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.
Космические двигатели будущего
Создание ионного двигателя
Мы продоожаем рассказывать про виды двигателей .
Проблема перемещения в космосе стоит перед человечеством с момента начала орбитальных полетов. Ракета взлетая с земли расходует практически все свое топливо, плюс заряды ускорителей и ступеней. И если ракету еще можно оторвать от земли, заправив её огромным количеством топлива, на космодроме, то в открытом космосе заправляться попросту негде и нечем. А ведь после выхода на орбиту нужно двигаться дальше. А топлива нет.
И в этом то и состоит основная проблема современной космонавтики. Выбросить на орбиту корабль с запасом топлива до луны еще можно, под эту теорию строятся планы создать на луне базу дозаправки «дальнобойных» космических кораблей, летящих например на Марс. Но это все слишком сложно.
А решение проблемы было создано очень давно, еще в 1955 году, когда Алексей Иванович Морозов опубликовал статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». В ней он описывал концепцию принципиально нового космического двигателя.
Устройство ионно плазменного двигателя
Принцип действия плазменного двигателя состоит в том, что рабочим телом выступает не сгорающее топливо, как в , а разогнанный магнитным полем до безумных скоростей поток ионов.
Источником ионов служит газ, как правило это аргон или водород, бак с газом стоит в самом начале двигателя, оттуда газ подается в отсек ионизации, получается холодная плазма, которая разогревается в следующем отсеке посредством ионного циклотронного резонансного нагрева. После нагрева, высокоэнергетическая плазма подается в магнитное сопло, где она формируется в поток посредством магнитного поля, разгоняется и выбрасывается в окружающую среду. Таки образом достигается тяга.
С тех пор плазменные двигатели прошли большой путь и разделились на несколько основных типов, это электротермические двигатели, электростатические двигатели, сильноточные или магнитодинамические двигатели и импульсные двигатели.
В свою очередь электростатические двигатели делятся на ионные и плазменные (ускорители частиц на квазинейтральной плазме).
В данной статье мы напишем про современные ионные двигатели и их перспективные разработки, так как на наш взгляд именно за ними будущее космического флота.
Ионный двигатель использует в качестве топлива ксенон или ртуть. Первый ионный двигатель назывался сетчатый электростатический ионный двигатель.
Принцип его действия таков:
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.
Российские ионные двигатели. На всех хорошо видны катодные трубки, направленные в сторону сопла
Электроны, пойманные в катодную трубку выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается по двум причинам:
Во первых чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным, а во вторых чтобы ионы «нейтрализованные» таким образом не притягивались обратно к кораблю.
Чтобы ионный двигатель работал нужны всего две вещи – газ и электричество. С первым все просто отлично, двигателю американского межпланетного аппарата Dawn, который стартовал осенью 2007-го, для полета в течении почти 6 лет потребуется всего 425 килограммов ксенона. Для сравнения для корректировки орбиты МКС с помощью обычных ракетных двигателей каждый год затрачивается 7,5 тонн горючего.
Одно плохо – ионные двигатели имеют очень небольшую тягу, порядка 50-100 миллиньютонов, что абсолютно недостаточно при перемещении в атмосфере Земли. Но в космосе, где нет практически никаких сопротивлений, ионный двигатель при длительном разгоне может достигнуть значительных скоростей. Общее приращение скорости за всё время миссии Dawn составит порядка 10 километров в секунду.
Тест ионного двигателя для корабля Deep Space
Недавние испытания проведенные американской компанией Ad Astra Rocket, проведенные в вакуумной камере показали, что их новый Магнитоплазменный двигатель с переменным удельным импульсом” (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) VASIMR VX-200 может дать тягу уже в 5 ньютонов.
Второй вопрос – электричество. Тот же VX-200 потребляет 201 кВт энергии. Солнечных батарей такому двигателю просто мало. Следовательно необходимо изобретать новые способы получения энергии в космосе. Тут есть два пути – заправляемые батареи например тритиевые, выводимые на орбиту вместе с кораблем, либо автономный атомный реактор, который и будет питать кораблю на протяжении всего полета.
Во втором случае, в условиях космоса и его низких температур более интересно выглядит проект корабля с термоядерным реактором на борту, но пока НАСА разрабатывает только ядерный реактор.
Эти исследования проходят в рамках проекта Prometheus. В планах НАСА запустить в солнечную систему ядерный зонд, оснащенный мощными ионными двигателями, питающимися от бортового ядерного реактора.
Напоследок видео испытаний ионного двигателя VX-200.
Группа изобретений относится к ионному двигателю (ИД) для космического аппарата и способу его эксплуатации. ИД (1) включает в себя ионизационную камеру (2) с высокочастотным генератором (4) ионизирующего электромагнитного поля. Система (7) ускорения носителей заряда имеет экранирующую (8) и ускоряющую (9) решетки. ИД снабжен нейтрализатором (14). Высокие напряжения для системы (7) и, возможно, нейтрализатора (14) получают с помощью первого средства (12), которое отбирает эти напряжения из цепи генератора (4). Высокочастотная мощность может отбираться посредством конденсаторов или катушек. Могут быть предусмотрены средства (22) и (23) для выпрямления и сглаживания напряжений. Техническим результатом группы изобретений является создание конструктивно более простого и недорогого ионного двигателя, эксплуатация которого обеспечивает надежность и минимальные затраты на управление. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к ионному двигателю для космического аппарата, включающему в себя высокочастотный генератор для создания переменного электромагнитного поля, используемого для ионизации топлива, и подходящую систему для ускорения ионов.
Для космических полетов во все возрастающем объеме используются электрические двигательные установки для того, чтобы обеспечивать тягу спутникам или космическим зондам после их отделения от ракеты-носителя. Специально для коррекции орбиты геостационарных спутников связи (так называемое удержание на орбите) используются электрические двигательные установки. Для этого применяются, прежде всего, ионные двигательные установки и плазменные двигательные установки SPT. Оба типа производят тягу при выбросе ускоренных ионов. Для предотвращения зарядки спутника выбрасываемый ионной поток нейтрализируется. Обычно необходимые для этого электроны обеспечиваются отдельным источником электронов и посредством плазменной связи вводятся в ионный поток.
В ионных двигательных установках с радиочастотной ионизацией (Radio Frequency Ion Thruster, RIT) топливо ионизируется посредством переменного электромагнитного поля и затем ускоряется электростатическим полем для создания тяги. После прохождения нейтрализатора, который снова добавляет электроны в ионный луч и компенсирует созданный положительный пространственный заряд, частицы выбрасываются в форме луча. Для работы такого ионного двигателя требуются подача газа, высокочастотный генератор для создания переменного электромагнитного поля, а также источники высокого напряжения для создания поля, ускоряющего носители заряда. В обычных решетчатых системах для создания электростатического поля для ускорения ионов необходимо координировать напряжения высоковольтного генератора и системы решеток для создания тяги. Для нейтрализатора для нейтрализации положительного ионного луча посредством электронов из источника электронов также необходим по меньшей мере один источник напряжения.
Ионный двигатель отличается простой конструкцией и высокой надежностью. Однако электронные компоненты, необходимые для электропитания описанных конструктивных узлов, являются сложными и дорогостоящими.
Поэтому задачей данного изобретения является разработка ионного двигателя для космического аппарата, прежде всего двигательной установки RIT, которая была бы конструктивно проще и дешевле в изготовлении. Далее, задачей данного изобретения является разработка способа эксплуатации ионного двигателя, прежде всего двигательной установки RIT, с помощью которого можно повысить эксплуатационную надежность и минимизировать затраты на управление.
Данная задача решена посредством ионного двигателя, охарактеризованного в п.1 формулы, и соответствующего способа эксплуатации ионного двигателя. Преимущественные конструктивные выполнения следуют из зависимых пунктов.
Объектом изобретения является ионный двигатель для космического аппарата, включающий в себя высокочастотный генератор для создания переменного электромагнитного поля, используемого для ионизации топлива, прежде всего газа, и подходящую систему ускорения полученных носителей заряда. Изобретение отличается тем, что ионный двигатель включает в себя первое средство, обеспечивающее получение высоких напряжений, необходимых для системы ускорения носителей заряда, из токов и/или напряжений, вырабатываемых высокочастотным генератором для создания переменного электромагнитного поля.
Предлагаемый в изобретении ионный двигатель представляет собой ионную двигательную установку с высокочастотной, прежде всего радиочастотной, ионизацией (Radio Frequency Ion Thruster, RIT). В качестве топлива, прежде всего, используется газ, например ксенон. Ионный двигатель согласно изобретению имеет преимущество в том, что посредством упрощения системы электропитания можно уменьшить массу ионного двигателя по сравнению с обычными ионными двигателями. Одновременно повышается эксплуатационная надежность и минимизируются затраты на управление.
В одном конструктивном выполнении система ускорения носителей заряда содержит первую решетку, прежде всего экранирующую решетку, и по меньшей мере одну вторую решетку, прежде всего решетку ускорения. Если решетчатая система имеет больше, чем названные две решетки, то необходимое для дополнительных решеток высокое напряжение с помощью первого средства получают из вырабатываемых высокочастотным генератором токов и/или напряжений.
В первом конструктивном выполнении первое средство для отбора части вырабатываемой высокочастотным генератором мощности включает в себя по меньшей мере один соединенный с высокочастотным генератором конденсатор.
В альтернативном варианте конструктивного выполнения первое средство для отбора части вырабатываемой высокочастотным генератором мощности включает в себя по меньшей мере одну соединенную с высокочастотным генератором катушку связи, на катушечных выводах которой обеспечены необходимые для системы ускорения, в частности решетчатой системы, напряжения. В частности, по меньшей мере одна катушка связи выполнена в виде вторичной обмотки трансформатора, которая связана с катушкой высокочастотного генератора как первичной обмоткой трансформатора.
Выполненный с возможностью интеграции в высокочастотную систему высоковольтный трансформатор обеспечивает на своем выходе напряжения для ускорительной системы. Также может быть предусмотрено, что по меньшей мере одна катушка связи имеет отвод или несколько отводов, гальванически развязанный(-ых) от катушки высокочастотного генератора.
Факультативно, может быть предусмотрено второе средство для выпрямления напряжений, отбираемых от высокочастотного генератора для системы ускорения (решетчатой системы). Прежде всего, предусмотрено выпрямление напряжений для ускорительной системы ионного двигателя, источников ионов, нейтрализаторов или источников электронов.
Далее может оказаться целесообразным предусмотреть третье средство для сглаживания выпрямленных напряжений для ускорительной системы. Система сглаживания может быть выполнена посредством контура из катушек (L), и/или конденсаторов (С), и/или резисторов (R). Прежде всего, для сглаживания могут быть предусмотрены LC-, L-, С- или RLC-контуры. Помимо этого, контур из катушек, и/или конденсаторов, и/или резисторов также предназначен для того, чтобы оптимизировать положение по фазе системы ускорения. В радиочастотной ионной двигательной установке положение по фазе и напряжения следует, предпочтительно, настроить таким образом, чтобы средний ионный поток соответствовал среднему электронному потоку. Последнее, как уже разъяснено в начале, также может обеспечиваться отдельным нейтрализатором.
Для надлежащей эксплуатации ионного двигателя соответствующие компоненты должны обеспечиваться соответствующим напряжением питания. Установка соотношения напряжений между соответствующими напряжениями решетчатой системы и напряжением высокочастотного генератора в соответствии с одним конструктивным выполнением происходит посредством высоковольтного каскада, включающего в себя несколько конденсаторов и диодов, и/или посредством отношения количества витков катушки высокочастотного генератора к количеству витков катушки связи. Посредством высоковольтного каскада можно увеличить создаваемое высокочастотным генератором напряжение. Подобная каскадная схема также известна под термином "генератор подкачки заряда".
Согласно следующему предпочтительному выполнению предусмотрен по меньшей мере один управляемый выключатель между высокочастотным генератором и системой ускорения для управления во времени потоком носителей заряда. По меньшей мере один управляемый выключатель может быть выполнен как механический, так и электронный выключатель. Прежде всего, могут быть предусмотрены полупроводниковые коммутаторы.
В следующем выполнении предусмотрено четвертное средство для перемены полярности напряжений на решетчатой системе для экстракции и ускорения ионов и электронов. В данном выполнении можно отказаться от использования, включенного за первым средством выпрямителя, так как полярность на компонентах системы ускорения изменяется относительно друг друга и производится попеременная выработка электронов и ионов. Целесообразно выбирать напряжения на системе ускорения таким образом, чтобы поток ионов предпочтительно был эквивалентен потоку электронов. На фазировку компонентов системы ускорения, как уже разъяснялось, можно воздействовать посредством подходящих RCL-контуров. Дополнительное преимущество данного выполнения состоит в том, что можно отказаться от отдельного нейтрализатора, благодаря чему получается дополнительное упрощение ионного двигателя.
В альтернативном выполнении ионный двигатель имеет один нейтрализатор, при этом необходимое для его работы напряжение отбирается от вырабатываемых высокочастотным генератором токов и/или напряжений для создания переменного электромагнитного поля и, прежде всего, обеспечивается первым средством. Ионный двигатель согласно изобретению в данном выполнении обеспечивает отсутствие отдельного источника напряжения для работы нейтрализатора. Благодаря этому создается уже разъясненная упрощенная конструкция при сниженной массе ионной двигательной установки.
Также объектом изобретения является способ эксплуатации ионного двигателя для космического аппарата, который включает в себя высокочастотный генератор для создания переменного электромагнитного поля, используемого для ионизации топлива, и решетчатую систему с подходящей системой ускорения носителей заряда. Согласно изобретению необходимые для системы ускорения носителей заряда высокие напряжения получают из токов и/или напряжений, вырабатываемых высокочастотным генератором для создания переменного электромагнитного поля. С этим связаны те же самые преимущества, какие были разъяснены выше в связи с соответствующим изобретению ионным двигателем.
Единственная фигура отображает схематический вид поперечного сечения ионного двигателя согласно изобретению.
Ионный двигатель 1 имеет разрядную камеру 2 (ионизатор). Через непоказанный клапан на впускном отверстии 3 в разрядную камеру 2 для ионизации может подаваться топливо, например ксенон газ. Намотанная вокруг разрядной камеры 2 катушка 5 вместе с высокочастотным генератором 4 для создания переменного электромагнитного поля выполнена внутри разрядной камеры 2 для ионизации топлива. На противолежащем входному отверстию 3 конце разрядной камеры 2 предусмотрено выпускное отверстие 6. К выпускному отверстию 6 примыкает решетчатая система 7, которая в качестве первой решетки 8 имеет экранирующую решетку (якорь границы плазмы), а в качестве второй решетки 9 имеет решетку ускорения. Для работы решетчатой системы 7 первая решетка 8 требует положительного, а вторая решетка 9 - отрицательного высокого напряжения. Положительное напряжение питания снимается с потенциальной клеммы 10 для первой решетки 8, а отрицательное высокое напряжение - с потенциальной клеммы 11 для второй решетки 9.
Показанный на примере выполнения ионный двигатель 1 известным способом имеет нейтрализатор 14. Последний включает в себя камеру 15, через входное отверстие 17 которой в камеру 15 вводится газ, например ксенон. Камера 15 охватывается электродами 16a, 16b так, что на выходном отверстии 18 камеры 15 можно создать эквивалентный ионному пучку 19 пучок 24 электронов для нейтрализации ионного пучка 19. На потенциальные клеммы 25а, 25b электродов 16a, 16b нейтрализатора подается высокое напряжение для питания нейтрализатора.
Путем изменения полярности на решетчатой системе 7 ионного двигателя 1 вместо ионов из разрядной камеры 2 также можно извлекать электроны и ускорять их посредством решетчатой системы 7. Путем соответствующего выбора времени экстракции ионов и электронов и/или значения напряжений на потенциальных контактах 10, 11 для обеих фаз извлечения можно установить эквивалентный ионному потоку поток электронов. В этом случае можно отказаться от нейтрализатора 14.
Таким образом, ионный двигатель 1 известным способом включает в себя три функциональные зоны: зону 50 для выработки ионов, зону 52 для ускорения ионов и факультативную зону 54 для нейтрализации ионного луча.
Выработка необходимых для работы ионного двигателя высоких напряжений для решетки 7 и факультативного нейтрализатора 14 происходит не собственными источниками напряжения питания, а посредством первого средства 12, с помощью которого из вырабатываемых высокочастотным генератором 4 токов и/или напряжений получают высокие напряжения, необходимые для решетчатой системы 7 и факультативного нейтрализатора. На фигуре получение соответствующих высоких напряжений символизируется связью (стрелка 13) между высокочастотным генератором 4 и первым средством 12.
Получение высоких напряжений и обеспечение их наличия на потенциальных клеммах 10, 11 и факультативных 25а, 25b может происходить, например, таким образом, что часть высокочастотной мощности отбирается посредством конденсаторов (не показано) от соединенной с высокочастотным генератором 4 катушки 5. В таком выполнении приложенное к конденсаторам напряжение посредством второго средства выпрямляется выпрямителем 22 и, факультативно, сглаживается с помощью третьего средства 23. Если необходимое для решеток 8, 9 решетчатой системы 7 напряжение выше, чем отбираемое из высокочастотной цепи напряжение, то в первом средстве 12 может быть предусмотрена каскадная схема, включающая в себя конденсаторы и диоды, которая повышает напряжение до необходимого значения. Соответствующая схема также может быть предусмотрена для электродов 16a, 16b нейтрализатора.
Альтернативно, необходимые для работы решетчатой системы 7 и факультативного нейтрализатора 14 напряжения могут быть обеспечены посредством по меньшей мере одной катушки связи (не показано), с отводов которой снимают необходимые для решетчатой системы напряжения. В одном варианте, например, в высокочастотную систему может быть интегрирован высоковольтный трансформатор, так что на его выходе имеются необходимые для решетчатой системы напряжения. Точно также непосредственно в разрядной камере 2 могут быть размещены одна или несколько катушек связи (не показаны), имеющие один или несколько отводов. Катушка или катушки связи могут быть выполнены таким образом, что они имеют гальваническую развязку с катушкой 5 для ионизации топлива. Предпочтительно катушка или катушки связи размещаются таким образом, что обеспечивается хорошая связь катушки 5 и катушки или катушек для решетчатой системы 7 или факультативным нейтрализатором 14.
Другие вышеописанные средства 22 и 23 для выпрямления и сглаживания напряжений также могут быть предусмотрены при наличии катушек связи. Во всяком случае, при отборе мощности с помощью катушек возможно дальнейшее упрощение приводной системы, так как также можно отказаться и от последующего выпрямления. В этом случае полярность решеток 8, 9 решетчатой системы изменяется друг относительно друга, так что электроны и ионы вырабатываются попеременно. При этом напряжения на решетках 8, 9 следует выбирать таким образом, чтобы, предпочтительно, поток ионов был эквивалентен потоку электронов. При определенных обстоятельствах, необходимо согласование фазировки на якоре границы плазмы 8 и на решетке 9 ускорения, на которую можно воздействовать посредством подходящих схем RCL (не показано).
В общем случае, средства 22 и 23 для выпрямления и сглаживания в ионном двигателе, который работает без нейтрализатора 14, могут отсутствовать. В таком двигателе посредством измерения полярности напряжений на решетках 8, 9 из разрядной камеры 2 извлекаются и ускоряются как электроны, так и ионы. Каскады LC, L, С или RLC могут использоваться для того, чтобы оптимизировать фазировку на решетках 8, 9. Предпочтительно фазировку и напряжения следует регулировать таким образом, чтобы средний ионный поток соответствовал среднему электронному потоку.
В средстве 12 для обеспечения напряжения схематически показаны два выключателя 20, 21, которые могут быть выполнены в виде механических или электронных коммутаторов. Выключатели 20, 21 предназначены для того, чтобы поддерживать экранирующую решетку 8 и/или решетку 9 ускорения в обесточенном состоянии, даже если топливо в разрядной камере 2 ионизируется. При необходимости, для всех решеток решетчатой системы 7 может быть предусмотрен единственный выключатель.
С ростом высокочастотной мощности также растут и напряжения на потенциальных клеммах 10, 11 решеток 8, 9. Это является ионооптически благоприятным, так как повышающееся вместе с увеличенной высокочастотной мощностью увеличение плотности плазмы также требует более высокого напряжения эмиссии.
Предлагаемый в изобретении ионный двигатель имеет преимущество в том, что можно значительно упростить систему электропитания. За счет этого возможна экономия массы. Кроме того, повышается эксплуатационная надежность и минимизируются затраты на управление. Далее, можно реализовать двигатель без отдельного нейтрализатора. Это обеспечивается с помощью средства обеспечения напряжения питания, с помощью которого являются отбираемыми необходимые высокие напряжения из вырабатываемых высокочастотным генератором токов и/или напряжений. Прежде всего, можно обеспечить подачу напряжений питания для решеток высокочастотных ионных двигательных установок, высокочастотных источников ионов, высокочастотных нейтрализаторов или высокочастотных источников электронов.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 Ионный двигатель
2 Разрядная камера
3 Впускное отверстие
4 Высокочастотный генератор
5 Катушка высокочастотного генератора
6 Выпускное отверстие
7 Решетчатая система
8 Экранирующая решетка/якорь границы плазмы (первая решетка)
9 Решетка ускорения (вторая решетка)
10 Потенциальная клемма для первой решетки 8
11 Потенциальная клемма для второй решетки 9
12 Средство обеспечения подачи напряжения питания
13 Связь (схематично)
14 Нейтрализатор
16а, 16b Электрод
17 Впускное отверстие
18 Выпускное отверстие
19 Ионный поток
20 Выключатель
21 Выключатель
22 Средство выпрямления
23 Средство сглаживания
24 Электронный поток
25а, 25b Потенциальная клемма
50 Выработка ионов
52 Ускорение ионов
54 Нейтрализация ионного потока
1. Ионный двигатель (1) для космического аппарата, включающий в себя высокочастотный генератор (4) для создания переменного электромагнитного поля, используемого для ионизации топлива, подходящую систему (7) ускорения носителей заряда для создания электростатического поля и первое средство, обеспечивающее получение высоких напряжений, необходимых для системы (7) ускорения носителей заряда, из токов и/или напряжений, вырабатываемых высокочастотным генератором (4) для создания переменного электромагнитного поля, причем первое средство (12) для отбора части вырабатываемой высокочастотным генератором (4) мощности включает в себя по меньшей мере один конденсатор, связанный с высокочастотным генератором (4), или по меньшей мере одну соединенную с высокочастотным генератором (4) катушку связи, на катушечных выводах которой обеспечены необходимые для системы (7) ускорения высокие напряжения.
2. Ионный двигатель по п.1, в котором система ускорения носителей заряда содержит первую, в основном экранирующую решетку, и по меньшей мере одну вторую, в основном ускоряющую решетку.
3. Ионный двигатель по п.1, в котором по меньшей мере одна катушка связи выполнена в виде вторичной обмотки трансформатора, которая связана с катушкой высокочастотного генератора (4) как с первичной обмоткой трансформатора.
4. Ионный двигатель по п.1, в котором по меньшей мере одна катушка связи имеет отвод или несколько отводов, гальванически развязанных от катушки высокочастотного генератора (4).
5. Ионный двигатель по п.3, в котором по меньшей мере одна катушка связи имеет отвод или несколько отводов, гальванически развязанных от катушки высокочастотного генератора (4).
6. Ионный двигатель по п.1, в котором предусмотрено второе средство (22) для выпрямления напряжений, отбираемых от высокочастотного генератора (4) для системы (7) ускорения.
7. Ионный двигатель по п.6, в котором предусмотрено третье средство (23) для сглаживания выпрямленных напряжений для системы (7) ускорения.
8. Ионный двигатель по п.1, в котором установка соотношения между напряжениями системы (7) ускорения и напряжением высокочастотного генератора (4) происходит посредством высоковольтного каскада, включающего в себя несколько конденсаторов и диодов, и/или требуемым отношением количества витков катушки высокочастотного генератора (4) к количеству витков катушки связи.
9. Ионный двигатель по п.1, в котором для разделения напряжения питания предусмотрен по меньшей мере один управляемый выключатель (20, 21) между высокочастотным генератором (4) и системой (7) ускорения.
10. Ионный двигатель по п.7, в котором предусмотрено четвертое средство для изменения полярности напряжений на системе (7) ускорения для экстракции и ускорения ионов и электронов.
11. Ионный двигатель по п.1, в котором ионный двигатель (1) имеет отдельный нейтрализатор (14), питаемый напряжением, получаемым в основном с помощью первого средства (12), из токов и/или напряжений, вырабатываемых высокочастотным генератором (4) для создания переменного электромагнитного поля.
12. Способ эксплуатации ионного двигателя (1) для космического аппарата, включающего в себя высокочастотный генератор (4) для создания переменного электромагнитного поля, используемого для ионизации топлива, и решетчатую систему (7) с подходящей системой (8, 9) ускорения носителей заряда, характеризующийся тем, что необходимые для системы ускорения носителей заряда высокие напряжения получают из токов и/или напряжений, вырабатываемых высокочастотным генератором (4) для создания переменного электромагнитного поля, причем для отбора части вырабатываемой высокочастотным генератором (4) мощности используют по меньшей мере один конденсатор, связанный с высокочастотным генератором (4), или по меньшей мере одну соединенную с высокочастотным генератором (4) катушку связи, на катушечных выводах которой обеспечивают необходимые для системы (7) ускорения высокие напряжения.
Похожие патенты:
Изобретение относится к плазменному маневровому реактивному двигателю на основе эффекта Холла, используемому для перемещения спутников с помощью электричества. Плазменный реактивный двигатель на основе эффекта Холла содержит основной кольцевой канал ионизации и ускорения.
Изобретение относится к реактивным средствам перемещения преимущественно в свободном космическом пространстве. Предлагаемое средство перемещения содержит корпус (1), полезную нагрузку (2), систему управления и не менее одной кольцевой системы сверхпроводящих фокусирующе-отклоняющих магнитов (3).
Изобретение относится к пучковым технологиям и может быть использовано для компенсации (нейтрализации) пространственного заряда пучка положительных ионов электроракетных двигателей, в частности, для применения в двигательных установках микро- и наноспутников.
Изобретение относится к области плазменных двигателей. Устройство содержит, по меньшей мере: один главный кольцевой канал (21) ионизации и ускорения, при этом кольцевой канал (21) имеет открытый конец, анод (26), находящийся внутри канала (21), катод (30), находящийся снаружи канала на его выходе, магнитную цепь (4) для создания магнитного поля в части кольцевого канала (21).
Изобретение относится к электроракетному двигателю с замкнутым дрейфом электронов. Электроракетный двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит основной кольцевой ионизационный и ускорительный канал, по меньшей мере, один полый катод, кольцеобразный анод, трубку с коллектором для питания анода ионизируемым газом, и магнитную цепь для создания магнитного поля в основном кольцевом канале.
Огромный электроракетный двигатель с рекордными характеристиками прошёл наземный тест под нагрузкой, превышающей номинал. Новичок совмещает приличную тягу с экономичностью. А это позволяет надеяться на новый виток в развитии космической отрасли.
Ионный двигатель хорошо известен нам из научно-фантастических романов. Принцип его работы заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. Ионы дают гораздо меньшую тягу, чем химическое топливо, так что такой двигатель не сможет придать ракете даже первую космическую скорость. Но если запустить его в космосе, то он может работать буквально годами напролёт, разгоняя корабль до невиданных скоростей.
В некоторых космических миссиях уже применялись такие двигатели, в том числе в японском корабле «Хаябуса» (2005 год, полёт к астероиду Итокава), а также в американском корабле «Доун», который стартовал в сентябре 2007 года к астероидам Веста и Церера.
Но новая модель двигателя под названием VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) будет в сотни раз мощнее прежних ионных двигателей за счёт использования в процессе разгона ионов аргона не стандартных металлических решёток, а радиочастотного генератора, который не вступает с газом в физический контакт, как решётки.
Ad Astra Rocket Company провела испытания самого мощного на сегодняшний день плазменного ракетного двигателя. VASIMR VX-200 (о котором мы не так давнорассказывали) работал на 201 кВт в вакуумной камере, впервые преодолев отметку в 200 кВт. Тест также подтвердил, что маломасштабный прототип VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket – электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом) способен функционировать на полной мощности. “Это самая мощная плазменная ракета в мире сегодня”, – говорит бывший астронавт и главный исполнительный директор Ad Astra Франклин Ченг-Диаз (Franklin Chang-Diaz).
Компания заключила соглашение с NASA на проведение проверки работоспособности двигателя на Международной космической станции (МКС) в 2013 году. Он будет производить периодические “подталкивания” станции, которая постоянно снижается из-за взаимодействия с атмосферой. В настоящее время такие операции выполняются двигателями малой тяги кораблей, потребляющими около 7,5 тонн ракетного топлива в год. Ченг-Диаз утверждает, что снизив это количество до 0,3 т, VASIMR сэкономит NASA миллионы ежегодно.
Но у Ad Astra есть и более амбициозные планы. Например, миссии на Марс на высокой скорости. 10-МВт или 20-МВт модификация VASIMR сможет доставить людей на красную планету за 39 дней, тогда как у обычных ракет на это уйдёт полгода, если не больше. Чем короче путешествие, тем меньше астронавты будут подвергаться действию космической радиации, являющейся существенным препятствием.
Инновационный двигатель также можно приспособить для большего груза в роботизированных миссиях, хотя скорость полёта снизится. Ченг-Диаз трудился над разработкой концепции VASIMR с 1979 года – задолго до основания бизнеса в 2005 году. Технология подразумевает использование радиоволн для нагревания газов (водорода, аргона, неона), чтобы сформировать высокотемпературную плазму. Магнитные поля выталкивают её из двигателя, благодаря чему создаётся реактивная тяга. Как следствие высокой скорости, которая достигается беспрерывным процессом её наращивания, требуется намного меньше топлива, чем для обычных двигателей. Вдобавок, в конструкции VASIMR нет физического контакта электродов с плазмой, а значит продлевается срок эксплуатации.
Как работает VASIMR в тестовой камере, можно увидеть в этом ролике. Правда, он относится к давнему испытанию, во время которого аппарат потреблял только 179 киловатт. Из них 30 кВт использовались в первой части двигателя для создания плазмы, а 149 - на разогрев и разгон её во второй камере.
Стоит вспомнить американский межпланетный аппарат Dawn, который стартовал осенью 2007-го (к своей первой цели, Весте, он прибудет в 2011 году). Для разгона к поясу астероидов Dawn использует три ионных двигателя, каждый из которых развивает максимальную тягу в 90 миллиньютонов.
“Это идентично весу одного листка из блокнота”, - образно поясняет NASA. В чём, спрашивается, смысл? Дело в том, что “ионники” примерно в 10 раз эффективнее химических ракетных двигателей. В частности, удельный импульс устройств, стоящих на Dawn, составляет 3100 секунд.
Потому 425 килограммов рабочего тела (ксенона) им хватит на 2100 дней работы. Пусть ускорение Dawn невозможно заметить глазу, но общее приращение скорости за всё время миссии составит порядка 10 километров в секунду.
И сам аппарат получился сравнительно лёгким (тонна с четвертью). Потому для его старта с Земли понадобилась ракета меньшего класса (Delta II), а значит - более дешёвая, в сравнении той, что потребовалась бы для подъёма на орбиту гипотетического исследователя астероидов, построенного на основе химических движков.
Удельный импульс установки VX-200 составляет порядка 5000 секунд. Вообще же он может меняться, что и отражено в названии устройства. Больший КПД можно получить при малой тяге, меньший - при максимальной.
Так можно варьировать режим работы маршевого движка в зависимости от целей миссии космического аппарата. Где-то можно позволить себе потратить несколько больше рабочего тела, но сократить время полёта, где-то, напротив, выполнить задание за больший срок, но при минимальном расходе “горючего”, а значит, - минимальном весе аппарата.
Тут надо отметить, что VASIMR претендует на роль некоего промежуточного варианта создания тяги в условиях космоса. Промежуточного между химическими ускорителями (мощными, но прожорливыми) и чрезвычайно миниатюрными электроракетными движками, экономичность которых может быть гораздо выше, чем даже у VX-200, но тяга будет составлять лишь доли грамма.
VASIMR обладает ещё одним преимуществом перед соперниками из стана электроракетных двигателей в целом: в нём плазма ни в одной точке не соприкасается с деталями аппарата, а контактирует только с полями.
Это означает, что устройство от Ad Astra сможет работать по многу месяцев и даже лет без деградации конструкции - то что надо для разгона космических аппаратов на пути в глубины Солнечной системы или коррекции орбиты спутников. У классических ионных ракетных двигателей больной вопрос – эрозия решёток-электродов. У VASIMR же таковых попросту нет.
Ad Astra Rocket строит богатые планы применения VASIMR в ряде проектов. Так, по соглашению с американским космическим агентством в 2013 году лётный вариант VX-200, названный VF-200-1, должен попасть на испытания на МКС. Разрабатываемый ныне аппарат будет базироваться на общем дизайне VX-200, но состоять из двух фактически параллельных движков по 100 киловатт каждый.
(Интересно, что Ad Astra Rocket ведёт переговоры о доставке VF-200-1 на станцию при помощи частного носителя от SpaceX либо Orbital Sciences).
VF-200-1 попробует поднимать орбиту станции, регулярно “проседающую” из-за слабого торможения в остатках атмосферы, имеющихся даже на 400-километровой высоте. VF-200-1 будет включаться на короткое время (несколько минут) эпизодически. А поскольку мощность, забираемая им из сети, очень велика, двигатель должен потреблять энергию, накопленную в специальных аккумуляторах, которые, в свою очередь, во время пауз в работе плазменного ускорителя будут понемногу подзаряжаться от солнечных батарей МКС.
Если тест пройдёт успешно, на такой способ подъёма орбиты, возможно, и переведут станцию. А это обещает солидную экономию. Ведь нынешний вариант подъёма орбиты (при помощи химических движков транспортных кораблей снабжения) означает расход 7,5 тонны горючего в год, в то время как VASIMR потребует на ту же цель 300 килограммов аргона ежегодно. Перспективы же технологии ещё заманчивее.
На основе одного или нескольких VF-200-1, полагает компания, можно построить беспилотный грузовик, который будет переправлять большие грузы с низкой околоземной орбиты на окололунную. Питание эти движки получали бы от солнечных батарей.
Для такого аппарата, скорее всего, потребовалась бы бортовая атомная электростанция - солнечные панели нужной мощности вышли бы просто чудовищно большими.
О том, что электроракетные движки для дальних миссий “просят” ядерную подпитку, специалисты говорят давно. Никаких принципиальных и неразрешимых трудностей в постройке подобного генератора сейчас нет.
Ещё не все вопросы относительно тонкостей работы самого VASIMR сняты. Учёным предстоит повысить полный КПД системы и найти лучший способ избавления от лишнего тепла, рассеиваемого таким движком. Но в целом технология вполне уже подходит к этапу, когда исключительно наземные экспериментальные установки должны породить модификации, предназначенные для отправки на орбиту. Чан-Диаз и его коллеги полагают, что коммерческие версии двигателей типа VASIMR могут появиться на рынке в 2014 году.
Не секрет, что все реактивные двигатели работают за счёт закона сохранения импульса. Именно из него вытекает, что реактивная тяга - это произведение массового расхода на скорость выхода рабочего тела из сопла .
Эту скорость принято называть удельным импульсом реактивного двигателя. Давайте для примера найдём реактивную тягу при стрельбе из автомата Калашникова, которая является основной составляющей отдачи. Пусть масса пули будет 0,016 кг , начальная скорость пули 700 м/с , а скорострельность 10 выстр./с . Тогда отдача F=700∙0,016∙10=112 Н (или 11 кгс) . Большая отдача, но тут приведена техническая скорострельность 600 выстр./мин. В реальности стрельба ведётся очередями или одиночными и составляет ≈50 выстр./мин.
Выстрел из АК
Вернёмся к реальным реактивным двигателям, в которых вместо пуль обычно используются потоки выходящего с гиперзвуковой скоростью газа. Химические реактивные двигатели являются самыми распространёнными, но не единственными.
В этой статье, с большим предисловием, я хочу рассказать об ионных реактивных двигателях (далее ИРД). ИРД используют в качестве рабочего тела заряженные частицы - ионы. Ионы имеют массу, и если их разогнать электрическим полем, то можно создать реактивную тягу. Это всё в теории, а теперь подробнее. ИРД имеет некоторый запас газа, который ионизируют (т.е. нейтрально-заряженные атомы газа разбивают на отрицательные электроны и положительные ионы) с помощью газового разряда. Далее ионы разгоняются электрическим полем с помощью специальной системы сеток, и эта же система сеток блокирует движение электронов. После того, как положительные ионы вылетели из сопла, их нейтрализуют отрицательными электронами (в результате этого происходит рекомбинация и газ начинает светиться), чтобы ионы не притягивались обратно к двигателю, и тем самым не снижали его тяги.
Почему ксенон?
Обычно в ИРД в качестве рабочего тела используется газ ксенон, так как он имеет наименьшую энергию ионизации среди инертных газов.
Удельный импульс ионных реактивных двигателей достигает 50 км/с, что в 150 раз превышает скорость звука! Увы, но тяга таких двигателей составляет около 0,2 Н. Почему же так? Ведь удельный импульс очень большой. Дело в том, что масса ионов очень маленькая и массовый расход получается небольшим. Для чего тогда такие двигатели нужны, если они ничего не смогут сдвинуть с места? На Земле может быть не смогут, а вот в космосе, где нет сил сопротивления, они достаточно эффективные. Существует такое понятие как полный импульс - произведение тяги на время или произведение удельного импульса на массу топлива , который у ИРД является достаточно большим.
Решим следующую задачу. Пусть жидкостный ракетный двигатель имеет удельный импульс 5 км/с, а у нашего ИРД он будет 50 км/с. И давайте масса рабочего тела (в ЖРД она равна массе топлива) у обоих двигателей будет 50 кг. Примем массу космического аппарата равной 100 кг.
Найдём по формуле Циолковского конечную скорость аппарата (т.е. когда в нём закончится рабочая масса).
И что получается, если ионный и химический реактивные двигатели будут иметь одинаковую массу топлива, то ИРД сможет разогнать космический аппарат до больших скоростей, нежели химический РД. Правда на ИРД космический аппарат будет разгонятся дольше до конечной скорости, чем на ЖРД. Но в путешествиях к далёким планетам, высокая конечная (разгонная) скорость будет компенсировать этот недостаток.
Схема полёта к Марсу на ИРД
ИРД используются и в наше время. Например, аппарат Deep Space 1 сблизился с астероидом Брайль и кометой Борелли, передал на Землю значительный объём ценных научных данных и изображений.
Deep Space 1
Также космическая антенна LISA, которая сейчас находится на стадии проектирования, будет использовать ИРД для корректировки орбиты.
Laser Interferometer Space Antenna
И напоследок, давайте определим тягу ИРД, зная массу иона М=6,5∙10^-26 кг , ускоряющие напряжение U=50 кВ , ток нейтрализации I=0,5 А , элементарный заряд е=1,6∙10^-16 Кл .
Напряжение - это работа по переносу заряда, т.е. на выходе из сопла ион будет иметь кинетическую энергию равную произведению напряжения на заряд иона. Из кинетической энергии выражаем скорость (удельный импульс). Найдём массовый расход из определения тока, электрический ток - это проходящий заряд во времени. Получается, что массовый расход - это произведение массы иона и тока, делённое на заряд иона. Перемножая удельный импульс и массовый расход, получаем тягу равную 0,1 Н.
Подводя итог, хочу сказать, что существуют плазменные реактивные двигатели, у которых схожее устройство, но которые имеют намного больший массовый расход рабочего тела. Кто знает, может быть уже завтра на таких двигателях человечество будет летать на Марс и Луну.
