| motor ionic | |
|---|---|
| Motorul ionic NSTAR al americanului AMC Deep Space 1 | |
| Tip de | motor rachetă electric |
| Combustibil | gaz inert ionizat |
| Utilizare | |
| Timp de funcționare | peste 3 ani [1] |
| Aplicație | controlul orientării și poziției pe orbită a sateliților de pământ artificial ; motorul principal de propulsie al stațiilor spațiale automate mici [1] |
Caracteristici de greutate și dimensiune |
|
| Caracteristici de operare | |
| împingere | 20–250 mN [1] |
| Consumul de energie | 1-7 kW |
| eficienţă | 0,6-0,8 (60-80%) |
| Rata de expirare | 20–50 km/s |
| Fișiere media la Wikimedia Commons | |
Un motor cu ioni este un tip de motor electric de rachetă , al cărui principiu de funcționare se bazează pe crearea de tracțiune a jetului pe baza de gaz ionizat accelerat la viteze mari într- un câmp electric [1] . Avantajul acestui tip de motoare este consumul redus de combustibil și durata mare de funcționare (perioada maximă de funcționare continuă a celor mai moderne mostre de motoare cu ioni este de peste trei ani) [1] . Dezavantajul motorului ionic este tracțiunea neglijabilă în comparație cu motoarele chimice [1] . Comparativ cu motoarele cu accelerație în stratul magnetic motorul ionic are un consum mare de putere la un nivel egal de tracțiune. Motoarele ionice folosesc tensiuni înalte, au un circuit și un design mai complex, ceea ce complică rezolvarea problemei asigurării unei fiabilități ridicate și a rezistenței electrice a motorului. [2]
Domeniul de aplicare: controlul orientării și poziției pe orbită a sateliților Pământeni artificiali (unii sateliți sunt echipați cu zeci de motoare ionice de putere redusă) și utilizarea unor stații spațiale automate mici ca motor principal de tracțiune [1] .
Propulsorul ionic deține în prezent recordul pentru accelerarea negravitațională a unei nave spațiale în spațiu - Deep Space 1 a reușit să mărească viteza unui dispozitiv cu o greutate de aproximativ 370 kg cu 4,3 km/s, după ce a consumat 74 kg de xenon [1] . Acest record a fost doborât de sonda spațială Dawn : pentru prima dată pe 5 iunie 2010 [3] , iar până în septembrie 2016, viteza era deja de 39.900 km/h [4] (11,1 km/s).
Propulsorul ionic este caracterizat de o tracțiune scăzută și un impuls specific ridicat. Resursa de muncă este estimată în intervalul 10 mii - 100 mii de ore. În prezent, se dezvoltă o nouă generație de motoare cu ioni, concepute pentru a consuma 450 de kilograme de xenon, ceea ce este suficient pentru 22.000 de ore de funcționare la postcombustie maximă. Motivele defecțiunii pot fi uzura opticii ionice, a diafragmei catodice și a suportului pentru plasmă, epuizarea materialului de lucru în fiecare inserție catodic și spalarea materialului în camera de descărcare. Conform testelor efectuate, cu un impuls specific mai mare de 2000 s, prima defecțiune structurală a opticii ionice va avea loc la utilizarea a 750 de kilograme de combustibil, ceea ce este de 1,7 ori mai mare decât cerințele de calificare. Cu un impuls specific mai mic de 2000 s, prototipul poate dubla consumul de combustibil [5] .
Principiul de funcționare al motorului este ionizarea gazului și accelerarea acestuia cu un câmp electrostatic . În același timp, datorită raportului mare încărcare-masă, devine posibilă accelerarea ionilor la viteze foarte mari (până la 210 km/s [6] , comparativ cu 3-4,5 km/s pentru motoarele cu rachete chimice ) . Astfel, un impuls specific foarte mare poate fi atins într-un propulsor ionic . Acest lucru face posibilă reducerea semnificativă a consumului de masă reactivă a gazului ionizat în comparație cu consumul de masă reactivă în rachetele chimice, dar necesită o cantitate mare de energie. Caracteristicile tehnice ale motorului cu ioni: consum de putere 1–7 kW , viteza de ieșire a ionilor 20–50 km/s, tracțiune 20–250 mN, eficiență 60–80%, timp de funcționare continuă mai mult de trei ani. Din 2022, sunt dezvoltate motoare cu o putere de zeci de kilowați și o viteză de evacuare de până la 70 km/s [7] . Implementările existente ale motorului ionic folosesc celule solare ca sursă de energie necesară pentru ionizarea combustibilului . [unu]
Fluidul de lucru, de regulă, este un gaz inert ionizat ( argon , xenon etc.), dar uneori mercur . Combustibilul este furnizat ionizatorului, care este neutru în sine, dar ionizează atunci când este bombardat cu electroni de înaltă energie. Astfel, în cameră se formează un amestec de ioni pozitivi și electroni negativi. Pentru a „filtra” electronii, un tub cu grile catodice este adus în cameră, care atrage electronii către sine. Ionii pozitivi sunt atrași de sistemul de extracție, care constă din două sau trei grile. O diferență mare de potențiale electrostatice este menținută între rețele (+1090 Volți în interior față de -225 Volți în exterior). Ca urmare a ionilor care cad între grile, aceștia sunt accelerați și aruncați în spațiu, accelerând nava, conform celei de-a treia legi a lui Newton . Electronii prinși în tubul catodic sunt ejectați din motor sub un unghi ușor față de duză și fluxul de ioni. Acest lucru se face, în primul rând, pentru ca corpul navei să rămână încărcat neutru, iar în al doilea rând, pentru ca ionii „neutralizați” în acest fel să nu fie atrași înapoi la navă [1] .
Dezavantajul motorului în implementările sale actuale este tracțiunea foarte slabă (aproximativ 50-100 milinewtoni). Astfel, nu este posibil să se utilizeze un motor ionic pentru a lansa de pe o planetă , dar, pe de altă parte, în condiții de potențial scăzut al câmpurilor gravitaționale, cu o funcționare suficient de lungă a motorului, este posibilă accelerarea navei spațiale până la viteze care sunt în prezent inaccesibile oricărui alt tip de motoare existente.
Propulsia ionică este primul tip de propulsie electrică a rachetei care a fost bine stabilită în practică . Conceptul de motor ionic a fost propus în 1917 de Robert Goddard [8] , iar în 1954 Ernst Stulinger a descris în detaliu această tehnologie, însoțind-o de calculele necesare [9] . În 1929, viitorul academician de cosmonautică Valentin Petrovici Glushko și-a susținut diploma la Universitatea din Leningrad pe tema „Helio-rachetă pentru zboruri interplanetare”. [10] La baza helio-rachetei a fost un motor electric cu reacție (ion) și o baterie solară uriașă cu un diametru de 20 m.
În 1955, Aleksey Ivanovich Morozov a scris și în 1957 a publicat în JETP un articol „On Plasma Acceleration by a Magnetic Field” [11] [12] . Acest lucru a dat un impuls cercetării și, deja în 1964, pe aparatul sovietic Zond-2 , primul astfel de dispozitiv lansat în spațiu a fost motorul de eroziune cu plasmă proiectat de A. M. Andrianov . A funcționat ca propulsor de orientare alimentat de panouri solare [13] .
Primul propulsor electrostatic ionic american funcțional (construit în SUA la Centrul de Cercetare John H. Glenn al NASA de la Lewis Field) a fost construit sub conducerea lui Harold Kaufman în 1959. În 1964, a avut loc prima demonstrație de succes a unui propulsor ionic în zbor suborbital ( SERT-1 ) [1] . Motorul a funcționat cu succes pentru cele 31 de minute planificate. În 1970, a fost trecut un test pentru a demonstra eficacitatea funcționării pe termen lung a propulsoarelor electrostatice cu ioni de mercur în spațiu (SERT II) [14] . Forța scăzută și eficiența scăzută i-au descurajat pentru o lungă perioadă de timp pe designerii americani să folosească motoare electrice și ionice.
Între timp, în Uniunea Sovietică , dezvoltarea a continuat și performanța s-a îmbunătățit. Diverse tipuri de propulsoare ionice au fost dezvoltate și utilizate pe diferite tipuri de nave spațiale. Motoarele SPD-25 cu o tracțiune de 25 milinewtoni, SPD-100 [15] și altele au fost instalate în serie pe sateliții sovietici din 1982 [16] .
Ca motor principal ( de propulsie ), motorul ionic a fost folosit pentru prima dată pe nava spațială Deep Space 1 (motorul a fost lansat pentru prima dată pe 10 noiembrie 1998 ). Următoarele vehicule au fost sonda lunară europeană Smart-1 (lansată la 28 septembrie 2003 [17] ) și sonda japoneză Hayabusa lansată pe asteroidul Itokawa în mai 2003 [1] .
Următoarea navă spațială NASA cu motoare cu ioni de susținere a fost (după o serie de înghețari și reluarea lucrărilor) AMS Dawn , care a fost lansată pe 27 septembrie 2007 . Dawn este conceput pentru a studia asteroidul Vesta și planeta pitică Ceres și poartă trei motoare NSTAR testate cu succes pe Deep Space 1 [1] .
Agenția Spațială Europeană a instalat un propulsor ionic la bordul satelitului GOCE , care a fost lansat pe 17 martie 2009 pe o orbită terestră ultra-joasă, la o altitudine de aproximativ 260 km. Motorul ionic creează un impuls într-un mod constant, care compensează frecarea atmosferică și alte efecte non-gravitaționale asupra satelitului [1] .
NASA a introdus proiectul Prometheus , pentru care a fost dezvoltat un motor puternic cu ioni, alimentat cu electricitate dintr-un reactor nuclear de la bord. S-a presupus că astfel de motoare în valoare de opt piese ar putea accelera dispozitivul la 90 km/s. Primul dispozitiv al acestui proiect - Jupiter Icy Moons Explorer - era planificat să fie trimis pe Jupiter în 2017, dar dezvoltarea acestui dispozitiv a fost suspendată în 2005 din cauza dificultăților tehnice; în 2005 programul a fost închis [21] . În prezent, este în curs de căutare un proiect AMC mai simplu pentru primul test în cadrul programului Prometheus [22] .
Jeffrey Landis a propus un proiect pentru o sondă interstelară cu un motor ionic alimentat de un laser de la o stație de bază, care oferă un anumit avantaj față de o velă pur spațială . În prezent, acest proiect nu este fezabil din cauza limitărilor tehnice - de exemplu, va necesita o forță de împingere de la propulsoarele ionice de 1570 N la actualul 20–250 mN [23] (conform altor surse, recordul de tracțiune pentru propulsoarele ionice moderneeste 5,4 N [24] ).
Propulsia ionică a apărut pentru prima dată în science fiction în 1910, în Airplane to the Sun: An Adventure of an Aviator and His Friends de Donald W. Horner [25] [26] .
Motorul ionic este reprezentat pe scară largă în literatura științifico-fantastică, jocurile pe calculator și cinematograful (de exemplu, în Star Wars , un motor ionic economic dezvoltă viteze de până la o treime din viteza luminii și este folosit pentru a se deplasa în spațiul obișnuit pe distanțe mici prin standarde spațiale - de exemplu, în cadrul sistemului planetar [27 ] ), dar au devenit disponibile pentru astronautica practică abia în a doua jumătate a secolului al XX-lea. Un motor ionic real în ceea ce privește caracteristicile sale tehnice (și, în primul rând, în ceea ce privește forța de tracțiune ) este semnificativ inferior prototipurilor sale literare (de exemplu, Edgard Chouairy compară la figurat un motor ionic cu o mașină care are nevoie de două zile pentru a accelera. de la 0 la 100 km/h) [1] .