методы исследования:
анализ
синтез
моделирование
измерение
Объект исследования: Ионный двигатель
Актуальность темы:
Человек пытается разглядеть и попасть во всё более отдалённые от него места космоса. И для успешного развития человечества в этой отрасли, необходимо постоянно улучшать космические аппараты, используя в них новые технологии, позволяющие оптимизировать расход топлива, увеличить вместимость и тд. Ионный двигатель является довольно выгодным ввиду малого расхода топлива, а значит, именно он может в дальнейшем заменить обычные двигатели и помочь человеку в дальнейшем освоении космоса.
Гипотеза: ионный двигатель имеет некоторые заметные преимущества перед обычными ракетными двигателями, делающие его использование перспективным.
Определение
Ионный двигатель - тип электрического ракетного двигателя, принцип работы, которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.
Принцип работы
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. Таким образом, в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса, что позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа, но требует больших затрат энергии. В ионизатор подается ксенон, который сам по себе нейтрален, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны. Положительные же 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 для того, чтобы ионы «нейтрализованные» таким образом не притягивались обратно к кораблю.
История
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 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 1970 году - испытание на длительную работу ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II). С 1970-х годов ионные двигатели на эффекте Холла использовались в СССР в качестве навигационных двигателей (двигатели SPT-60 использовались в 1970-х годах на «Метеорах», SPT-70 на спутниках «Космос» и «Луч» в 1980-х, SPT-100 в ряде спутников в 1990-х). 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.
Ближайшие космические программы
В ближайшем будущем, ЕКА (Европейское космическое агенство) совместно с JAXA(Японское космическое агенство) и Роскосмосом планирует использовать ионный двигатель в меркурианской миссии BepiColombo(апрель 2018). К планете отправятся две орбитальных станции на одном транспортном модуле Mercury Transfer Module (MTM). BepiColombo будет использовать ионные двигатели, опробованные на модуле Смарт-1.
NASA ведёт проект «Прометей», для которого разрабатывается мощный ионный двигатель, питающийся электричеством от бортового ядерного реактора. Предполагается, что такие двигатели в количестве восьми штук смогут разогнать аппарат до 90 км/с. Первый аппарат этого проекта Jupiter Icy Moons Explorer планировалось отправить к Юпитеру в 2017 году, однако разработка этого аппарата была приостановлена в 2005 году из-за технических сложностей. В настоящее время идёт поиск более простого проекта АМС для первого испытания по программе «Прометей».
Возможность доставки грузов
Из-за небольшого ускорения, аппараты с ионным двигателем более разумно использовать для межпланетных (или других, на длинные дистанции) перелётов (для чего он уже и не раз использовался).
А если сравнить характеристики обычных и ионного двигателей, на данном помежутке, то выгодность использования второго будет хорошо заметна. Засчёт меньшего количества топлива увеличится полезная масса, уменьшатся денежные расходы на топливо, а сам аппарат доберётся до цели быстрее, развив скорость значительно больше, чем аппараты с другими видами двигателей.
Я провёл свои расчёты, чтобы узнать за какое время аппарат с заданными мной массой и другими техническими характеристиками сможет попасть на Марс, используя ионный двигатель в качестве основного. За основу я взял данные уже называемого мной аппарата Dawn и некоторые данные его полёта.
В качестве двигателя в расчётах я использовал ксеноновый ионный двигатель аппарата Dawn, разработанный на основе образца, испытанного на зонде Deep Space 1 с тягой 30 мН и удельным импульсом 3100 с.
Используя примерную схему полёта и проведения манёвров, я рассчитал, что общая длина траектории равна ~1 млрд км.
Используя данные полёта я узнал, что на перелёт от Земли до Весты одним двигателем было израсходовано ~275 кг ксенона, далее соотнеся длины траекторий полёта на Марс и Весту, я вычислил, что для одного двигателя будет необходимо лишь 100 кг ксенона.
Я решил установить на предполагаемый аппарат 3 двигателя с данными характеристиками, в результате чего масса топлива с небольшим запасом должна будет составлять ~325 кг Назначемнием данного аппарата я выбрал перевоз грузов с Земли на Марс в один конец. При таких условиях масса грузовика будет состоять из: 325 кг топлива, 250 кг программной аппаратуры, и некоторой массы перевозимого груза. Для примера я взял 600 кг, 1 т и 5т. По формулам равноускоренного движения я нашёл, что аппарат достигнет цели лишь спустя 3,5 года, 4,5 года и около 10 лет при конечной скорости 17, 13 и 6 км/с, которую необходимо будет уменьшать при приближении к Марсу. В итоге я получил довольно слабый невыгодный результат, однако для 3 двигателей с такой маленькой тягой - этот результат является неплохим. В будущем, я возьму за основу данные более мощных, современных и совершенных ионных двигателей или создам и вычислю характеристики своей модели.
- Работа линейных ускорителей элементарных частиц требует много энергии. Единственная существующая на сегодняшний день технология, позволяющая получить необходимое количество энергии за требуемое время, - это ядерный реактор на борту корабля. Однако в таком случае аппарат перестаёт быть полностью безопасным.Ионный двигатель ускоряется медленно, поэтому его нельзя использовать для вывода космического корабля на орбиту Земли. Он функционален только для корабля, уже находящегося в космосе.
Подведение итогов
Я считаю, что в настоящее время, ионный двигатель - одно из действительно самых перспективных приспособлений для передвижения в космосе, имеющее целый ряд преимуществ перед прочими видами двигателей.
Учёные уже сейчас снабжают спутники и небольшие космические станции, исследующие другие планеты ионными двигателями как для стабилизации аппаратов в пространстве, так и в роли основного двигателя.
Ввиду своих специфических преимуществ, возможно, в будущем, именно ионный двигатель будет передвигать огромные межпланетные и межгалактические звездолёты со множеством людей на борту.
Заключение
Цели и задачи, поставленные в проекте, выполнены. Я изучил принцип работы ионного двигателя, рассмотрел плюсы и минусы его использования и узнал об основных космических программах с участием данного вида двигателя. В перспективе работу можно усовершенствовать, проведя более точные расчёты и в других возможных сферах использования ионного двигателя, опираясь на другие официальные данные, а также собрать действующую модель ионного двигателя.
Европейское космическое агентство провело испытания прямоточного ионного двигателя, использующего в качестве рабочего тела воздух из окружающей атмосферы. Предполагается, что небольшие спутники с таким двигателем смогут практически неограниченно находиться на орбитах с высотой 200 или менее километров, сообщается в пресс-релизе агентства.
Принцип работы ионных двигателей основан на ионизации частиц газа и их разгоне с помощью электростатического поля. Частицы газа в таких двигателях разгоняются до значительно больших скоростей, чем в химических двигателях, из-за чего ионные двигатели имеют гораздо больший удельный импульс и расходуют меньше топлива. Но у ионных двигатель есть и важный недостаток - крайне малая тяга, по сравнению с химическими двигателями. Из-за этого они редко применяются на практике, в основном на небольших аппаратах. К примеру, такие двигатели используются на зонде Dawn, сейчас на орбите карликовой планеты Церера, и будут использоваться в миссии BepiColombo , которая должна отправиться к Меркурию в конце 2018 года.
Как и в химических двигателях, в используемых сейчас ионных двигателях применяется запас топлива, как правило, ксенона. Но существует и концепция прямоточных ионных двигателей, которая, правда, пока не применялась на летавших в космос аппаратах. Ее отличие заключается в том, что в качестве рабочего тела предлагается использовать не конечный запас газа, загружаемый в бак перед запуском, а воздух из атмосферы Земли или другого атмосферного тела.
Схема работы двигателя
ESA–A. Di Giacomo
Предполагается, что относительно небольшой аппарат с таким двигателем сможет практически неограниченно находиться на низких орбитах с высотой примерно от 150 километров, компенсируя атмосферное торможение тягой двигателя, работающего на поступающем в него воздухе из атмосферы. В 2009 году ESA запустило спутник GOCE , который смог за счет постоянно включенного ионного двигателя с запасом ксенона пробыть на 255-километровой орбите в течение почти пяти лет. После этого агентство занялось разработкой прямоточного ионного двигателя для аналогичных низкоорбитальных спутников, и теперь провело первые испытания такого двигателя.
Испытания проходили в вакуумной камере, в которой располагался двигатель. Изначально в него подавали ускоренный ксенон. После этого в газозаборное устройство начали добавлять смесь кислорода с азотом, имитирующую атмосферу на высоте 200 километров. В конце испытаний инженеры провели тесты с исключительно воздушной смесью для проверки работоспособности в основном режиме.
Испытания двигателя с воздухом в качестве топлива
Прямоточный ионный двигатель
Человек вышел в космос благодаря ракетным двигателям на жидком и твердом топливе. Но они же и поставили под вопрос эффективность космических полетов. Для того чтобы сравнительно небольшой хотя бы "зацепился" за его устанавливают на вершине ракеты-носителя внушительных размеров. А сама ракета, по сути, это летающая цистерна, львиная доля веса которой отведена под топливо. Когда все оно израсходуется до последней капли, на борту корабля остается мизерный запас.
Чтобы не упасть на Землю, периодически поднимает свою орбиту импульсами Топливо для них - примерно 7,5 тонны - несколько раз в году доставляют автоматические корабли. Но на пути к Марсу такой дозаправки не предвидится. Не пора ли распрощаться с устаревшими схемами и обратить внимание на более совершенный ионный двигатель?
Для того чтобы он заработал, безумных количеств топлива не потребуется. Только газ и электричество. Электроэнергия в космосе добывается улавливанием светового излучения Солнца панелями солнечных батарей. Чем дальше от светила, тем меньше их мощность, поэтому придется воспользоваться еще и Газ поступает в первичную камеру сгорания, где он бомбардируется электронами и ионизируется. Получившуюся холодную плазму отправляют на разгорев, а потом - в магнитное сопло, на разгон. Ионный двигатель выбрасывает из себя раскаленную плазму со скоростями, недоступными обычным ракетным двигателям. И получает необходимое ускорение.
Принцип работы настолько прост, что можно собрать демонстрационный ионный двигатель своими руками. Если электрод в форме вертушки предварительно сбалансировав, установить на острие иглы и подать высокое напряжение, на острых концах электрода появится синее свечение, создаваемое срывающимися с них электронами. Их истечение создаст слабую реактивную силу, электрод начнет вращаться.
Увы, ионные двигатели обладают настолько мизерной тягой, что не могут оторвать космический аппарат от поверхности Луны, не говоря уже о наземном старте. Наиболее наглядно это можно увидеть, если сравнить два корабля, отправляющихся к Марсу. Корабль с жидкостными двигателями начнет перелет после нескольких минут интенсивного разгона и потратит чуть меньше времени на торможение у Красной планеты. Корабль с ионными двигателями будет разгоняться два месяца по медленно раскручивающейся спирали, причем такая же операция ждет его в окрестностях Марса...
И все же ионный двигатель уже нашел свое применение: им оснащен ряд беспилотных космических аппаратов, отправленных в многолетние разведывательные миссии к ближним и дальним планетам Солнечной системы, в пояс астероидов.
Ионный двигатель - та самая черепаха, которая обгоняет быстроногого Ахилла. Израсходовав все топливо в считанные минуты, жидкостный двигатель умолкает навсегда и становится бесполезным куском железа. А плазменные способны работать годами. Не исключено, что ими будет оснащен первый космический аппарат, который на досветовой скорости отправится к - ближайшей к Земле звезде. Предполагается, что перелет займет всего лишь 15-20 лет.
Плазма между анодом и катодом ионного двигателя.
Фотография: Joao Duarte / eLab hackerspace
Португалец Жуан Дуарте собрал в домашних условиях простую рабочую модель ионного двигателя. Рассказ о своем проекте разработчик опубликовал на портале eLab hackerspace. В его двигателе используются несколько держателей, подставка, корпус и сопло, напечатанные из пластика на 3D-принтере, семь гвоздей, семь медных трубок и высоковольтный трансформатор.
При строительстве ионного двигателя важна высокая электрическая проводимость всех элементов. Для ее увеличения Дуарте покрыл гвозди тонким слоем меди. Он зачистил гвозди от ржавчины, а затем опустил их вместе с окислившимися медными монетами в раствор соли и уксуса. Благодаря меднению электрическая проводимость на поверхности гвоздей увеличилась.
Затем португалец взял медную трубу диаметром два сантиметра и нарезал ее на пять частей длиной пять сантиметров каждая. После этого Дуарте распечатал на принтере держатели для трубок и гвоздей, подставку, кожух двигателя и сопло. Для эффективной работы ионного двигателя кончики медненных гвоздей должны находиться точно в центре окружности медных трубок.
На каком расстоянии от трубок следует разместить гвозди от трубок Дуарте не уточнил, но отметил, что оно должно быть одинаковым для всех гвоздей. Для регулирования тяги португалец сделал держатель с гвоздям подвижным в горизонтальной плоскости. К трубкам и гвоздям Дуарте подключил трансформатор, способный выдавать напряжение в девять киловольт и силу тока в 50 миллиампер.
В конструкции двигателя гвозди выступают в качестве катода, а медные трубки - анода. При включении напряжения воздух вокруг гвоздей ионизируется и притягивается анодом, возникает воздушный поток, который и формирует незначительную тягу за соплом двигателя. Сдвинутся с места такая силовая установка не может, но способна колыхать обрезки бумаги.
Концепцию ионного двигателя впервые предложил американский ученый Роберт Годдард. В 1954 году технологию детально описал ученый Эрнст Штулингер, а первый функционирующий двигатель был собран в 1959 году в NASA. Он смог проработать на протяжении 31 минуты. В качестве маршевого двигателя ионная силовая установка была впервые использована на космическом аппарате Deep Space в 1998 году.
Современные ионные двигатели способны непрерывно работать на протяжении трех лет. В них для создания реактивной тяги используются как правило аргон или ксенон. Эти инертные газы разгоняются в электрическом поле. Положительными качествами ионного двигателя является малое энергопотребление и расход топлива, а серьезным недостатком - микроскопическая тяга, составляющая до 250 миллиньютонов.