Ионный двигатель принцип работы

ТАСС, 16 июня. Специалисты Роскосмоса успешно закончили огневые стыковочные испытания нового ионного двигателя ИД-200 КР, который разрабатывают в Центре им. Келдыша. Об этом пишет пресс-служба госкорпорации.

ТАСС, 16 июня. Специалисты Роскосмоса успешно закончили огневые стыковочные испытания нового ионного двигателя ИД-200 КР, который разрабатывают в Центре им. Келдыша. Об этом пишет пресс-служба госкорпорации.

Двигатель ИД-200 КР входит в серию ИД-200, которую разрабатывают в Центре им. Келдыша. Его мощность – до 3 кВт, испытания показали, что двигатель может развивать удельную тягу до 4500 с. Для сравнения: удельная тяга твердотопливных ракетных двигателей достигает 250 с, двигателей на смеси жидких кислорода и водорода – 450 с.

В ходе испытаний разработчики отработали алгоритмы управления двигателем. Составные части электроракетной двигательной установки специалисты центра планируют использовать в составе геостационарных космических аппаратов.

Принцип работы ионного двигателя простой и сложный одновременно. Он заключается в ионизации газа, который разгоняется электростатическим полем для получения реактивной тяги и разгона космического корабля согласно третьему закону Ньютона.

Преимущества ионного двигателя для космического корабля

Ионы на выходе из двигателя разгоняются до очень высоких скоростей. В своем максимуме они могут достигать 210 км/с. При этом, химические ракетные двигатели не способны достигать и 10 км/с, находясь в диапазоне 3-5 км/с.

В нашем Telegram-чате все говорят про варп-двигатель, но давайте сначала с ионным разберемся.

Возможность достижения большого удельного импульса позволяет очень сильно сократить расход реактивной массы ионизированного газа в сравнении с аналогичным показателем для традиционного химического топлива. А еще, ионный двигатель может непрерывно работать более трех лет. Энергия, которая нужна для ионизации топлива берется от солнечных батарей — в космосе с этим проблем нет.

Если спешить с ускорением некуда, то ионный двигатель станет отличным вариантом.

Сейчас ученые разрабатывают еще несколько гипотетических видов двигателей, которые в будущем смогут давать энергию для движения космических спутников: вакуумный двигатель, двигатель внутренних радиочастот и устройство, которое будет брать энергию от полей самых маленьких частиц, например, бозонов. Работоспособность всех этих гипотез пока не доказана с точки зрения физики.

Ионный двигатель является если не самым перспективным электрическим космическим двигателем, то точно одним из самых используемых сегодня в отрасли. «Хайтек» рассказывает, как работают ионные двигатели, зачем их используют и при чем тут Константин Циолковский.

Сейчас на околоземной орбите находятся тысячи искусственных спутников, выведенных туда гигантскими (или не очень) ракетами-носителями с мощными реактивными двигателями на химическом топливе. Пока человечество не смогло придумать альтернативу таким двигателям, поскольку для преодоления гравитации Земли и развития первой космической скорости необходима мощная тяга: ее могут дать только обычные двигатели.

При этом уже в космосе спутники используют другой тип двигателей — электрические. Самым используемым является ионный двигатель — устройство, принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.

Типы электрических и альтернативных двигателей:

• Ионные и плазменные накопители

Тип реактивного двигателя, который использует электрическую энергию для получения тяги от топлива: ионизированного газа. Многие из таких спутников не имеют ракетные сопла.

Это электрические двигатели, также использующие нехимическую энергию для своей работы, однако работающие по другим принципам, нежели ионные. Например, фотонный двигатель, позволяющий космическому кораблю перемещаться на энергии фотонов. Гипотетически так смогут работать космические аппараты, управляемые лазерными сигналами с Земли или Луны.

К этой же категории относятся эксперименты по созданию так называемого электродинамического троса, когда спутник может выбрасывать вокруг себя длинные металлические нити с разными электрическими зарядами.

Сейчас ученые разрабатывают еще несколько гипотетических видов двигателей, которые в будущем смогут давать энергию для движения космических спутников: вакуумный двигатель, двигатель внутренних радиочастот и устройство, которое будет брать энергию от полей самых маленьких частиц, например, бозонов. Работоспособность всех этих гипотез пока не доказана с точки зрения физики.

Первым человеком, который еще в 1911 году публично предложил идею создания ионного двигателя, стал российский и советский ученый, пионер космонавтики Константин Циолковский. При этом первый документ, в котором упоминается электрическая тяга для движения космических объектов, был за авторством другого пионера космонавтики, американского ученого Роберта Годдарда.

6 сентября 1906 года Годдард писал в своем дневнике, что сможет использовать энергию ионов для работы двигателей. Первые эксперименты с ионными двигателями были проведены Годдардом в Университете Кларка в 1916 году. В итоге ученый заявил, что сможет использовать их в полноценном формате только в условиях, приближенных к вакууму, тогда как в рамках тестирования их показывали при атмосферном давлении Земли.

Первый работающий ионный двигатель был построен инженером НАСА Горальдом Кауфманом только в 1959 году. В качестве топлива, в отличие от современных аналогичных двигателей, которые перерабатывают ионы газа ксенона, он использовал ртуть. Суборбитальные испытания двигателя прошли в 1964 году, когда в космос на ракете-разведчике был запущен научный зонд Sert 1 — первое в истории устройство, использующее конструкцию ионного двигателя в космосе. В 70-х годах США провели ряд повторных испытаний этой технологии.

Принцип работы ионного двигателя

Обычно источниками питания для ионных двигателей являются электрические солнечные панели. Однако в местах, куда солнечный свет не попадает, например, когда Земля закрывает Солнце, спутники могут использовать ядерную энергию. «Хайтек» подробно рассказывал о такой советской программе, спутники которой — с крошечными ядерными реакторами — до сих пор находятся на орбите захоронения Земли.

На сегодняшний день ионные двигатели необходимы спутникам, чтобы маневрировать в космосе, например, для изменения своего курса или уклонения от космического мусора. Существует также несколько проектов, предполагающих использование ионных двигателей для дальних космических путешествий.

Самый яркий пример использования ионных двигателей для дальних путешествий — автоматическая исследовательская миссия Dawn от НАСА. В сентябре 2007 года она была запущена для исследования астероида Веста и карликовой планеты Церера.

Для полета Dawn было необходимо всего 3,25 мг топлива в секунду. Из 425 кг рабочего тела (ксенона), имеющегося на борту, на полет Земля — Веста предполагалось израсходовать 275 кг, на полет Веста — Церера — 110 кг.

Миссия Dawn стала не только одной из самых энергоэффективных в истории космонавтики, но и установила несколько рекордов скорости. 5 июня 2016 года — спустя девять лет после запуска — станция Dawn разогналась до 39 900 км/час (11,1 км/с).

1 ноября 2018 года НАСА официально закончила миссию Dawn, поскольку ионные двигатели полностью выработали топливо. Последние несколько лет инженеры НАСА занимаются разработкой новых двигателей, рассчитанных на увеличенное количество ксенона. В этих разработках пока есть сложность, поскольку увеличение веса станции за счет топлива негативно сказывается как на скорости передвижения аппарата, так и на дальности полета.

НАСА пришло к решению отменить тестирование Vasimr, поскольку ученые до конца не смогли найти источник энергии, на котором бы работал этот двигатель. Самым перспективным источником энергии могла стать термоядерная установка, однако ее использование на МКС могло быть небезопасной.

Из-за этого сейчас ионные двигатели продолжают рассматриваться в основном в качестве дополнительных двигателей на различных спутниках, с помощью которых зонды смогут совершать маневры в космосе. Другим перспективным направлением для использования двигателей такого типа может стать космическая уборка. На орбите Земли с каждым годом появляется все больше космического мусора, а спутники с ионными двигателями могут стать идеальным решением этой проблемы.

Сами изобретатели отмечают, что еще долгое время ионная система не будет приспособлена для пассажирских самолетов. Эффективно работать для мини-планов и дронов, что становятся популярнее с каждым годом. Кроме этого, ионный ветер в перспективе бюджетніший чем обычное топливо.

Принцип работы ионного двигателя

Основной принцип работы ионного двигателя — третий закон Ньютона. Проще говоря, ракета движется благодаря выбросам потоков заряженных атомов. Для этого сконструирован специальный тип реактивного двигателя, в котором топливо заменили на инертный газ и заряженные частицы:

1. Они ионизируют инертный газ (ксенон или аргон).
2. Заряженный газ движется в специальных решеток, где анионы задерживаются, а катионы направляются дальше.
3. Приближаются к решеток, где создана атмосфера с большой разницей потенциалов. За ними викидуються анионы, чтобы получить максимум мощности из положительных частиц.

Описан процесс – это ефект Біфельда брауна, то есть ионный ветер.

Это довольно упрощенная модель того, как работает ионный двигатель . Очевидны его преимущества: экологичность, скорость, продолжительность работы. Больше всего по времени работала модель NEXT (NASA’s Evolutionary Xenon Thruster) – целых 5,5 лет. При этом использовано всего лишь 870 кг ксенона (против 10 тонн обычного химического топлива).

Самый быстрый в истории корабль на ионном двигателе – Dwn от той же Nasa. Его задача — исследовать отдаленную планету Цереру. Dwn разогнался до 11,46 км/с. В целом современные ионные двигатели используют для вывода в космос низкоорбитальных кораблей.

Ионный двигатель — одна из разновидностей электрического ракетного двигателя. Принцип работы двигателя основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.

Москва. 16 июня. INTERFAX.RU — Центр Келдыша провел успешные огневые испытания ионного двигателя ИД-200 КР, сообщили в госкорпорации «Роскосмос».

«Специалистами ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» успешно проведены огневые стыковочные испытания нового ионного двигателя ИД-200 КР мощностью до 3 кВт с удельным импульсом тяги до 4 500 секунд, блока управления расходом рабочего тела и разработанной НПЦ «Полюс» системы преобразования и управления СПУ-200 КР», — говорится в сообщении.

Как отмечают в госкорпорации, составные части электроракетной двигательной установки планируется использовать в составе перспективных геостационарных космических аппаратов.

Ионный двигатель — одна из разновидностей электрического ракетного двигателя. Принцип работы двигателя основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.

Подобные двигатели обладают существенно меньшей тягой по сравнению с химическими, однако отличаются малым расходом топлива и продолжительностью функционирования — срок непрерывной работы может исчисляться годами.

«Корона» формируется из 28 полых игл, внутри которых под действием капиллярного явления перемещается индий. На сквозном отверстии игл индий удерживается под воздействием капиллярного натяжения. При генерации электрического поля в жидком металле формируются положительно заряженные ионы, которые «выстреливают» с кончиков «короны», создавая реактивную тягу.

В исследовании ближнего космоса в последнее время активное участие принимают малые спутники класса CubeSat, которые также нуждаются в миниатюрных основных и маневровых двигателях. В Европейском космическом агентстве (ЕКА) разработан и выпущен компактный ионный двигатель, способный корректировать движение небольших спутников, находящихся на орбите.

Диаметр «сердца» нанодвигателя Indium FEEP Multiemitter (IFM) выполнен в форме вольфрамовой короны всего 1 см. Эти двигатели предназначены для маневрирования небольших спутников, а также используются для ликвидации спутников, путем снижения орбиты для сжигания космического мусора в плотных слоях атмосферы.

Принцип действия вольфрамовой коронки IFM Nano Thruster — миниатюрного ионного маневренного устройства, основан на использовании ускорения ионов для создания тяги. В качестве топлива используется жидкий индий.

«Корона» формируется из 28 полых игл, внутри которых под действием капиллярного явления перемещается индий. На сквозном отверстии игл индий удерживается под воздействием капиллярного натяжения. При генерации электрического поля в жидком металле формируются положительно заряженные ионы, которые «выстреливают» с кончиков «короны», создавая реактивную тягу.

Сила создаваемой IFM Nano Thruster тяги измеряется в микроньютонах и генерируется в пределах от 10 до 400 мкН, при возможном пиковом значении в 1000 мкН. В настоящее время одна из самых уязвимых зон двигателя — кольцо из тонких игл уже прошла тестирование на протяжении тысяч часов и доказала свою надежность. Маневренные нано-двигатели уже доступны для коммерческого использования в будущих миссиях Европейского космического агентства.

Конкурентом IFM Nano Thruster является японский ионный мини двигатель, созданный специально для миссии BepiColombo, способный создавать тягу в 290 тысяч мкН.

Центр Келдыша провел успешные огневые испытания ионного двигателя ИД-200 КР, сообщает пресс-служба госкорпорации «Роскосмос».

Центр Келдыша провел успешные огневые испытания ионного двигателя ИД-200 КР, сообщает пресс-служба госкорпорации «Роскосмос».

«Специалистами ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» успешно проведены огневые стыковочные испытания нового ионного двигателя ИД-200 КР мощностью до 3 кВт с удельным импульсом тяги до 4 500 секунд, блока управления расходом рабочего тела и разработанной НПЦ «Полюс» системы преобразования и управления СПУ-200 КР», — говорится в сообщении.

В корпорации сообщили, что составные части электроракетной двигательной установки планируется использовать в составе перспективных геостационарных космических аппаратов.

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.

Преимущество этого двигателя — малый расход топлива и длительное время функционирования (максимальный срок непрерывной работы самых современных образцов ионных двигателей составляет более трех лет).

Недостатком ионного двигателя является ничтожная по сравнению с химическими двигателями тяга. Однако в космосе ее хватает для того, чтобы разгонять космический аппарат до высоких скоростей. Так, в 2010 году Deep Space 1 смог увеличить скорость аппарата массой около 370 кг на 4,3 км/с, израсходовав 74 кг ксенона.

Также такие двигатели применяются для управления ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли (некоторые спутники оснащены десятками маломощных ионных двигателей).

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) [1] тест на выполнимость нейтрализации ионного луча в космосе.

Содержание

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. Однако реальный ионный двигатель по величине тяги оказался намного хуже фантастических моделей [1] .

Прообраз ионного двигателя был создан в 1917 году Робертом Годдардом, а в 1954 году Эрнст Штулингер улучшил характеристики ионного двигателя [1] .

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) [1] 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 СПД-60 использовались в 1970-х годах на «Метеорах», СПД-70 на спутниках «Космос» и «Луч» в 1980-х, СПД-100 в ряде спутников в 1990-х). [2]

В качестве основного (маршевого) двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1 [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.

Все довольно просто, но есть некоторые недостатки.

X-37B испытает новый ионный двигатель

Ионный двигатель вовсе не фантастика и даже не какое-то далекое будущее. Они работают уже давно, и работают успешно примерно с 1964 года. Это год первой демонстрации такого двигателя в космосе. А сама идея ионного двигателя была выдвинута еще в 1917 году. Единственная проблема такого двигателя, пока работать он может только в космосе.

Как работает ионный двигатель

Принцип работы ионного двигателя

Такой двигатель является реактивным так же как и знакомый ракетный двигатель, только вместо сжигания топлива используется ионизация газа. А в остальном принцип тот же, принцип реактивного движения основанный на Третьем законе Ньютона. А если по-простому, то аппарат двигает вперед поток ионов выбрасываемых из двигателя.

А теперь подробнее о принципе работы ионного двигателя. В «камеру сгорания» подается инертный газ (обычно аргон или ксенон), при помощи потока электронов этот газ ионизируется. Далее электроны улавливаются специальными устройствами, а положительно заряженные ионы двигаются к решеткам с очень большой разницей потенциалов. Из-за разницы потенциалов ионы разгоняются и выбрасываются из сопла создавая реактивную тягу.

Ранее пойманные электроны (отрицательно заряженные, если вы уже забыли) выбрасываются в вдогонку и под углом к потоку ионов, чтобы нейтрализовать их заряд, иначе часть ионов могут притянутся к корпусу двигателя уменьшив его тягу.

Достоинства и недостатки

Все довольно просто, но есть некоторые недостатки.

Ионный двигатель создает очень большой удельный импульс но очень маленькую тягу обусловленную массой выбрасываемых частиц. Это значит, что разогнать космический корабль он может, но ускорение будет небольшим и на его создание уйдет очень много времени. Поэтому сейчас такие двигатели используются только в космосе, где нет сопротивления воздуха и на небольших объектах вроде спутников, либо для пространственной ориентации более крупных объектов.

Ионный двигатель в работе

Но в марте 2015 года на орбиту был запущен космолет X-37B, который должен испытать ионный двигатель на эффекте Холла. Такой двигатель работает по тому же принципу, что и обычный, за исключением того, что ускорение происходит благодаря эффекту Холла, что позволяет несколько увеличить его тягу и не использовать решетки для притяжения и разгона ионов.

В 2003 двигатель на эффекте Холла был впервые использован в качестве основного на автоматической станции SMART-1 весом в 370 кг европейского космического агенства, но сам двигатель был создан в московском КБ «Факел». Теперь ионный двигатель ждет испытание на намного более массивном X-37.

Главным достоинством ионного двигателя является время его работы. Такой двигатель может работать очень долго благодаря низкому потреблению газа и все время своей работы он будет разгонять космический аппарат. Например, двигатель NEXT (NASA’s Evolutionary Xenon Thruster) проработал в космосе рекордное время — 5,5 лет или 48 000 часов, использовав всего 870 кг ксенона, в случае стандартного химического двигателя потребовалось бы 10 тонн топлива.

Рекорд по скорости также принадлежит ионному двигателю. Аппарат Dwn запущенный Nasa для исследования карликовой планеты Цереры, разогнался до скорости 11,46 км/с без использования гравитационных маневров.

Судя по всему, именно у ионных двигателей наибольшие перспективы стать в будущем маршевыми двигателями для межпланетных полетов.

Прямоточный ионный двигатель

Свежее

Крупные шмели оказались разборчивее мелких

Volkswagen показал прототип робота-заправщика для электромобилей

EHang запустила экскурсионные полеты на аэротакси

Российский флот получил головной корвет проекта 20385

Мозг пьяниц потребовал больше ресурсов для распознавания боли других людей и сочувствия им

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.