#чтиво | Улучшенные ионные двигатели откроют дверь за пределы Солнечной системы

20 554 просмотра
Об авторе

двигатель

Для многих фраза «Включаем ионный двигатель» может показаться скорее пришедшей из какого-нибудь фантастического фильма, вроде «Звездных войн», нежели относящейся к реальному миру. А ведь ионные двигатели на самом деле используются в различных космических миссиях уже более сорока лет и они по-прежнему продолжают оставаться объектом активных исследований со стороны ученых. Эти двигатели обладают невероятной топливной эффективностью, но их малая тяга требует их постоянной работы — от сюда и все проблемы при их применении. Ведь постоянная работа — это постоянный износ, и как следствие — серьезное ограничение периода их эксплуатации и жизнеспособности. Но группа ученых из исследовательской лаборатории NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) придумали новый дизайн двигателя, который исключает износ и открывает двери для возможных будущих миссий за пределами нашей Солнечной системы.

Различные типы ионных двигателей начали применять в космических миссиях еще в 1964 году, когда NASA запустила программу суборбитального полета SERT (Space Electric Rocket Test I). После этого во многих космических полетах на той или иной стадии использовались такие двигатели. Например, несколько коммуникационных спутников достигали своих ключевых геосинхронных орбит используя именно ионную тягу. А аппарат SMART-1 производства Европейского космического агентства хоть и использовал при выходе на околоземную орбиту обычные двигатели, для полета до лунной орбиты использовал ионные движки.

Но во всей своей красе ионные двигатели смогли раскрыться только при полетах в дальний космос: миссиях NASA Deep Space One и Dawn, и миссии Hayabusa от Японского аэрокосмического исследовательского агентства, где ионные двигатели активировались на разных стадиях, на протяжении нескольких лет и создавали тягу в несколько сотен ньютон.

двигатель3

Ионный двигатель аппарата Deep Space One

двигатель2

Как же работает ионный двигатель?

Существует множество видов и еще больше предложенных вариантов ионных двигателей, но основной принцип один для всех. Есть два базовых вида ионных двигателей — электростатический и электромагнитный.
Электростатический ионный двигатель работает по принципу ионизации топлива (чаще всего в таких случаях используются газы ксенон или аргон). Сначала из электрона получают положительно заряженный ион, путем наделения его достаточной энергией. Затем положительно заряженные ионы помещаются между двумя специальными заряженными решетками образующими электростатическое поле. Это настолько разгоняет заряженные ионы, что они буквально вырываются из сопла двигателя и тем самым дают нужную тягу.

Электромагнитный ионный двигатель тоже работает по принципу ионизации топлива. Но в этом случае образуется плазма, которая образует своего рода мост (поток) между ионизированным анодом и катодом. Этот поток преобразует магнитное поле в электрическое поле, которое разгоняет положительно заряженные ионы. Выводятся они из двигателя благодаря силе Лоренцо — примерно по похожему принципу работает рейлган.

…а космические корабли бороздят просторы Вселенной

Все описанное выше требует большого количества электрической энергии, примерно 25 кВт на ньютон тяги. Так сколько же нужно уровней тяги для перемещения по Солнечной системе, скажем, 100-тонного космического корабля? Все конечно зависит от самой миссии, но 1000 H будет вполне достаточно, чтобы примерно за 10 месяцев достигнуть орбиты Юпитера, а орбиты Нептуна — за полтора года.

Что же для этого потребуется? Сперва нужно будет обзавестись источником энергии с силой около 25 МВт (мегаватт). Что же подойдет для такого уровня? Ядерная энергия, конечно! Очень много ядерной энергии, которая вырабатывается ядерным реактором, установленным в 100-тонном космическом корабле. К счастью технологии довольно активно развиваются, и в направлении создания компактных ядерных реакторов работы уже ведутся. Более того, NASA и DOE работают вместе над проектом Fission Surface Power Project, сутью которого является размещение на поверхности Луны и Марса маленьких ядерных электростанций. Задачей проекта является создать в ближайшие 10 лет реактор мощностью 40 кВт, который влезет в пространство размером 3 x 3 x 7 метров и при этом не будет весить больше 5000 кг.

Проблема конструкции

Допустим, миниатюрную ядерную электростанцию мы уже создали. Как мы сделаем сам ионный двигатель на 1000 Н? Помимо обычных технических проблем, вроде эффективности ионизации топлива и разработки системы охлаждения для такого двигателя, самой большой проблемой в данном вопросе является быстрый износ из-за большого ионного «выхлопа» который будет выделять из двигателя и в конце концов просто разрушит конструкцию. Но что интересно, проблем стоит не в материале, из которого этот двигатель состоит, а в нынешней конструкции (дизайне). Так вот эту проблему уже частично решили исследователи из NASA и лаборатории Jet Propulsion.

На схеме ниже можно видеть как топливная плазма заполняет анодный и газовый распылитель. При низкой тяге, малое количество плазмы разгоняется эффектом Лоренца, благодаря магнитному и электрическому полям. При большой тяге плотность плазмы становится достаточно мощной чтобы искривить эти поля, что в результате разгоняет положительно заряженные ионы прямо в анодную стену.

новая камера

В нынешних ионных двигателях высокая вырабатываемая ионная энергия разрушает стенки камеры. При попытке увеличить тягу, тем самым снизив потребление топлива, разрушение происходит еще быстрее. Проблема становится еще сложнее и потому, что электродинамика полей и плазмы нелинейна, что усложняет возможность предсказать эффект эрозии после изменения самого дизайна камеры.

Новый подход заключается в том, чтобы защитить стенки камеры от заряженных ионов путем создания магнитного щита. NASA удалось это сделать путем экранирования стенок нитридом бора таким образом, что магнитное поле от внутренней и внешний катушки проходит вдоль конца анодного канала. Другими словами, магнитное поле теперь никак не влияет на сами стенки камеры. Эти поля теперь находятся перпендикулярно, или даже практически параллельно стенкам.

Результаты первых экспериментов новой магнитно-экранированной камеры с мощностью 6 кВт ускорителя показали, что эрозия резко снизилась на 500-1000 пунктов. Это просто отличный результат!

Разумеется, на дальнейшем пути создания более крупных ионных двигателей ученые наверняка столкнуться с немалым количеством трудностей, но основная задача, которая вроде бы и лежала на поверхности, но никак не хотела решаться, теперь все таки решена. Другими словами, мы стали еще на один шаг ближе к миссиям и, кто знает, даже коммерческим путешествиям в дальний космос.

Источник: Gizmag.com

#чтиво | Улучшенные ионные двигатели откроют дверь за пределы Солнечной системы

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

33 комментария

  1. кирилл

    Cпасибо застатью

  2. Киношник

    Баян.
    Эонный двигатель это миф.

    • Матвей Гумилев

      Эонный — да, миф. А вот Ионный двигатель, еще 1964 году был на SERT-1 был установлен и испытан.

      • Дин Экс

        Ты пытаешься доказать правду тому, кому лень даже открыть Википедию, не говоря уже вообще поискать информацию об ионном двигателе.

    • странник

      Ты неучь и туп.........

  3. чингис

    Не понял насчет параллельно-перпендикулярного расположения полей, так параллельно или перпендикулярно они расположены?

    • ENKEI

      Это магнитные поля. Параллельно-перпендикулярно они расположены =)

    • ENKEI

      Шутка. Как угодно они находятся и все равно достаточно экранируют, хотя и шутка от части правда, однако это уже другая история.

    • 123

      монопенесуально.. =))

    • S-ed

      Тоже не понял, ведь при перпендикулярном положении магнитного поля к стенке, это будет самое уязвимое место (для аналогии магнитные полюса Земли).

  4. Макс Ментол

    "...из электрона получают положительно заряженный ион..." - это как?? В смысле как можно положительно зарядить частицу, которая сама по себе несет отрицательный заряд??!!

    • Николай Хижняк

      Положительно заряженный ион образуется, если электрон в атоме или молекуле получает достаточную энергию для преодоления потенциального барьера, равную ионизационному потенциалу. Отрицательно заряженный ион, наоборот, образуется при захвате дополнительного электрона атомом с высвобождением энергии.

  5. Markas

    У меня чайник на ионном двигателе и машина!Я балдю от него!

  6. Ктулху

    Печально, что почти во всех статьях на этом сайте, авторы допускают грамматические ошибки.
    А вот такие честно говоря бесят:
    "..ученые наверняка столкнуться с немалым количеством трудностей.."

    • Kvartalist

      2 проблемы - ться и тся

    • aleksandros

      Сейчас практически в каждом таком ресурсе тексты с грамматическими ошибками, видать нет у них должностей, типа редактора, написал и выложил на всеобщее обозрение текст, предварительно не проверив. А то еще хуже, бывают выкладывают перевод гугл транслейтора.

  7. Аноним

    Але я зробив цей нионний двигатель

  8. SonVos

    Всю правдоподобность этой истории в вашем изложении сломала фраза в главе Как же работает ионный двигатель?: "Сначала из электрона получают положительно заряженный ион..." ?????
    Согласно современным представлениям физики элементарных частиц, электрон неделим и бесструктурен (как минимум до расстояний 10−17 см).
    Ну прочтите же БСЭ или хоть эту, как её там... Википедию и изложите своими словами для придания уникальности. Но не тупости.

    • Вася Пупкин

      Разве он на кварки не делится?

      • Matrix

        делиться :) но многие физики досихпор отрицают квантовую физику.

        • Guru

          Прежде чем писать, прочитайте немного литературы по данной тематике. Электрон-это лептон, фундаментальная частица, он не делим. "Разбиваются" на кварки адроны! К числу которых относятся мезоны и барионы, к последним в свою очередь относятся протоны, нейтроны, гипероны и т.д. Кварки и лептоны образуют группу элементарных частиц именуемую фермионы.

  9. Антошка

    Огонь

  10. Василий

    > Сначала из электрона получают положительно заряженный ион, путем наделения его достаточной энергией.

    Это как вообще?

    • Guru

      Да никак, там должно быть написано "из атомов топлива (ксенона или аргона)". Потому что тут написан полный бред, так как ион по сути, если говорить просто, является атомом вещества с избытком/недостатком электронов. Избыток/недостаток электронов говорит о знаке заряда иона - соответственно отрицательный/положительный ион. Очень доставило: "Эти поля теперь находятся перпендикулярно, или даже практически параллельно стенкам."

  11. SharpEgg

    "ученые наверняка столкнуться" аххах, улыбнуло

  12. S-ed

    "эрозия резко снизилась на 500-1000 пунктов"
    Хорошо бы пояснить, что такое пункт.

  13. Tema1234321

    ыапыав

  14. alpenov

    S-ED, ну как же Вы не знаете?? Пункт это такая (внесистемная, т.е. вне какой-либо вообще системы) единица измерения любых вещей. Достаточно посмотреть биржевые котировки, результаты спортивных (и всяких других) рейтингов, чтобы понять, что это действительно так.
    У пункта существует дольная единица - пунктик. Она имеет место у очень многих деятелей (опять практически в любой области деятельности). Пунктик может иметь разные знаки, иногда положительный, иногда отрицательный. Но в любом случае наличие пунктика выделяет его носителя из серой массы всех прочих, у которых пунктик отсутствует.

    А если без шуток, без глума и без кича - выше расположенная дискуссия характерна тем, что ведущие ее делятся на несколько групп.
    1. Люди, самоуверенность и амбициозность которых пропорциональна их невежеству (в степени, существенно выше первой, может быть в квадрате, или в кубе...)
    2. Люди, которые по простоте душевной принимают эту дискуссию хоть сколь-нибудь серьёзно (у меня есть подозрение, уважаемый S-ED, что Вы слегка из этой группы).
    3. Некоторые остальные, понимающие, чего эта дискуссия стОит в действительности (а она стОит величины, асимптотически близкой к нулю, асболютному, окончательному и бесповоротному).

    Надеюсь, что в своем тексте допустил не очень много грамматических ошибок разного вида, рода и племени. Вот например, я уверен, что если...
    "... кому-то хочется $$$ться, то он и $$$тся..". Вместо $ можете подставить то, что вам больше нравится (а вовсе не ТЬСЯ), например, "сомневаТЬСЯ --- сомневаеТСЯ", или "прикалываТЬСЯ --- прикалываеТСЯ".

    С пионерским или с каким-другим приветом --->всегда готов (ваш) АП

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.