XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Ионный двигатель— тип электрического ракетного двигателя. 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.

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./c. Тогда отдача F = 700 * 0.016 * 10 = 112 H (или 11 кгс) . Большая отдача, но тут приведена техническая скорострельность 600 выстр./мин. В реальности стрельба ведется очередями или одиночным и составляет примерно 50 выстр.-мин.

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. Почему же именно ксенон? Все просто, так как он имеет наименьшую энергию ионизации среди инертных газов.

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.

Ионному двигателю в настоящее время принадлежит рекорд негравитационного ускорения космического аппарата в космосе — DeepSpace 1 смог увеличить скорость аппарата массой около 370 кг на 4,3 км/с, израсходовав 74 кг ксенона. Этот рекорд был побит космическим аппаратом Dawn: впервые— 5 июня 2010 года, а к сентябрю 2016 года набрана скорость уже в 39 900 км/ч (11,1 км/с).

Ионный двигатель характеризуется малой тягой и высоким удельным импульсом. Ресурс работы оценивается в диапазоне 10 тысяч— 100 тысяч часов. В настоящее время разрабатывается новое поколение ионных

двигателей, рассчитанных на расход 450 килограммов ксенона, чего хватит на 22 тысячи часов работы при максимальном форсаже.

История развития ионных двигателей

Ионный двигатель является первым хорошо отработанным на практике типом электрического ракетного двигателя. Концепция ионного двигателя была выдвинута в 1917 году Робертом Годдардом, а в 1954 году Эрнст Штулингер детально описал эту технологию, сопроводив её необходимыми вычислениями. В 1929 году будущий академик космонавтики Валентин Петрович Глушко защищал диплом в Ленинградском университете по теме "Гелиоракетоплан для межпланетных перелетов". Основу гелиоракетоплана составляли электрореактивный (ионный) двигатель и огромная солнечная батарея диаметром 20 м.

В 1955году Алексей Иванович Морозов написал, а в 1957 году опубликовал в ЖЭТФ статью «Об ускорении плазмы магнитным полем».

20 июля 1964 года в космос бросают аппарат SERT-1 (SpaceElectricRocketTest), оснащённый экспериментальным ионным двигателем разработки Гарольда Р. Кауфмана, работающим на ртути. Именно так — бросают в космос, а не выводят на орбиту. Полёт был суборбитальным, двигатель успел проработать менее получаса, после чего аппарат вошёл в атмосферу. Тем не менее эти испытания двигателя прошли вполне успешно. На аппарате был ещё один ионный двигатель другой конструкции, на цезии, но он не заработал.

3 апреля 1965 года на орбиту выводят аппарат Snapshot, он же SNAP-10А. Уникальное сочетание из ядерного реактора и ионного двигателя, никогда после такого уже не будет. Ионный двигатель на цезии вновь подвёл... Он хоть и заработал, но создал столь серьезные помехи электронике спутника. что его пришлось отключить.

Гарольд Р. Кауфман с макетом спутника SERT-2

Серьезный успех ионных двигателей начался 4 февраля 1970 года: на орбиту вывели спутник SERT-2. Как it SERT-1, этот аппарат был оснащён сразу двумя ионными двигателями. Только теперь оба двигателя были ртутными конструкции Кауфмана с удельным импульсом около 41 км/с и мощностью по 850 Вт каждый. Летал новый аппарат по стабильной орбите тысячекилометровой высоты. Последний недавний запуск ИРД, который был совершен это BepiColombo. Запущен 20 октября 2018 года.

Что такое ракетный двигатель, принцип работы

Ракетные двигатели — это реактивные двигатели. Основной принцип движения ракетного двигателя — это знаменитый принцип Ньютона, «па каждое действие есть равное противодействие». Ракетный двигатель выбрасывает массу в одном направлении, а благодаря принципу Ньютона движется в противоположном направлении.

Понятие «выбрасывания массы и движения по принципу Ньютона» может быть сложно понять с первого раза, потому что ничего не разобрать. Ракетные двигатели, кажется, работают с огнем, шумом и давлением, а не «толкают вещи». Давайте рассмотрим пример, чтобы получить более полную картину реальности.

Если вы когда-либо наблюдали за работой пожарного шлага, вы наверняка заметили, что его достаточно сложно удержать (иногда пожарные вдвоем и втроем его держат). Шланг работает как ракетный двигатель. Он выбрасывает воду в одном направлении, а пожарные используют свою силу, чтобы противостоять реакции. Если они упустят рукав, он будет метаться повсюду. Если бы пожарные стоял на скейтбордах, пожарный рукав разогнал бы их до приличной скорости.

Влияние запусков ракетного двигателя нa озоновый слой

Озоновый слой — это самый легкий и тонкий слой в атмосфере, который содержит относительную концентрацию озона (до 0,001%). Озоновый слой защищает нашу планету от опасного ультрафиолетового излучения, которое способно причинить значительный ущерб жизни на Земле.

Однако озоновый слой не только покрывает нашу планету. Его также можно найти и на поверхности земли — он используется для таких целей, как отбеливание бумажной целлюлозы, обеззараживание питьевой воды и удаление неприятных запахов из продуктов.

Существует несколько механизмов. воздействия запусков ракетоносителей на озон:

- Разогрев воздуха в факеле ракетного двигателя и в образующейся при полете РН в стратосфере головной ударной волне. Учитывая небольшой потенциал диссоциации 03, можно ожидать существенного термического его разрушения.

- Влияние озоноактивных компонентов, содержащихся в струе продуктов сгорания жидких (прежде всего окись азота, а также озоноактивные компоненты — окись углерода, свободные радикалы и атомы) и твердых ракетных топлив (в продуктах сгорания содержится до 20 % хлора и его соединений и до 30 % аэрозоля окиси алюминия). Ракеты выбрасывают значительно меньшее количество этих компонентов по сравнению с известными наземными источниками загрязнений (выбросы промышленных предприятий), однако продукты сгорания ракетных топлив поступают непосредственно в стратосферу без трансформации и вымывания в тропосфере. Альтернативой замены ракетного двигателя мог бы стать ИРД. НО Виктор Моор ответила на своем форуме так: в атмосфере Земли ионные двигатели работать будут. Однако их тяга настолько мала, что перемещать что-то тяжелое на поверхности Земли или тем более вывести спутник на орбиту Земли они не смогут. То есть на данный момент наши технологи не позволяют дать очень большой толчок развитию ИРД.

В чем различие между РД И ИРД

Преимущества ионного двигателя

Ионы на выходе из двигателя разгоняются до очень высоких скоростей. В своем максимуме они могут достигать 210 км/с. Также дают 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.

Недостатки ионного двигателя

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 даст возможности стартовать с другой планеты, даже если у нее очень маленькая гравитация.

Преимущества Ракетного двигателя

Простота конструкции. Для создания простейшего реактивного двигателя достаточно камеры сгорания и сопла, алое количество подвижных деталей. Высокие удельный импульс и мощность. Удельный импульс характеризует насколько большое ускорение передается самолету или ракете рабочим телом, что позволяет развить хорошую скорость полета. КПД достигает 47-60%

Недостатки РД

Создается сильный шум при работе. При взлете реактивного самолёта создастся шум до 120 децибел.

Расходует большой объем топлива. Он невероятно прожорлив. Чтобы вывести на орбиту ракетную систему с исходным весом 3000 тонн, необходима установка пяти таких двигателей. Они придают рабочему телу скорость 3 км/с. При этом высвобождается 10 тонн отработанных газов в секунду. За 4 секунды в камерах без остатка сгорает одна цистерна ракетного топлива.

Ограниченный ресурс для космических полетов.

Большой вес и размер летательных аппаратов

Также очень вреден для озонового слоя.

Как можно улучшить эффективность ИРД

Первое что можно попробовать это увеличение эффективности. Рассмотрим тягу и удельный импульс ИД. Мы не будем рассматривать экономичность и КПД ИД, так как в этом нет необходимости: ИД уже достигли своего предела экономичности благодаря ксенону, который легко ионизируется, имеет достаточно высокий атомный номер, инертен и вызывает низкую эрозию, а КДЦ ИД ограничивается нагревом оборудования, в частности аккумуляторов, проводов и другого электрооборудования и трением ионов о корпус. Также, чтобы избежать расхождения пучка, столкновения и распыления, потенциал сеток в ИД ограничен примерно до 5 кВ (это значение обычно намного меньше). На практике это ограничивает достижимый удельный импульс до 10000 с, плотность тяги до 0,5 мН/см2 и плотность мощности до 20 Вт/см2 с ксеноном в качестве топлива. Подсчитав мы можем прийти к выводу что есть тяга прямо пропорциональна силе тока нейтрализации и ускоряющему напряжению, а значит увеличить тягу можно увеличив эти два параметра. Но это приведет к увеличению аккумуляторов питающих КА, что увеличит его массу, а значит такая прибавка к мощности не будет иметь смысла.

Далее можно попробовать, тягу можно увеличить, увеличивая плотность потока, его скорость и/или площадь поперечного сечения. Увеличить плотность потока не представляется возможным по причине низкой плотности газов в целом. Увеличение плотности потока особенно не подойдет сеточным электростатическим ионным двигателям из-за наличия в их конструкции сеток, через которые проходят ионы, так как для этого потребуется увеличивать отверстия в сетках для уменьшения эрозии материала и сохранения долговечности.

Вывод

Получается, что использование таких двигателей для дальних путешествий и запусков спутников 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 ускориться еще больше за счет ионного двигателя.

По сути, малая тяга на данный момент является главным недостатком таких двигателей. Практически невозможно увеличить эффективность ИД, полируя старые модели, необходимо применять новые технологии и даже концепты.

Литература

http://www.petrocollege.ru/CollegeAbout/news/6546/

https://studwood.net/1148231/ekologiya/vliyanie_raketno_kosmicheskoy_tehniki_ozonovyy_sloy

https://ru.wikipedia.org/wiki/Ионный_двигатель#:~:text=Ионный%20двигатель%20%20тип%20электрического,двигателей%20составляет%20более%20трёх%20лет

https://hi-news.ru/eto-interesno/kak-rabotaet-ionnyj-dvigatel-i-gde-on-primenyaetsya.html

https://habr.com/ru/post/409467/

https://pikabu.ru/story/ionnyiy_dvigatel__chto_yeto_takoe_4566370

https://masterok.livejournal.com/768787.html

https://dzen.ru/a/YwXHN-ZklR9hStOF

https://vk.com/@468420447-sposoby-uvelicheniya-proizvoditelnosti-ionnyh-dvigatelei

https://hi-news.ru/technology/kak-rabotayut-raketnye-dvigateli.html

Код для цитирования: Скопировать