Возможности ионного двигателя

Главная » Техника и технологии

www.objectiv-x.ru

Ионный двигатель относится к классу электрических ракетных двигателей и обладает высокой удельной тягой и экономичностью. Его применение для полета на планеты Солнечной системы позволит увеличить скорость космического корабля в десятки раз.

Человечество подошло к тому рубежу, когда имеющиеся в его распоряжении технологии космических двигателей себя исчерпали. Начиная с первых полетов в космос и до настоящего времени в космических аппаратах используются жидкостные ракетные двигатели. Несмотря на технический прогресс, их характеристики мало изменились, – по сути, они достигли своего предела. Поэтому ученые ищут возможности для реализации более совершенных типов ракетных двигателей. Одной из наиболее перспективных разработок сегодня считается ионный двигатель. В отличие от жидкостного двигателя, которому требуется гигантское количество топлива для достижения требуемой скорости, ионный двигатель очень экономичен. Пока его нельзя использовать для старта с Земли, так как он не обладает требуемой тягой, зато его удельная тяга очень велика. Такой двигатель позволит плавно разогнать космический корабль до сотен км/c, что для современных ЖРД невозможно в принципе. Для этого потребовалось такое количество топлива, что на полезную нагрузку не осталось бы места.

Ионный двигатель относится к электрореактивным ракетным двигателям. Принцип его работы следующий. Ионы проходят через электрическую решетку и вылетают через сопло двигателя, разгоняясь магнитным полем. В современных разработках, таких, как проект VASIMR для повышения эффективность ионного двигателя повышается за счет нагрева частиц до состояния плазмы. Для этого, в частности применяется радиочастотный генератор. Температура плазмы достигает миллионов градусов, что сопоставимо с температурой внутри Солнца. В результате достигается высокий КПД, что открывает широкие возможности для исследования как ближних, так и дальних планет Солнечной системы.

Чтобы дать наглядное представление о возможностях ионного двигателя, достаточно привести несколько цифр. Для полета на Марс с традиционным жидкостным двигателем космическому кораблю потребовалось бы от 2 до 4 лет полета в одну сторону, в то время как ионный двигатель позволит преодолеть это расстояние менее, чем за 40 дней. Это открывает возможность для пилотируемых экспедиций, поскольку время пребывания в пути становится приемлемым для экипажа. Важной проблемой, которую требуется решить при создании мощных ионных двигателей, является обеспечение силовой установки электроэнергией, которой для большого космического аппарата требуется немало. Солнечные батареи могут быть использованы лишь частично и лишь при условии близкого нахождения к Солнцу. Кардинально решить вопрос может решить ядерный реактор, который в данный момент разрабатывается Россией. Считается, что это будет ядерный ракетный двигатель. Но он может работать на разных принципах: как создавая тягу, непосредственно разгоняя рабочее вещество, так и в качестве энергоустановки. Подробности этого проекта не разглашаются, однако, в случае его успешного создания он сможет обеспечить энергией любую электрореактивную силовую установку, в частности ионный двигатель. Авторы российского проекта планируют завершить разработку к 2018 году.

Солнечно-электрический двигатель позволит непосредственно преобразовывать солнечную энергию в электричество, которое, в свою очередь, даст возможность ускорять ионы тяжелых элементов до огромных скоростей. Прототипы подобных двигателей уже используются в космосе. С помощью одного из них в настоящее время осуществляется перевод спутника связи Artemis на его штатную орбиту, которая вследствие неполадок с ракетой-носителем оказалась значительно более низкой, чем расчетная.

В ряде проектов ESA по исследованию космического пространства с помощью автоматических аппаратов предусматривается использование ионного двигателя в качестве основной двигательной установки.

В начале 2003 года с космодрома Куру во Французской Гвиане выведен на орбиту небольшой аппарат SMART-1, который с помощью ионного двигателя должен добраться до Луны. В ходе полета SMART-1 пройдут испытания новые методы маневрирования космическим аппаратом, которые позволят аппарату европейского космического агентства BepiColombo, с помощью ионного двигателя и маневра в гравитационном поле Луны добраться до Меркурия.

"С помощью химической двигательной установки можно либо пролететь мимо, либо вывести аппарат на очень вытянутую орбиту вокруг планеты. Достичь же орбиты Меркурия и исследовать его можно лишь с помощью электрической двигательной установки", - пояснил Джузеппе Ракка, руководитель проекта SMART-1.

Солнечно-электрический двигатель планируется использовать также в автоматической исследовательской станции Solar Orbiter, которому предстоит выйти из плоскости эклиптики и изучить строение Солнца в области высоких широт.

В связи с тем, что ионному двигателю не требуется большое количество рабочего вещества, удастся взять на борт значительно больше научной аппаратуры. Правда, в полной мере его преимущества могут быть использованы лишь при исследовании небесных тел во внутренней части Солнечной системы, где достаточное количество электроэнергии можно получать с помощью солнечных батарей. Для изучения более удаленных от Солнца областей космического пространства применение ионного двигателя станет возможным в сочетании с другим источником энергии - возможно, ядерным генератором.

Американское аэрокосмическое агентство NASA закончило длившиеся пять лет испытания ионных двигателей NEXT. Это стало окончанием самого длительного непрерывного теста космических двигательных установок в наземных условиях. Испытания показали, что новые двигатели не только достаточно надежны и способны проработать без поломок пять лет подряд, но и тратят в десять раз меньше топлива для ускорения космического аппарата. Подробности приводит официальный сайт агентства.

Экспериментальный двигатель был смонтирован в вакуумной камере. Далее его подключили к источнику электроэнергии и баку с ксеноном. В рабочую камеру устройства поступали атомы ксенона, туда же направлялся пучок электронов и затем электроны вызывали ионизацию атомов инертного газа. При столкновении ксеноновых атомов с электронами получалось уже два электрона и тяжелый положительный ион, который подхватывался электрическим полем. Электрическое поле создавало поток ионов ксенона, ускоренных до сорока километров в секунду и выбрасывало через сетчатый электрод наружу. Через отдельное сопло выбрасывались электроны: при включении за двигателем возникало голубое свечение созданной им плазмы.

Обратите внимание на сетку, которой закрыто сопло: это ускоряющий ионы ксенона электрод. Сверху можно заметить маленькое сопло, вокруг которого видно фиолетовое свечение: через него выходят электроны.

Тяга, как показали испытания, соответствовала расчетной и при этом небольшой в абсолютном выражении. NEXT развивал тягу всего в 236 миллиньютонов, то есть на Земле такой силы хватило бы только на то, чтоб удержать в воздухе массу около 24 грамм. Однако при этом за все время работы двигатель мог бы придать тому аппарату, на котором установлен, такой импульс, который возможно получить лишь при помощи ракетного двигателя, сжигающего более десяти тонн топлива. Ксенона, для сравнения, ушло лишь 800 килограмм, а электрическая мощность опытной установки в семь киловатт допускает питание от солнечных батарей с площадью в несколько десятков квадратных метров: что вполне реально для автоматических межпланетных станций, АМС.

Экономичность ионных двигателей как таковых является главным их преимуществом, поэтому сам факт малого расхода рабочего вещества NEXT не стал неожиданностью. Основным результатом испытаний, как утверждают разработчики NEXT, стало подтверждение того, что двигатель существенно превосходит предыдущие образцы. Он намного совершеннее двигателей NSTAR, которые были установлены на АМС Deep Space: как по абсолютной величине тяги, так и по эффективности.

В настоящее время инженеры NASA рассматривают NEXT как возможный двигатель для установки на АМС к Титану или Энцеладу, спутникам газовых планет-гигантов. Расчеты показывают, что применение ионного ускорителя может сэкономить в таких перелетах до нескольких тонн топлива и за счет этого увеличить массу научных приборов.

Ионные двигатели: от фантастики к реальным пускам

www.objectiv-x.ruМинувшая неделя ознаменовалась успешным стартом первой в мире исследовательской станции, оснащенной ионным двигателем в качестве основного. SMART 1 – первая европейская экспедиция для исследования Луны. В то же время, это уникальная исследовательская станция нового типа, первая в новой программе ESA под названием Small Missions for Advanced Research in Technology, в ходе которой запланирована апробация целого ряда новых технологий.

Спутник создан по заказу ESA Шведской космической корпорацией при участии почти 30 субподрядчиков из 11 европейских стран и США. Общая стоимость проекта составила 110 млн. евро.

SMART 1 — первая автоматическая станция ESA для исследования Луны. В то же время, это уникальная исследовательская станция нового типа, первая в новой программе ESA под названием Small Missions for Advanced Research in Technology. В ходе выполнения программы запланирована апробация целого ряда новых технологий, например, связь в Ка-диапазоне и лазерная связь, автономная навигация и многое другое.

Solar Orbiter

При достаточно большом количестве аппаратуры, SMART 1 отличается малым весом и компактностью. Со сложенными солнечными батареями он представляет собой прямоугольник размером в метр. Стоимость SMART 1 примерно раз в пять меньше, чем типичной межпланетной станции ESA. Но самая главная особенность нового космического аппарата в том, что впервые в истории космонавтики ионный двигатель будет использован в качестве основного. В ближайших планах ESA — запуск еще двух аппаратов, оснащенных ионной двигательной установкой. Это BepiColombo для исследования Меркурия и Solar Orbiter — для изучения Солнца.

BepiColombo

Установленный на SMART 1 ионный двигатель потребляет 1350 Ватт электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями, и развивает тягу в 0,07 Ньютон, что примерно соответствует весу почтовой открытки. Рабочим веществом служит ксенон . При этом для выхода на эллиптическую полярную орбиту вокруг Луны станции потребуется 16 месяцев. Выведение SMART 1 на расчетную орбиту представляет собой сложный многоступенчатый процесс, состоящий из нескольких этапов.

За последние годы в связи с созданием мощных ускорителей заряженных частиц и плазменных преобразователей тепла непосредственно в электричество начались разработки так называемых ионных реактивных двигателей для ракет.

Главным соблазном здесь является возможность сначала превратить в низкотемпературную плазму, т. е. ионизировать, газообразное топливо, а затем ускорить полученные ионы до скоростей, сопоставимых со скоростью света, а тем самым увеличить тягу двигателей во столько раз по сравнению с обычными видами топлива, во сколько раз скорость истечения ионов превышает скорость истечения газообразных продуктов сжигания химического топлива, если брать их одинаковые количества. Отсюда повышенные грузоподъемность, скорость и дальность полета ракет, больший за-пас поднимаемого ими топлива и другие столь же решающие преимущества.

Естественно, что при применении ионных двигателей ничего не дается даром. Для того чтобы иметь возможность ионизировать огромное количество атомов газообразного топлива, а затем разогнать полученную массу заряженных частиц до скоростей порядка десятков и сотен тысяч километров в секунду, необходимо устанавливать на ракете мощные источники энергии, вес и объем которых «съедят» значительную долю преимуществ, приобретенных за счет огромного выигрыша в скорости истечения реактивной струи. Однако подсчеты, проведенные учеными, показали, что игра, безусловно, стоит свеч. В результате длительных исследований плазменные двигатели, созданные советскими учеными, впервые были применены на автоматической межпланетной станции «Зонд-2» в 1964 г.

Устройство ионного двигателя исключительно просто. Основная его часть — электрический генератор, создающий сильное электрическое поле высокого напряжения. Источником положительно заряженных ионов могут быть газообразные вещества, например водород и гелий, легкий металл цезий или другие вещества, ионизирующиеся, т. е. теряющие свои электроны уже при сравнительно невысоких температурах — порядка двух — пяти тысяч градусов. Попадая в электрическое поле мощного ускорителя, ионы разгоняются до космических скоростей и выбрасываются из хвостовой части двигателя, создавая таким образом тягу.

X-37B испытает новый ионный двигатель на эффекте Холла

Беспилотный космический самолет X-37B, который является одной из секретных технологий ВВС США, готовится к очередному запуску в рамках миссии Orbital Test Vehicle 4. Как обычно запуск 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.

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 корабля совершили 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 пути рекорд 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.

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

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.

Источники: www.objectiv-x.ru, www.nkau.gov.ua, gizmod.ru, www.cnews.ru, www.scientificlife.ru, texnomaniya.ru

Комментариев пока нет!

Ваше имя *
Ваш Email *

Сумма цифр справа: код подтверждения


Это интересно

Адмирал Колчак: начало пути

Достаточно интересной и неоднозначной фигурой в российской истории ХХ века считается А. В. Колчак. Он был адмиралом, флотоводцем, путешественником, ...


Типы окон в архитектуре

. Эркер - это место выступа здания прямоугольной формы или многостороннее. Изначально их можно было увидеть в ...


Саргон

Первым семитским царем Вавилонии был Саргон Древний, живший около 2600 г. до н. э. Грозный завоеватель и ...


Кто такой рыцарь?

Великолепную, должно быть, картину представлял собой закованный в железо всадник, едущий в сверкающих латах сквозь густую зелень леса ...


Оборудование для производства кислорода на луне

Основная техническая проблема - куда принять эту энергию, буде даже она успешно преобразуется в электрическую. Ну, для разгона ...


СПА процедуры в домашних условиях

Специально для тех, у кого банально не хватает времени, или средств на посещение спа-салонов мы расскажем о ...


Антигона

Когда царь Фив Креонт после гибели в единоборстве братьев Антигоны Этеокла и Полиника велит похоронить первого со ...


 

Самые читаемые

Ремесленники в Древнем Египте

Уже в раннем бронзовом периоде ремесленники Древнего Египта и Месопотамии производили весьма ... Далее

12 подвигов Геракла

Легенды Греции донесли до нас 12 подвигов Геракла, каждый из которых является ... Далее

Орошение полей в Древнем Египте

Земледелие в Древнем Египте начиналось с того, что в долине Нила кочевники ... Далее

Причины раздробленности Руси

Киевская Русь в годы своего расцвета была одним из самых мощных государств ... Далее


© 2010-2017 Объектив-N: Предания и легенды