| ion motor | |
|---|---|
| NSTAR ionmotoren fra den amerikanske AMC Deep Space 1 | |
| Type | elektrisk raketmotor |
| Brændstof | ioniseret inert gas |
| Brug | |
| Driftstid | over 3 år [1] |
| Ansøgning | kontrol af orientering og position i kredsløb for kunstige jordsatellitter ; hovedfremdrivningsmotor for små automatiske rumstationer [1] |
| Vægt- og størrelsesegenskaber |
|
| Driftsegenskaber | |
| fremstød | 20-250 mN [1] |
| Strømforbrug | 1-7 kW |
| effektivitet | 0,6-0,8 (60-80 %) |
| Udløbshastighed | 20–50 km/s |
| Mediefiler på Wikimedia Commons | |
En ionmotor er en type elektrisk raketmotor , hvis funktionsprincip er baseret på skabelsen af jet-tryk baseret på ioniseret gas accelereret til høje hastigheder i et elektrisk felt [1] . Fordelen ved denne type motorer er lavt brændstofforbrug og lang driftstid (den maksimale periode med kontinuerlig drift af de mest moderne prøver af ionmotorer er mere end tre år) [1] . Ulempen ved ionmotoren er ubetydelig fremdrift sammenlignet med kemiske motorer [1] . Sammenlignet med motorer med acceleration i det magnetiske lagionmotoren har et højt strømforbrug ved et lige trykniveau. Ionmotorer bruger høje spændinger, har et mere komplekst kredsløb og design, hvilket komplicerer løsningen af problemet med at sikre høj pålidelighed og elektrisk styrke af motoren. [2]
Anvendelsesområde: kontrol af orienteringen og positionen i kredsløb for kunstige jordsatellitter (nogle satellitter er udstyret med snesevis af laveffekt-ionmotorer) og brugen af små automatiske rumstationer som hovedtrækkraftmotor [1] .
Ion-thrusteren har i øjeblikket rekorden for ikke-gravitationsacceleration af et rumfartøj i rummet - Deep Space 1 var i stand til at øge hastigheden på en enhed, der vejede omkring 370 kg med 4,3 km/s, efter at have forbrugt 74 kg xenon [1] . Denne rekord blev slået af rumfartøjet Dawn : for første gang den 5. juni 2010 [3] , og i september 2016 var hastigheden allerede 39.900 km/t [4] (11,1 km/s).
Ion-thrusteren er kendetegnet ved lav thrust og høj specifik impuls. Arbejdsressourcen anslås i intervallet 10 tusind - 100 tusind timer. I øjeblikket udvikles en ny generation af ionmotorer, designet til at forbruge 450 kg xenon, hvilket er nok til 22.000 timers drift ved maksimal efterbrænder. Årsagerne til fejl kan være slid på ionoptikken, katodemembranen og plasmaholderen, udtømning af arbejdsmaterialet i hver katodeindsats og spallation af materialet i udledningskammeret. Ifølge de udførte tests, med en specifik impuls større end 2000 s, vil det første strukturelle svigt af ionoptik opstå ved brug af 750 kg brændstof, hvilket er 1,7 gange højere end kvalifikationskravene. Med en specifik impuls på mindre end 2000 s kan prototypen fordoble brændstofforbruget [5] .
Princippet for motorens drift er at ionisere gassen og accelerere den med et elektrostatisk felt . Samtidig bliver det på grund af det høje forhold mellem ladning og masse muligt at accelerere ioner til meget høje hastigheder (op til 210 km/s [6] sammenlignet med 3-4,5 km/s for kemiske raketmotorer ) . Der kan således opnås meget høj specifik impuls i en ion-thruster . Dette gør det muligt væsentligt at reducere forbruget af den reaktive masse af ioniseret gas i sammenligning med forbruget af den reaktive masse i kemiske raketter, men kræver en stor mængde energi. Tekniske egenskaber for ionmotoren: strømforbrug 1–7 kW , ionudstrømningshastighed 20–50 km/s, tryk 20–250 mN, effektivitet 60–80 %, kontinuerlig drifttid mere end tre år. Fra 2022 udvikles motorer med en effekt på ti kilowatt og en udstødningshastighed på op til 70 km/s [7] . Eksisterende implementeringer af ionmotoren bruger solceller som den energikilde, der er nødvendig for at ionisere brændstoffet . [en]
Arbejdsvæsken er som regel en ioniseret inert gas ( argon , xenon osv.), men nogle gange kviksølv . Brændstof tilføres ionisatoren, som er neutral i sig selv, men ioniserer , når den bombarderes med højenergielektroner . Der dannes således en blanding af positive ioner og negative elektroner i kammeret. For at "filtrere" elektronerne, bringes et rør med katodegitter ind i kammeret, som tiltrækker elektroner til sig selv. Positive ioner tiltrækkes af ekstraktionssystemet, som består af to eller tre gitre. En stor forskel i elektrostatiske potentialer opretholdes mellem gitrene (+1090 Volt på indersiden versus -225 Volt på ydersiden). Som et resultat af ioner, der falder mellem gitrene, accelereres de og kastes ud i rummet, hvilket accelererer skibet ifølge Newtons tredje lov . Elektronerne fanget i katoderøret udstødes fra motoren i en lille vinkel i forhold til dysen og ionstrømmen. Dette gøres dels for at skibets skrog forbliver neutralt ladet, dels for at de på denne måde "neutraliserede" ioner ikke trækkes tilbage til skibet [1] .
Ulempen ved motoren i dens nuværende implementeringer er meget svag fremdrift (ca. 50-100 millinewton). Det er således ikke muligt at bruge en ionmotor til at opsende fra en planet , men på den anden side, under forhold med lave potentialer af gravitationsfelter, med en tilstrækkelig lang drift af motoren, er det muligt at accelerere rumfartøjet til hastigheder, der i øjeblikket er utilgængelige for nogen anden af de eksisterende typer motorer.
Ionfremdriften er den første type elektrisk raketfremdrift , der er blevet veletableret i praksis . Konceptet med en ionmotor blev fremsat i 1917 af Robert Goddard [8] , og i 1954 beskrev Ernst Stulinger denne teknologi i detaljer og ledsagede den med de nødvendige beregninger [9] . I 1929 forsvarede den fremtidige akademiker for kosmonautik Valentin Petrovich Glushko sit diplom ved Leningrad Universitet om emnet "Helio-raket til interplanetariske flyvninger." [10] Grundlaget for helio-raketten var en elektrisk jet (ion) motor og et enormt solbatteri med en diameter på 20 m.
I 1955 skrev Aleksey Ivanovich Morozov og publicerede i 1957 i JETP en artikel "On Plasma Acceleration by a Magnetic Field" [11] [12] . Dette gav skub til forskningen, og allerede i 1964, på det sovjetiske Zond-2- apparat, var den første sådan enhed, der blev lanceret i rummet, plasmaerosionsmotoren designet af A. M. Andrianov . Den fungerede som en orienteringspropel drevet af solpaneler [13] .
Den første amerikanske fungerende ion-elektrostatiske thruster (bygget i USA ved NASAs John H. Glenn Research Center på Lewis Field) blev bygget under ledelse af Harold Kaufman i 1959. I 1964 fandt den første succesrige demonstration af en ion-thruster i suborbital flyvning ( SERT-1 ) [1] sted . Motoren kørte med succes i de planlagte 31 minutter. I 1970 blev en test bestået for at demonstrere effektiviteten af langtidsdrift af kviksølvion elektrostatiske thrustere i rummet (SERT II) [14] . Lavt tryk og lav effektivitet afskrækkede i lang tid amerikanske designere fra at bruge elektriske og ionmotorer.
I mellemtiden fortsatte udviklingen i Sovjetunionen , og ydeevnen blev forbedret. Forskellige typer ion-thrustere er blevet udviklet og brugt på forskellige typer rumfartøjer. SPD-25-motorer med et tryk på 25 millinewton, SPD-100 [15] , og andre er blevet serieinstalleret på sovjetiske satellitter siden 1982 [16] .
Som hovedmotoren ( fremdrift ) blev ionmotoren første gang brugt på Deep Space 1 rumfartøjet (motoren blev første gang opsendt den 10. november 1998 ). Den europæiske månesonde Smart-1 (lanceret den 28. september 2003 [17] ) og den japanske Hayabusa -sonde opsendt til Itokawa-asteroiden i maj 2003 [1] var de næste køretøjer .
Det næste NASA-rumfartøj med sustainer-ionmotorer var (efter en række frysninger og genoptagelse af arbejdet) AMS Dawn , som blev opsendt den 27. september 2007 . Dawn er designet til at studere asteroiden Vesta og dværgplaneten Ceres og bærer tre NSTAR-motorer testet med succes på Deep Space 1 [1] .
Den europæiske rumfartsorganisation har installeret en ion-thruster om bord på GOCE-satellitten , som blev opsendt den 17. marts 2009 i en ultralav kredsløb om jorden i en højde af omkring 260 km. Ionmotoren skaber en impuls i en konstant tilstand, som kompenserer for atmosfærisk friktion og andre ikke-gravitationelle effekter på satellitten [1] .
NASA introducerede Prometheus-projektet , hvortil en kraftig ionmotor blev udviklet, drevet af elektricitet fra en atomreaktor ombord. Det blev antaget, at sådanne motorer i mængden af otte stykker kunne accelerere enheden til 90 km / s. Den første enhed i dette projekt - Jupiter Icy Moons Explorer - var planlagt til at blive sendt til Jupiter i 2017, men udviklingen af denne enhed blev suspenderet i 2005 på grund af tekniske vanskeligheder; i 2005 blev programmet afsluttet [21] . I øjeblikket er en søgning i gang efter et enklere AMC-projekt til den første test under Prometheus-programmet [22] .
Jeffrey Landis foreslog et projekt for en interstellar sonde med en ionmotor drevet af en laser fra en basestation, hvilket giver en vis fordel i forhold til et rent rumsejl . I øjeblikket er dette projekt ikke gennemførligt på grund af tekniske begrænsninger - for eksempel vil det kræve en trykkraft fra ion-thrustere på 1570 N ved de nuværende 20-250 mN [23] (ifølge andre kilder, trykrekorden for moderne ion-thrustere er 5,4 N [24] ).
Ionfremdriften dukkede første gang op i science fiction i 1910, i Airplane to the Sun: An Adventure of an Aviator and His Friends af Donald W. Horner [25] [26] .
Ionmotoren er bredt repræsenteret i science fiction-litteratur, computerspil og biograf (for eksempel i Star Wars udvikler en økonomisk ionmotor hastigheder op til en tredjedel af lysets hastighed og bruges til at bevæge sig i almindeligt rum over små afstande ved at rumstandarder - for eksempel inden for planetsystemet [27 ] ), men blev først tilgængelige for praktisk astronautik i anden halvdel af det 20. århundrede. En rigtig ionmotor med hensyn til dens tekniske egenskaber (og først og fremmest med hensyn til trækkraft ) er væsentligt ringere end dens litterære prototyper (f.eks. sammenligner Edgard Chouairy billedligt en ionmotor med en bil, der har brug for to dage til at accelerere fra 0 til 100 km/t) [1] .
| Motorer | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| se også evighedsmaskine Gearmotor gummi motor | |||||||||||||||||