Ионный двигатель как работает

Как работает ионный двигатель и где он применяется (7 фото)

Ученые уже придумали или готовятся придумать много новых типов двигателей для космических кораблей. Самые смелые предположения даже говорят про варп-двигатель, который должен разгонять корабль до скоростей, в несколько раз превышающих скорость света за счет искривления пространства в мощном гравитационном поле. Пока это только фантастика, которая скоро может стать перспективой. Зато ионные двигатели уже существуют и даже применяются. Они уже на данном этапе могут развивать скорости в несколько раз выше тех, что предлагают традиционные ракетные двигатели. Правда, они не могут отправить ракету в космос. Вот такие противоречия. Но как же тогда работает ионный двигатель и почему на данном этапе это действительно является технологией будущего?

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.

Топливом или рабочим телом такого двигателя является ионизированный инертный газ (гелий, аргон, неон, ксенон, криптон, оганесон, радон). Впрочем, не все инертные газы стоит использовать в качестве топлива, поэтому, как правило, выбор ученых и исследователей падает на ксенон. Также рассматривается вариант использования ртути в качестве рабочего тела ионного двигателя

Во время работы двигателя в камере образуется смесь из отрицательных электронов и положительных ионов. Так как электроны являются побочным продуктом, их надо отфильтровать. Для этого в камеру вводится трубка с катодными сетками для того, чтобы она притягивала к себе электроны.

Положительные ионы, наоборот, притягиваются к системе извлечения. После чего разгоняются между сетками, разница электростатических потенциалов которых составляет примерно 1 200 Вольт, и выбрасываются в качестве реактивной струи в пространство.

Схематичное изображение работы ионного двигателя.

Электроны, которые попали в катодную ловушку, должны быть удалены с борта корабля, чтобы он сохранял нейтральный заряд, а выброшенные ионы не притягивались обратно, снижая эффективность установки. Выброс электронов осуществляется через отдельное сопло под небольшим углом к струе ионов. Таким образом, что произойдет в их взаимодействии после покидания двигателя, уже не так важно, ведь они не мешают движению корабля.

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.

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.

Недостатки ионных двигателей

Возможность продолжительной работы ионного двигателя очень важна, так как он не способен развивать высокую тягу и моментально разгонять корабль до больших скоростей. В нынешних реализациях тяга ионных двигателей с трудом достигает 100 миллиньютонов.

Из-за такой конструктивной особенности, как минимум пока, такой двигатель не дает возможности стартовать с другой планеты, даже если у нее очень маленькая гравитация.

Получается, что использование таких двигателей для дальних путешествий пока невозможно без традиционных тяговых установок на химическом топливе. Зато, их совместное использование позволит гораздо более гибко пользоваться ускорением. Например, за счет обычного двигателя разгонять аппарат до более менее высокой скорости, а потом ускоряться еще больше за счет ионного двигателя.

Покорение дальнего космоса без новых технологий невозможно.

По сути, малая тяга на данный момент является главным недостатком таких двигателей, но ученые работают в этом направлении и в перспективе повысят его мощность, так как определенного прогресса удалось добиться уже сейчас.

Еще одной, пусть и не такой существенной, проблемой является надежность. В целом ионные двигатели достаточно надежны, но надо понимать, что их задача заключается в том, чтобы унести аппарат очень далеко и очень быстро. То есть работать он должен долго, чтобы не ставить под удар всю миссию. Поэтому, пока идут работы над увеличением мощности, разработчики стараются не забывать и о надежности.

Где используются ионные двигатели

Вам могло показаться, что ионные двигатели существуют только на бумаге и в лабораториях, но это не так. Они уже использовались, как минимум, в семи завершившихся миссиях и используются минимум в четырех действующих.

В том числе такие двигатели используются в рамках миссии BepiColombo, запущенной 20 октября 2018 года. В этой меркурианской миссии используются 4 ионных двигателя суммарной мощностью 290 миллиньютонов. Кроме этого, аппарат оснащен и химическим двигателем. Оба они в сочетании с гравитационными маневрами должны обеспечить выход корабля на орбиту Меркурия в качестве искусственного спутника.

Космический аппарат BepiColombo.

Использованием этих двигателей не брезгует и Илон Маск в своей программе Starlink, за счет этих двигателей корабль должен совершать небольшие маневры и уклоняться от космического мусора.

Сейчас планируется доставка на МКС ионной тяговой установки, которая позволит управлять положением станции в автоматическом режиме. Ее мощность подобрана исходя из доступной электрической мощности станции. Для большей надежности планируется так же доставка батарей, которые обеспечат 15 минут автономной работы двигателя.

Но самым необычным проектом был ”Прометей”. Корабль в рамках этого проекта планировалось отправить к Юпитеру со скорость 90 км/c. Ионный двигатель корабля должен бал работать от ядерного реактора, но из-за технических трудностей в 2005 году проект закрыли.

Когда изобрели ионный двигатель

При всей перспективности ионного двигателя, первый раз его концепцию предложил еще в 1917 году Роберт Годдард. Только спустя почти 40 лет Эрнст Штулингер сопроводил концепцию необходимыми расчетами.

Роберт Годдард.

В 1957 году вышла статья Алексея Морозова под названием ”Об ускорении плазмы магнитным полем”, в которой он описал все максимально подробно. Это и дало толчок к развитию технологии и уже в 1964 году на советском аппарате ”Зонд-2” стоял такой двигатель для маневров на орбите.

Первый аппарат в космосе с ионным двигателем.

По сути, ионный двигатель является первым электрическим космическим двигателем, но его надо было дорабатывать и совершенствовать. Этим и занимались долгие годы, а в 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе. Показанный тогда малый КПД и низкая тяга надолго отбили желание американской космической промышленности пользоваться такими двигателями.

В СССР разработки продолжались и после этого времени. И европейское, и американское космические агентства вернулись к этой идее. Сейчас исследования продолжаются, а выведенные на орбиту образцы двигателей, хоть и не могут быть главным тяговым элементом управления, но зато проходят ”проверку боем”. Собранная информация позволит увеличить мощность ионного двигателя. По разной информации, так удалось увеличить тягу самого мощного подобного двигателя более чем до 5 Н. Если это так, то все действительно не зря.

Как работает ионный двигатель?

Ионный двигатель - лучшая на сегодняшний день электрическая силовая установка для космического корабля. Это двигатель, который может вырабатывать лучшую скорость преобразования энергии в тягу. Он также имеет самый высокий удельный импульс, около 3000 сек (около 30 000 км / с или 18 600 миль в час) и самый длинный срок эксплуатации. Он превосходит любой обычный химический или ядерный двигатель. Принципы ионных двигателей восходят к концепциям, разработанным немецким / австрийским физиком Германом Обертом, и были опубликованы в его знаменитой работе 1929 года «Die Rakete zu den Planetenr? Umen» («Ракета в планетарное пространство»).

Первые ионные двигатели, известные как ионные двигатели типа Кауфмана, были разработаны Гарольдом Р. Кауфманом, работавшим в НАСА в 1960-х годах, и основывались на Duoplasmatron. Они могут достичь самого короткого времени в пути, но с минимальной начальной массой, что позволяет выполнять межпланетные миссии по низкой цене.

Название ионного двигателя или ионного двигателя происходит от того факта, что в нем используется ионизация газа-вытеснителя, получаемого путем электронной бомбардировки. Сначала двигатель выпускает электроны из катода, нагревая его, затем результирующий электрический заряд ускоряет электроны по направлению к аноду и в разрядную камеру.Затем газ, используемый для приведения в движение, наиболее распространенным из которых является ксенон (Xe), нагнетается в камеру, которая была предварительно намагничена, чтобы увеличить вероятность столкновения между атомами газа-вытеснителя и электронами.

Электроны, которые сталкиваются с атомами ксенона, отделяют другие электроны от этих атомов, таким образом ионизируя атомы, которые теперь заряжены положительно. Ионы очень возбуждаются и движутся с высокой скоростью, и когда металлические сетки в задней части камеры создают очень высокое напряжение, электростатическое притяжение заставляет электроны ускоряться через решетку.

Скорость, с которой движутся ионы, достигает 31,5 км / с (скорость звука составляет всего 1,2 км / с), а затем они фокусируются в пучок ионов, прежде чем окончательно истощиться из задней части космического корабля. Через нейтрализатор на последней стадии избыточные электроны также впрыскиваются в ионный пучок, тем самым предотвращая заряд космического корабля до большого отрицательного потенциала.

На данный момент двигательная установка с ионным приводом, несмотря на некоторые недостатки, очень полезна для двигательных установок в планетарных полетах, поскольку она способна развивать очень высокие скорости, намного превышающие любые другие химические двигательные установки в мире.

Как работает двигатель?

Вы уже знаете, что завести автомобиль так же просто, как повернуть ключ, но задумывались ли вы когда-нибудь, что на самом деле происходит под капотом?

Когда ваше тело нуждается в топливе, вы кормите его пищей. Когда вашему автомобилю нужно топливо, вы «кормите» его бензином. Точно так же, как ваше тело превращает пищу в энергию, автомобильный двигатель превращает газ в движение. Некоторые более новые автомобили, известные как гибриды, также используют электричество от батарей, чтобы помочь двигать транспортное средство.

Процесс преобразования бензина в движение называется «внутренним сгоранием».«Двигатели внутреннего сгорания используют небольшие контролируемые взрывы, чтобы генерировать мощность, необходимую для перемещения вашего автомобиля во всех местах, куда ему нужно ехать.

Если вы создадите взрыв в крошечном замкнутом пространстве, таком как поршень в двигателе, в качестве расширяющегося газа выделяется огромное количество энергии. Типичный автомобильный двигатель создает такие взрывы сотни раз в минуту. Двигатель использует энергию и использует ее для движения вашего автомобиля.

Взрывы заставляют поршни в двигателе двигаться. Когда энергия от первого взрыва почти закончилась, происходит другой взрыв.Это заставляет поршни двигаться снова. Цикл продолжается снова и снова, давая машине мощность, необходимую для движения.

Автомобильные двигатели используют четырехтактный цикл сгорания. Четыре такта - впуск, сжатие, сгорание и выхлоп. Удары повторяются снова и снова, генерируя энергию. Давайте подробнее рассмотрим, что происходит во время каждой фазы цикла сгорания.

Впуск: Во время цикла впуска впускной клапан открывается, и поршень движется вниз. Это начинает цикл с подачи воздуха и газа в двигатель.

Сжатие: Когда начинается цикл сжатия, поршень перемещается вверх и выталкивает воздух и газ в меньшее пространство. Меньшее пространство означает более мощный взрыв.

Сжигание: Затем свеча зажигания создает искру, которая зажигает и взрывает газ. Сила взрыва заставляет поршень отступить.

Выхлоп: Во время последней части цикла выпускной клапан открывается для выпуска отработанного газа, образовавшегося в результате взрыва.Этот газ подается в каталитический нейтрализатор, где он очищается, а затем через глушитель, прежде чем покинуть автомобиль через выхлопную трубу.

MIT Школа Разработки | »Как работает реактивный двигатель?

Как работает реактивный двигатель?

Намного эффективнее, чем раньше. Читайте дальше ...

Джейсон М. Рубин Реактивные двигатели

создают прямую тягу, принимая большое количество воздуха и выбрасывая его в виде высокоскоростной газовой струи. Их конструкция позволяет летать быстрее и дальше по сравнению с воздушным винтом. Их развитие и совершенствование в течение последних 65 лет сделали коммерческие авиаперевозки более практичными и прибыльными, открыв мир для бизнесменов и туристов.

«Типичным реактивным двигателем является газовая турбина», - говорит Джефф Дефо, научный сотрудник лаборатории газовых турбин MIT. «В самом простом случае он состоит из компрессора, лопасти которого имеют форму крыльев, которые вращаются очень быстро. Это втягивает воздух и сдавливает его, превращая его в газ под высоким давлением. Затем топливо впрыскивается в газ и зажигается. Это делает газ как высоким давлением, так и высокой температурой ».

Этот высокотемпературный пламенный поток газа высокого давления теперь проходит через турбину - по существу, еще один набор лопастей - который извлекает энергию из газа, понижая давление и температуру.«Турбина втягивает газ через двигатель и обратно через сопло, которое заметно увеличивает скорость за счет давления - давление уменьшается, а скорость увеличивается», - говорит Дефо. «Именно сила выброса газа обеспечивает тягу для продвижения самолета вперед».

Помимо аспекта сжатия / воспламенения топлива / мощности турбины реактивного двигателя, оболочка вокруг него также делает его более эффективным, чем открытый винт двигателя. «Без оболочки вокруг него пропеллер« видит »воздух, идущий к нему с любой скоростью, с которой летит самолет, - говорит Дефо.«Это ограничивает скорость вращения винта до того, как уменьшится сила тяги, ограничивая скорость полета самолета. Поскольку корпус реактивного двигателя удерживает воздух, поступающий в двигатель, с почти одинаковой скоростью, независимо от скорости полета, самолет может лететь быстрее ».

В наши дни реактивные двигатели даже более совершенные, чем базовая турбина, описанная выше. Теперь у них огромные вентиляторы впереди, и вместо того, чтобы выстреливать газ сзади, он проходит через вторую турбину, которая приводит вентилятор в движение спереди.В то время как старые реактивные двигатели отбирали меньшее количество воздуха и сильно его ускоряли, новые реактивные двигатели впитывали больше воздуха и немного ускоряли его. В результате двигатель потребляет гораздо меньше энергии. «До 1970-х годов для транс-тихоокеанских рейсов требовались остановки заправки», - отмечает Дефо.

В Лаборатории газовых турбин Дефо и его коллеги работают над тем, чтобы сделать реактивные двигатели тише и эффективнее, исследуя такие изменения конструкции, как снятие двигателей с крыльев и размещение их рядом с фюзеляжем, где молекулы воздуха были замедлены трениемУ самых больших реактивных двигателей могут быть вентиляторы диаметром более десяти футов, но они также могут быть достаточно маленькими, чтобы поместиться на ладони. Полезно отметить, что массивные газовые турбины, построенные по тем же принципам, что и двигатели реактивных самолетов, также используются для выработки электроэнергии на электростанциях, работающих на природном газе.

Благодарю 21-летнего Кумара Вишала из Патны, Индия, за этот вопрос.

Опубликовано: 14 февраля 2012 г.