Pagrindinė kosmoso tyrinėjimo problema yra kraštutinumas mažas greitisžmonijos sukurtuose lėktuvuose. Šiuolaikiniai pokyčiai taip pat turi didžiulės išlaidos kuro. Taigi, jei pastatysite raketą ir paleisite ją, pavyzdžiui, į Marsą ir atgal, laivas bus tiesiog didžiulis. O didžiąją jo dalį užims kuras. Maždaug, norint nusileisti Marse, reikia daugiau nei milijardo tonų aukštos kokybės raketų kuro. Laimei, tokia moderni mokslininkų plėtra kaip jonų variklis artimiausiu metu galės išspręsti šią problemą. Teoriškai su jo pagalba galite įsibėgėti iki dviejų šimtų kilometrų per sekundę. Pagrindiniai privalumai – didžiulis greitis ir nedidelės degalų atsargos. Norint valdyti įrenginį, pvz., joninį variklį, reikia tik elektros ir inertinių dujų. Tačiau jis turi ir tam tikrų trūkumų, pavyzdžiui, silpnas pagreičio greitis. Tai verčia susimąstyti apie daugybę problemų, susijusių su variklio naudojimu esant gravitaciniams laukams.
Jonų variklis: veikimo principas
Dėl aukštos įtampos dujos jonizuojamos specialioje kameroje. Dėl to dujų jonai pradeda išmesti iš kameros ir sukuria trauką. Tačiau kadangi tai yra grandininė reakcija, o trauka didėja labai lėtai ir palaipsniui, prireiks maždaug šešių mėnesių, kol įsibėgės iki dviejų šimtų kilometrų per sekundę. Maždaug tiek pat laiko reikės skirti stabdymui. Kita vertus, objektyviai šie skaičiai yra labai maži, palyginti su šiuolaikiniais kosminiai varikliai, kurioms norint pasiekti panašios kokybės rezultatus reikėtų skirti dvidešimt kartų daugiau laiko. Be to, inertinės dujos užima šimtus kartų mažiau vietos nei raketų kuras. Vienintelė problema, kurią sunku išspręsti, yra elektros energijos prieinamumas. Tiesiog nėra pakankamai saulės kolektorių, kad galėtų valdyti tokius įrenginius kaip joniniai varikliai, todėl tikėtina, kad bus panaudotas branduolinis reaktorius.
Kitas trūkumas gali būti laikomas mažu manevringumu. Taip pat pagrindinė problema yra gravitacijos problema. Būdamas Žemės lauke, variklis tiesiog neveiks. Kita vertus, kosmose nėra tokio prietaiso kaip joninis variklis analogų.
Šiek tiek istorijos ir perspektyvos
Mokslinės fantastikos literatūroje tokie įrenginiai buvo rasti gana dažnai. Tačiau tik 1960 metais savo rankomis (tiksliau NASA mokslininkų rankomis) buvo sukurtas jonų variklis. Jis buvo vadinamas plataus spindulio elektrostatiniu įtaisu. Jau aštuntojo dešimtmečio pradžioje gyvsidabrio elektrostatiniai varikliai buvo išbandyti kosmose.
Aštuntojo dešimtmečio pabaigoje Sovietų Sąjungoje buvo naudojami Holo efekto generatoriai. Jonų variklis buvo naudojamas kaip pagrindinis Amerikos erdvėlaivio variklis 1998 m. Po jo sekė Europos zondas – japonas erdvėlaivis 2003 metais. Šiandien NASA kuria garsųjį projektą „Prometėjas“. Jai projektuojamas itin galingas joninis variklis, kurį varo branduolinis reaktorius.
Su judėjimo erdvėje problema žmonija susiduria nuo pat orbitinių skrydžių pradžios. Nuo žemės kylanti raketa sunaudoja beveik visą kurą, taip pat greitintuvų ir pakopų užtaisus. Ir jei kosmodrome raketą dar galima pakelti nuo žemės, pripylus ją didžiuliu kiekiu degalų, tai kosmodrome tiesiog nėra kur ir ko prisipilti. Tačiau patekus į orbitą reikia judėti toliau. Bet kuro nėra.
Ir tai yra pagrindinė šiuolaikinės astronautikos problema. Pagal šią teoriją vis dar galima išmesti laivą su pakankamai degalų, kad pasiektų Mėnulį, Mėnulyje planuojama sukurti degalų papildymo bazę, skirtą „tolimojo nuotolio“ erdvėlaiviams, skriejantiems, pavyzdžiui, į Marsą. Bet viskas per daug sudėtinga.
Ir problemos sprendimas buvo sukurtas seniai, 1955 m., Kai Aleksejus Ivanovičius Morozovas paskelbė straipsnį „Apie plazmos pagreitį magnetiniu lauku“. Jame jis apibūdino iš esmės naujo kosminio variklio koncepciją.
Jonų plazminio variklio konstrukcija
Veikimo principas plazminis variklis yra tai, kad darbinis skystis yra ne kuro deginimas, kaip reaktyviniuose varikliuose, o jonų srautas, magnetinio lauko pagreitintas iki beprotiško greičio.
Jonų šaltinis yra dujos, dažniausiai argonas arba vandenilis, pačioje variklio pradžioje yra dujų bakas, iš ten dujos tiekiamos į jonizacijos skyrių, gaunama šalta plazma, kuri šildoma kitame skyriuje. jonų ciklotrono rezonanso kaitinimas. Po kaitinimo didelės energijos plazma tiekiama į magnetinį antgalį, kur ji paverčiama srautu. magnetinis laukas, įsibėgėja ir įmetamas aplinką. Taip pasiekiama trauka.
Nuo tada plazminiai varikliai nuėjo ilgą kelią ir yra suskirstyti į keletą pagrindinių tipų, tai yra elektroterminiai varikliai, elektrostatiniai varikliai, didelės srovės arba magnetodinaminiai varikliai ir impulsiniai varikliai.
Savo ruožtu elektrostatiniai varikliai skirstomi į joninius ir plazminius (dalelių greitintuvus, naudojantys kvazineutralią plazmą).
Šiame straipsnyje rašysime apie šiuolaikinius jonų varikliai ir juos daug žadančių pokyčių, nes, mūsų nuomone, kosminio laivyno ateitis priklauso nuo jų.
Jonų variklis naudoja ksenoną arba gyvsidabrį kaip kurą. Pirmasis jonų variklis buvo vadinamas tinkliniu elektrostatiniu jonų varikliu.
Jo veikimo principas yra toks:
Jonizatorius tiekiamasksenonas, kuris pats savaime yra neutralus, bet tampa jonizuotas, kai yra bombarduojamas didelės energijos elektronais. Taigi kameroje susidaro teigiamų jonų ir neigiamų elektronų mišinys. Norint „filtruoti“ elektronus, į kamerą įvedamas vamzdelis su katodiniais tinkleliais, kurie pritraukia elektronus.
Teigiami jonai pritraukiami į ištraukimo sistemą, kurią sudaro 2 arba 3 tinkleliai. Tarp tinklelių palaikoma didelis skirtumas elektrostatiniai potencialai (+1090 voltų vidinėje, palyginti su - 225 išorėje). Dėl jonų patekimo tarp tinklelių jie pagreitėja ir išmetami į erdvę, pagreitindami laivą pagal trečiąjį Niutono dėsnį.
rusiški jonų varikliai. Ant visų jų aiškiai matomi katodiniai vamzdeliai, nukreipti į antgalį
Katodiniame vamzdyje įstrigę elektronai iš variklio išmetami nedideliu kampu purkštuko ir jonų srauto atžvilgiu. Tai daroma dėl dviejų priežasčių:
Pirma, kad laivo korpusas liktų neutraliai įkrautas, antra, kad tokiu būdu „neutralizuoti“ jonai nebūtų pritraukti atgal į laivą.
Kad jonų variklis veiktų, reikia tik dviejų dalykų – dujų ir elektros. Su pirmuoju viskas kaip tik gerai, 2007 metų rudenį startavusio amerikiečių tarpplanetinio erdvėlaivio „Dawn“ varikliui beveik 6 metus skristi prireiks vos 425 kilogramų ksenono. Palyginimui, norint sureguliuoti TKS orbitą naudojant įprastus raketų variklius, kasmet reikia 7,5 tonos degalų.
Vienas blogas dalykas yra tai, kad jonų varikliai turi labai mažą trauką, maždaug 50–100 militonų, o tai yra visiškai nepakankama judant Žemės atmosferoje. Tačiau erdvėje, kur pasipriešinimo praktiškai nėra, joninis variklis gali pasiekti didelius greičius ilgai įsibėgėjant. Bendras greičio padidėjimas per visą „Dawn“ misijos laiką bus apie 10 kilometrų per sekundę.
„Deep Space“ laivo jonų variklio bandymas
Neseniai amerikiečių kompanijos Ad Astra Rocket atlikti bandymai, atlikti vakuuminėje kameroje, parodė, kad jų naujoji kintamo specifinio impulso magnetoplazminė raketa VASIMR VX-200 gali sukurti net 5 niutonus.
Antra problema – elektra. Tas pats VX-200 sunaudoja 201 kW energijos. Tokiam varikliui saulės baterijų tiesiog neužtenka. Todėl būtina išrasti naujus būdus, kaip gauti energijos erdvėje. Čia yra du būdai – pakartotinai užpildomos baterijos, pavyzdžiui, tričio, išleidžiamos į orbitą kartu su laivu, arba autonominis branduolinis reaktorius, kuris maitins laivą viso skrydžio metu.
Dar 2006 m. Europos kosmoso agentūra ir Australijos nacionalinis universitetas sėkmingai išbandė naujos kartos kosminius jonų variklius ir pasiekė rekordinį našumą.
Varikliai, kuriuose įkrautos dalelės greitinamos elektriniame lauke, žinomi jau seniai. Jie naudojami orientacijai, orbitos korekcijai kai kuriuose palydovuose ir tarpplanetinėse transporto priemonėse bei daugelyje kosminių projektų (ir jau įgyvendintuose, ir tik planuojamuose – skaitykite ir) – netgi kaip žygiuojantys.
Specialistai su jais sieja tolesnį Saulės sistemos tyrinėjimą. Ir nors visų tipų vadinamieji elektriniai raketiniai varikliai yra daug prastesni už cheminius maksimalia trauka (gramai, palyginti su kilogramais ir tonomis), jie yra radikaliai pranašesni už juos efektyvumu (kuro sąnaudos vienam gramui traukos per sekundę). Ir šis efektyvumas (specifinis impulsas) yra tiesiogiai proporcingas išmestos srovės greičiui.
Taigi eksperimentiniame variklyje, pavadintame „Dual-Stage 4-Grid“ (DS4G), pagamintame pagal ESA sutartį Australijoje, šis greitis pasiekė rekordinį 210 kilometrų per sekundę greitį.
Pavyzdžiui, tai yra 60 kartų didesnis nei gerų cheminių variklių išmetamųjų dujų greitis ir 4–10 kartų didesnis nei ankstesnių joninių variklių.
Kaip aišku iš kūrimo pavadinimo, šis greitis buvo pasiektas dviejų pakopų jonų pagreitinimo procesu naudojant keturias nuoseklias gardeles (vietoj tradicinių vienos pakopos ir trijų gardelių), taip pat aukštos įtampos- 30 kilovoltų. Be to, išėjimo reaktyvaus pluošto skirtumas buvo tik 3 laipsniai, palyginti su maždaug 15 laipsnių ankstesnėse sistemose.
Štai pastarųjų dienų informacija.
Jonų variklis (ID) veikia paprastai: dujos iš bako (ksenonas, argonas ir kt.) jonizuojamos ir pagreitinamos elektrostatiniu lauku. Kadangi jono masė nedidelė ir jis gali gauti nemažą krūvį, jonai iš variklio išskrenda iki 210 km/s greičiu. Cheminiais varikliais galima pasiekti... ne, nieko panašaus, bet tik dvidešimt kartų mažesnį degimo produktų greitį tik išskirtiniais atvejais. Atitinkamai, dujų sąnaudos, palyginti su cheminio kuro sąnaudomis, yra labai mažos.
Štai kodėl tokie „ilgojo nuotolio“ zondai kaip Hayabusa, Deep Space One ir Dawn veikė ir visiškai arba iš dalies dirba su ID. O jei ketinate ne tik pagal inerciją skristi į tolimus dangaus kūnus, bet ir aktyviai manevruoti šalia jų, tuomet be tokių variklių neapsieisite.
2014 m. jonų varikliai švenčia savo pusės amžiaus sukaktį kosmose. Visą šį laiką erozijos problemos nepavyko išspręsti net iš pirmo žvilgsnio. (Čia ir žemiau iliustracijos. NASA, Wikimedia Commons.)
Kaip ir visi geri dalykai, ID mėgsta būti varomas: vienam niutonui traukos reikia iki 25 kW energijos. Įsivaizduokime, kad mums buvo pavesta paleisti 100 tonų sveriantį erdvėlaivį į Plutoną (atleisite mums, kad svajojome!). Idealiu atveju net Jupiteriui mums reikės 1000 niutonų traukos ir 10 mėnesių, o iki Neptūno su tokia pat trauka - pusantrų metų. Apskritai, nekalbėkime apie Plutoną, kitaip tai yra liūdna...
Na, o norint gauti šiuos vis dar spekuliacinius 1000 niutonų, mums reikia 25 megavatų. Iš esmės nieko techniškai neįmanomo – 100 tonų laive galėtų tilpti branduolinis reaktorius. Beje, NASA ir JAV Energetikos departamentas šiuo metu rengia projektą „Fission Surface Power“. Tiesa, kalbame apie bazes Mėnulyje ir Marse, o ne apie laivus. Tačiau reaktoriaus masė nėra tokia didelė - tik penkios tonos, o matmenys 3x3x7 m...
Na, gerai, pasvajokime ir užteks, sakote, ir iš karto prisimeni tą šlamštą, kurį tariamai sugalvojo Levas Tolstojus per Krymo karą. Galų gale, toks didelis jonų srautas, einantis per variklį (ir tai yra pagrindinė kliūtis), sukels jo eroziją ir daug greičiau nei po dešimties mėnesių ar pusantrų metų. Be to, tai ne konstrukcinės medžiagos pasirinkimo problema – laimei, tokiomis sąlygomis bus sunaikintas ir titanas, ir deimantas, – tai neatskiriama jonų variklio konstrukcijos dalis per se.
Parengta iš Gizmag. ir http://lab-37.com
Ar žinote, kas veikia Rusijoje?dirba prie branduolinio raketinio variklioarba, pavyzdžiui, apie
kas netrukus gali pasirodyti
Darbo tikslas: ištirti jonų variklio istoriją, apsvarstyti jo panaudojimo perspektyvas artimiausioje ateityje ir atlikti su jo naudojimu susijusius skaičiavimus.
Atliekant darbą buvo iškeltos šios užduotys:
rasti, studijuoti ir analizuoti literatūrą apie jonų variklius
sukurti trumpą įvadinį kursą apie joninių variklių kūrimo istoriją, pritaikymą ir veikimo principus
Išanalizavęs atliktų skrydžių į kosmosą rezultatus, atlikti mano skaičiavimus, kad gaučiau reikiamą informaciją apie mano modeliuojamą skrydį.
daryti išvadas
Buvo iškelta hipotezė: jonų variklis turi keletą pastebimų pranašumų prieš įprastus raketų variklius, todėl jo naudojimas yra perspektyvus.
Darbe buvo naudojami šie tyrimo metodai:
analizė
sintezė
modeliavimas
matavimas
Tyrimo objektas: Jonų variklis
Temos aktualumas:
Žmogus stengiasi pamatyti ir įsigilinti į dalykus, kurie nuo jo vis labiau nutolsta.erdvės vietos. Ir už sėkmingą žmonijos vystymąsi šioje pramonėje,būtina nuolat tobulinti erdvėlaivių naudojimąnaujos technologijos, leidžiančios optimizuoti degalų sąnaudas, didintitalpa ir kt. Jonų variklis yra gana naudingas dėl tomažos degalų sąnaudos, o tai reiškia, kad ateityje jis gali būti pakeistasįprastiniais varikliais ir padėti žmogui tolesniuose kosmoso tyrinėjimuose.
Hipotezė: Jonų varomoji jėga turi keletą reikšmingų pranašumųįprastų raketų variklių, naudojančių jįdaug žadantis.
Apibrėžimas
Jonų variklis – elektrinio raketinio variklio tipas, principasdarbas, kuris grindžiamas reaktyvinės traukos sukūrimu remiantisjonizuotos dujos paspartėjo iki dideliu greičiu elektrinėjelauke.
Veikimo principas
Variklio veikimo principas yra dujų jonizacija ir pagreitiselektrostatinis laukas. Be to, dėl didelio įkrovimo koeficientoiki masės, tampa įmanoma pagreitinti jonus iki labai didelių greičių. Taigi joniniame variklyje galima pasiekti labai didelį specifinį impulsą, kuris leidžia žymiai sumažinti jonizuotų dujų reaktyviosios masės suvartojimą, tačiau tam reikia daug energijos.Ksenonas tiekiamas į jonizatorių, kuris pats savaime yra neutralus, bet kadabombarduojamas didelės energijos elektronų jonizuojasi. TaigiTaigi kameroje susidaro teigiamų ir neigiamų jonų mišinyselektronų. Norint „filtruoti“ elektronus, į kamerą įkišamas vamzdelissu katodiniais tinkleliais, kurie pritraukia elektronus.Teigiami jonai pritraukiami į ekstrahavimo sistemą, susidedančią iš2 arba 3 tinkleliai. Tarp tinklelių išlaikomi dideli skirtumaielektrostatiniai potencialai (+1090 voltų vidinėje, palyginti su – 225 įjungtaišorinis). Dėl jonų patekimo tarp tinklelių jie greitėja irpagal trečiąjį dėsnį išmetami į kosmosą, pagreitindami laivąNiutonas.Elektronai, įstrigę katodo vamzdyje, išmetami iš varikliomažas kampas į purkštuką ir jonų srautas. Tai daroma taip, kad jonaiTaigi „neutralizuoti“ nebuvo pritraukti atgal į laivą.
Istorija
Jonų variklio principas buvo žinomas gana ilgą laiką ir plačiai naudojamas mokslinės fantastikos literatūroje, Kompiuteriniai žaidimai ir kinas, bet astronautikai tapo prieinamas visai neseniai. 1960 metais buvo pastatytas pirmasis veikiantis plačiajuostis jonų elektrostatinis variklis (sukurtas JAV NASA Lewis tyrimų centre). 1964 m. buvo atliktas pirmasis sėkmingas suborbitinis jonų varymo demonstravimas (SERT I), išbandytas, ar įmanoma neutralizuoti jonų pluoštą erdvėje. 1970 metais – testas už ilgas darbas Gyvsidabrio jonų elektrostatiniai varikliai kosmose (SERT II). Nuo aštuntojo dešimtmečio Holo efekto jonų varikliai buvo naudojami SSRS kaip navigacijos varikliai (SPT-60 varikliai buvo naudojami aštuntajame dešimtmetyje Meteoruose, SPT-70 - Cosmos ir Luch palydovuose devintajame dešimtmetyje, SPT-100 - daugelyje palydovai 1990-aisiais). Jonų variklis pirmą kartą buvo panaudotas kaip pagrindinis (varomasis) variklis erdvėlaivyje Deep Space 1 (pirmasis variklio paleidimas 1998 m. lapkričio 10 d.). Kiti automobiliai buvo Europos Mėnulio zondas Smart-1, paleistas 2003 m. rugsėjo 28 d., ir Japonijos erdvėlaivis Hayabusa, paleistas į asteroidą 2003 m. gegužę. Kita NASA transporto priemonė su palaikančių jonų varikliais buvo (po kelių užšalimų ir atnaujinimo). darbo) erdvėlaivis „Dawn“, paleistas 2007 m. rugsėjo 27 d. Dawn sukurtas tyrinėti Vesta ir Cererą ir turi tris NSTAR variklius, sėkmingai išbandytus Deep Space 1. Europos kosmoso agentūra įrengė jonų variklį GOCE palydove, paleistame 2009 m. kovo 17 d. į itin žemą Žemės orbitą. aukštis tik apie 260 km. Jonų variklis sukuria nuolatinį impulsą, kuris kompensuoja atmosferos trintį ir kitą negravitacinį poveikį palydovui.
Būsimos kosminės programos
Artimiausiu metu ESA (Europos kosmoso agentūra) kartu su JAXA (Japonijos kosmoso agentūra) ir Roscosmos planuoja panaudoti jonų variklį BepiColombo Mercury misijoje (2018 m. balandžio mėn.). Dvi orbitinės stotys keliaus į planetą vienu transporto moduliu – Merkurijaus perdavimo moduliu (MTM). „BepiColombo“ naudos jonų variklius, išbandytus „Smart-1“ modulyje.
NASA vadovauja projektui „Prometheus“, kuriam kuriamas galingas jonų variklis, varomas elektra iš laive esančio branduolinio reaktoriaus. Spėjama, kad aštuoni iš šių variklių galės pagreitinti įrenginį iki 90 km/s. Pirmąjį šio projekto įrenginį „Jupiter Icy Moons Explorer“ į Jupiterį planuota išsiųsti 2017 metais, tačiau 2005 metais šio įrenginio kūrimas buvo sustabdytas dėl techninių sunkumų. Šiuo metu ieškome daugiau paprastas projektas AMS pirmajam Prometheus programos bandymui.
Krovinio pristatymo galimybė
Dėl nedidelio pagreičio tikslingiau naudoti įrenginius su jonų varikliu tarpplanetiniams (ar kitiems, dideli atstumai) skrydžiai (kuriems jis jau buvo naudojamas ne vieną kartą).
O jei palyginsite įprastų ir joninių variklių charakteristikas tam tikru metu, antrojo naudojimo nauda bus aiškiai matoma. Dėl mažiau degalų, naudingo svorio, sumažės piniginės išlaidos kurui, o pats įrenginys greičiau pasieks tikslą, išvystydamas žymiai didesnį greitį nei įrenginiai su kitų tipų varikliais.
Atlikau skaičiavimus, kad išsiaiškinčiau, kiek laiko užtruks aparatas su mano nurodyta mase ir kitomis masėmis. techninės charakteristikos galės patekti į Marsą, kaip pagrindinį naudodamas joninį variklį. Kaip pagrindą paėmiau jau skambinusio Dawn įrenginio duomenis ir kai kuriuos jo skrydžio duomenis.
Skaičiavimuose kaip variklį naudojau Dawn aparato ksenono jonų variklį, sukurtą remiantis pavyzdžiu, išbandytu Deep Space 1 zonde, kurio trauka yra 30 mN ir savitasis impulsas 3100 s.
Naudodamas apytikslį skrydžio modelį ir manevrus, tai apskaičiavau Bendras ilgis trajektorija yra ~1 milijardas km.
Naudodamasis skrydžio duomenimis sužinojau, kad skrydžiui iš Žemės į Vestą vienas variklis sunaudojo ~275 kg ksenono, tada, koreliuodamas skrydžio trajektorijų į Marsą ir Vestą ilgį, suskaičiavau, kad ksenono būtų tik 100 kg; reikalingas vienam varikliui.
Siūlomame automobilyje nusprendžiau sumontuoti 3 variklius su šiomis charakteristikomis, ko pasekoje kuro masė su nedidele atsarga turėtų būti ~325 kgŠio įrenginio paskirtį pasirinkau gabenti krovinius iš Žemės į Marsą vienu būdu. Tokiomis sąlygomis sunkvežimio svorį sudarys: 325 kg degalų, 250 kg programinės įrangos ir tam tikros vežamo krovinio masės. Pavyzdžiui, aš paėmiau 600 kg, 1 t ir 5 t.Naudodamas tolygiai pagreitinto judėjimo formules, radau, kad prietaisas tikslą pasieks tik po 3,5 metų, 4,5 metų ir apie 10 metų galutiniu 17, 13 ir 6 km/s greičiu, kurį priartėjus reikės sumažinti. Marsas. Galų gale gavau gana silpną nepalankų rezultatą, bet 3 varikliams su tokia maža trauka šis rezultatas nėra blogas. Ateityje remsiuos galingesnių, modernesnių ir pažangesnių jonų variklių duomenis arba sukursiu ir skaičiuosiu savo modelio charakteristikas.
– Linijinių dalelių greitintuvų veikimas reikalauja daug energijos. Vienintelė šiandien prieinama technologija, leidžianti gauti reikalinga suma energijos per reikiamą laiką yra branduolinis reaktorius laive. Tačiau šiuo atveju prietaisas nustoja būti visiškai saugus.Jonų variklis įsibėgėja lėtai, todėl juo negalima iškelti erdvėlaivio į Žemės orbitą. Tai tinka tik laivui, jau esančiam erdvėje.
Apibendrinant
Manau, kad šiuo metu joninis variklis yra vienas iš tikrai perspektyviausių judėjimo erdvėje prietaisų, turintis nemažai pranašumų prieš kitų tipų variklius.
Mokslininkai jau įrengia palydovus ir mažas kosmines stotis, tyrinėjančias kitas planetas, jonų variklius, kad stabilizuotų transporto priemones erdvėje ir kaip pagrindinį variklį.
Dėl specifinių pranašumų, galbūt ateityje, būtent jonų variklis judės didžiulius tarpplanetinius ir tarpgalaktinius žvaigždėlaivius, kuriuose plauks daug žmonių.
Išvada
Projekte iškelti tikslai ir uždaviniai pasiekti. Išstudijavau, kaip veikia jonų varomoji jėga, apsvarsčiau jo naudojimo privalumus ir trūkumus ir sužinojau apie pagrindines kosmines programas, susijusias su tokio tipo varikliu. Ateityje darbą galima tobulinti atliekant tikslesnius skaičiavimus kitose galimose joninio variklio panaudojimo srityse, remiantis kitais oficialiais duomenimis, taip pat surenkant darbinį joninio variklio modelį.
NASA baigė jonizuotomis dujomis veikiančios varomosios sistemos bandymus, kurie buvo pradėti 2005 m. birželio mėn. Dabar jame gali būti įrengti erdvėlaiviai, pagreitinantys juos iki anksčiau neregėto greičio.
Bandomas naujos kartos ksenoninis variklis. (Nuotrauka NASA.)
Joniniai varikliai, dažnai pateikiami mokslinėje fantastikoje, praktiškai buvo naudojami aštuntajame dešimtmetyje. Trauka juose susidaro dėl jonizuotų dujų pagreičio elektrostatiniame lauke.
Tokių nuotolinio valdymo sistemų pranašumas, lyginant su tradiciniais cheminiais sprendimais, yra didelis jų efektyvumas, būtent galimybė su mažomis degalų sąnaudomis pagreitinti įrenginį iki dešimčių kilometrų per sekundę. Tiesa, taip jau nutinka kosmose, kai joninis variklis veikia ilgai: jo užvedimo trauka nedidelė. Todėl ši schema visai neseniai pradėta naudoti kaip pagrindinė erdvėlaivį varanti sistema.
Jonų varymo pradininkas buvo amerikiečių erdvėlaivis Deep Space 1, paleistas 1998 m. Po jo sekė Europos ir Japonijos zondai ir paskutinis didelis projektasŠiandien tapo automatine tarpplanetine stotimi Dawn, kurią NASA siuntė tirti asteroidą Vesta ir nykštukinę Cereros planetą.
„Dawn“ jonų variklis tapo NASA „Evolutionary Xenon Thruster“ (NEXT) ksenono sistemos sukūrimo modeliu. Kūrėjai iš Glenn tyrimų centro ir „Aerojet“ modeliavo įvairias misijas, kuriose buvo galima naudoti tokią varomąją sistemą.
Nuo 2005 metų NEXT dirbo 35,5 tūkst. valandų, tai yra 5 tūkstančiais daugiau nei ankstesnis rekordas. Eksperimentams reikėjo 600 kg ksenono. Remdamiesi bandomaisiais modeliais, inžinieriai suprojektavo kelių joninių variklių varomąją sistemą, kurios tarnavimo laikas viršys 6 metus, o dabar NASA gali tik pasirinkti, kurios misijos bus patogiau valdyti plėtrą. Galbūt čia pravers JAV nacionalinės mokslų akademijos artimiausiam dešimtmečiui pasiūlyta kosmoso programa?
Šaltinis: Computerra-Online
Jonų variklis
Jonų variklis yra elektrinio raketinio variklio tipas. Jo darbinis skystis yra jonizuotos dujos (argonas, ksenonas, cezis...).
Veikimo principas
Variklio veikimo principas yra dujų jonizavimas ir jų pagreitis elektrostatiniu lauku. Tuo pačiu metu dėl didelio krūvio ir masės santykio atsiranda galimybė jonus pagreitinti iki labai didelio greičio (iki 210 km/s lyginant su 3-4,5 km/s cheminių raketų varikliams). Taigi joniniame variklyje galima pasiekti labai didelį specifinį impulsą. Tai leidžia žymiai sumažinti jonizuotų dujų reaktyviosios masės suvartojimą, palyginti su reaktyviosios masės suvartojimu cheminėse raketose, tačiau tam reikia daug energijos. Variklio trūkumas šiuo metu yra labai silpna trauka (maždaug dešimtųjų niutono). Taigi joniniam varikliui paleisti iš planetos neįmanoma, tačiau, kita vertus, kosmose, varikliui veikiant pakankamai ilgai, galima pagreitinti erdvėlaivį iki greičių, kurie šiuo metu yra neprieinamas niekam kitam esamų rūšių variklius.
Esami diegimai naudoja saulės baterijas, kad palaikytų variklio darbą. Tačiau šis metodas yra nepriimtinas dirbant gilioje erdvėje. Todėl branduoliniai įrenginiai jau kartais naudojami šiems tikslams.
Joninio variklio principas buvo žinomas gana seniai ir plačiai atstovaujamas mokslinės fantastikos literatūroje, kompiuteriniuose žaidimuose ir kine, tačiau astronautikai jis tapo prieinamas visai neseniai.
1960 metais buvo pastatytas pirmasis veikiantis plačiajuostis jonų elektrostatinis variklis (sukurtas JAV NASA Lewis tyrimų centre). 1964 m. pirmasis sėkmingas suborbitinis jonų varymo demonstravimas (SERT I) išbandė galimybę neutralizuoti jonų pluoštą erdvėje.
1970 m. atliktas gyvsidabrio jonų elektrostatinių sraigtų ilgalaikio veikimo bandymas erdvėje (SERT II). Nuo aštuntojo dešimtmečio Holo efekto jonų varikliai buvo naudojami SSRS kaip navigacijos varikliai (SPT-60 varikliai buvo naudojami aštuntajame dešimtmetyje Meteoruose, SPT-70 - Cosmos ir Luch palydovuose devintajame dešimtmetyje, SPT-100 - daugelyje palydovai 1990-aisiais).
Jonų variklis pirmą kartą buvo panaudotas kaip pagrindinis (varomasis) variklis erdvėlaivyje Deep Space 1 (pirmasis variklio paleidimas 1998 m. lapkričio 10 d.). Kiti įrenginiai buvo Europos Mėnulio zondas Smart-1, paleistas 2003 metų rugsėjo 28 dieną, ir Japonijos zondas Hayabusa, paleistas į asteroidą 2003 metų gegužę.
Kitas NASA erdvėlaivis su sustainer jonų varikliais buvo (po kelių užšalimų ir darbo atnaujinimo) erdvėlaivis Dawn, kuris buvo paleistas 2007 m. rugsėjo 27 d. Dawn sukurtas tyrinėti Vesta ir Ceres ir turi tris NSTAR variklius, sėkmingai išbandytus Deep Space 1.
Europos kosmoso agentūra GOCE palydove, paleistame 2009 m. kovo 17 d. į itin žemą Žemės orbitą, tik apie 260 km aukštyje, įrengė jonų variklį. Jonų variklis sukuria nuolatinį impulsą, kuris kompensuoja atmosferos trintį ir kitą negravitacinį poveikį palydovui.
Perspektyvos
ESA planuoja naudoti jonų variklį Mercury BepiColombo misijoje. Jis bus pagrįstas varikliu, paremtu „Smart-1“, tačiau bus galingesnis (paleidimas numatytas 2011–2012 m.).
NASA vadovauja projektui „Prometheus“, kuriam kuriamas galingas jonų variklis, varomas elektra iš laive esančio branduolinio reaktoriaus. Spėjama, kad aštuoni iš šių variklių galės pagreitinti įrenginį iki 90 km/s. Pirmąjį šio projekto įrenginį „Jupiter Icy Moons Explorer“ į Jupiterį planuota išsiųsti 2017 metais, tačiau 2005 metais šio įrenginio kūrimas buvo sustabdytas dėl techninių sunkumų. Šiuo metu ieškoma paprastesnio AMS dizaino pirmajam „Prometheus“ programos bandymui.
Straipsnis „Computerra“.
Dėl branduolinių reaktorių naudojimo jonų varikliams (Membrane.ru)
BepiColombo ESA svetainėje
Projektas „Prometėjas“ NASA svetainėje
Jonais varomas erdvėlaivis Dawn buvo paleistas 2007 metų rugsėjo 25 d.
Fotonų ir jonų varikliai
Nuo fantastikos iki realybės
FOTONŲ VARIKLIS - reaktyvinis variklis, kurio trauka susidaro dėl elektromagnetinės spinduliuotės kvantų arba fotonų nutekėjimo. Pagrindinis tokio variklio privalumas yra maksimalus įmanomas išmetimo greitis reliatyvistinės mechanikos rėmuose, lygus greičiuišviesa vakuume. Raketinei transporto priemonei tai yra vienintelis plačiai žinomas būdas pasiekti bet kokią reikšmingą šviesos greičio dalį esant pagrįstoms Ciolkovskio skaičiaus vertėms, kurios apibūdina pakrautos ir tuščios raketos masių santykį. Tačiau reikia pažymėti, kad šiuo atveju kalbame apie kelių dešimčių – šimtų eilės skaičių Z, o daugiapakopėms raketoms techniškai įgyvendintos 10 eilės reikšmės. Pagrindinis fotonų variklio trūkumas yra mažas energijos konversijos grandinės efektyvumas nuo pirminio šaltinio iki fotonų srovės. Anihiliacijos reakcijos panaudojimas tiesioginiam optinių ir gama kvantų gamybai nesumažina problemos rimtumo, nes būtina atsižvelgti į antimedžiagos saugojimo nuostolius (jau nekalbant apie jos gamybą) ir fokusavimo sunkumus. atsiradusią spinduliuotę. Be to, termobranduolinės plazmos kaip fotonų šaltinio naudojimas (įskaitant lazerio spinduliuotę) ir ilgesnio bangos ilgio diapazono elektromagnetinių kvantų („radijo variklis“) naudojimas buvo laikomas realesniu. Pirmuoju atveju kyla problemų dėl plazmos generavimo ir išlaikymo stabilioje būsenoje būtinus parametrus. „Radijo variklis“ labai supaprastina „reaktyvinės srovės“ fokusavimo užduotį, tačiau smarkiai sumažina varomosios sistemos efektyvumą.
Fotonų pavara: kosmoso proveržis
Dulkių emisijos, veikiamos šviesos spinduliuotės, poveikis leis sukurti įdomų ir perspektyvų kosmoso varymo būdą skrydžiams į kitas Saulės sistemos planetas. Veikiant šviesai ir karščiui, dulkių dalelės nepaiso gravitacijos ir kyla į viršų. Šis efektas, suvaidinęs svarbų vaidmenį formuojantis planetoms ir asteroidams, taip pat gali būti praktiškai pritaikytas dulkių šalinimo įrenginiuose, taip pat Marso zondų varikliuose ir kuriant naujo tipo kosmines bures.
Kai dulkių sluoksnis yra veikiamas raudonos lazerio spinduliuotės, stebima trykštanti dalelių emisija, primenanti mažyčio ugnikalnio išsiveržimą. Išsamiai ištyrę šį reiškinį, mokslininkai Gerhardas Wurmas ir Oliveris Kraussas iš Miunsterio universiteto padarė išvadą, kad jo atsiradimas yra susijęs su fotoforeze ir „šiltnamio efektu“ kietoje būsenoje, praneša „PhysOrg“.
Fotoforezė – arba dalelių judėjimas veikiant šviesai – pagrįsta seniai žinomu efektu, vadinamu termoforeze, tai yra, dalelių judėjimu veikiant šilumai. Aplinkoje su temperatūros gradientais dalelės judės iš karštesnių į vėsesnius regionus. Kai šilumos šaltinis yra sugertos šviesos energija, šis procesas vadinamas fotoforeze.
Fotonų variklis – tai variklis, kurio trauka susidaro dėl e/magnetinės spinduliuotės kvantų arba fotonų nutekėjimo. Grafito miltelių dalelių išmetimas (įdėtyje yra stiklinių anglies dalelių „išsiveržimas“).
Fotonų pavara – ar tai realybė?
Be paviršiaus temperatūros gradiento, kietojo kūno „šiltnamio efektas“ taip pat turi įtakos dulkių išsiveržimams. Šiltnamio efektas atsiranda todėl, kad lazerio spindulys stipriausiai įkaitina dulkių daleles, esančias šiek tiek giliau nei paviršiniai sluoksniai (bent 100 mikronų gylyje, tai yra keliasdešimt dalelių sluoksnių).
Mokslininkai apskaičiavo, kad norint išleisti vieną 1 mikrono dydžio sferinę dalelę, reikia maždaug 10–7 N jėgos gali būti padidintas iki 10 cm, tačiau tai nėra riba, tikriausiai, priklauso nuo dalelių pasiskirstymo ir dydžio, jų tarpusavio sukibimo stiprumo ir lazerio spindulio galios.
Esant 50 mW galiai, spinduliuotė prasiskverbia į dulkių sluoksnį iki kelių milimetrų gylio. Temperatūra linkusi mažėti didėjant gyliui, tačiau iš tikrųjų maksimumą ji pasiekia ne paviršiuje, o 100 µm gylyje. Taip šalia paviršiaus susidaro atvirkštinis temperatūros gradientas, dėl kurio išsiveržia dulkių dalelės. Eksperimentų metu taip pat buvo išsiaiškinta, kad per kelias dešimtis sekundžių po lazerio išjungimo maksimalaus temperatūros gradiento taškas susimaišys giliau dėl greito paviršiaus aušinimo, o tai dar labiau padidina fotoforezės stiprumą.
Fotoforezę geriausia stebėti esant žemam slėgiui. Eksperimentai buvo atlikti esant 10 milibarų slėgiui, kuris yra maždaug 0,01 normalaus Žemės atmosferos slėgio, todėl fotoforezės poveikis Žemės dulkėms yra nereikšmingas. Tačiau ankstyvosiose planetų ir žvaigždžių formavimosi stadijose žemo slėgio fotoforezė greičiausiai suvaidino svarbų vaidmenį formuojantis dujų ir dulkių diskams, o tai savo ruožtu lėmė asteroidų ir kitų kosminių objektų susidarymą Kuiperio juostoje.
Mokslininkai mano, kad ateityje fotoforezė gali būti praktiškai pritaikyta išretėjusioje Marso atmosferoje. Pavyzdžiui, ši technologija gali būti naudojama automatinėse tyrimų stotyse, siekiant pašalinti dulkes nuo saulės elementų blokų ir optinių instrumentų lęšių. Be to, mokslininkai planuoja sukurti saulės burę, kuri panaudotų fotoforezės galią, o ne radiacijos slėgį. Tokia burė, primenanti žvejybos tinklą ir veikianti neigiamos fotoforezės pagrindu, anot fizikų, gali varyti nedidelius zondus. 10x10 m burė tik dėl „pasyviosios“ Saulės spinduliuotės gali nešti keliasdešimt kilogramų sveriantį naudingąjį krovinį.
Jonų variklis: kosmoso proveržis
ION ENGINE - šeštadienį, 2003-09-30, Europos kosmoso agentūros tyrimų stotis SMART 1 buvo sėkmingai paleista į kosmosą iš Kourou kosmodromo raketa Ariane 5. Palydovas buvo sukurtas ESA (Europos kosmoso agentūros) užsakymu , Europos kosmoso agentūra), Švedijos kosmoso korporacija, dalyvaujant beveik 30 subrangovų iš 11 Europos šalys ir JAV. Bendra projekto vertė siekė 110 milijonų eurų.
SMART 1 yra pirmasis ESA robotas Mėnulio tyrinėjimui skirtas zondas. Kartu tai yra unikali naujo tipo tyrimų stotis, pirmoji naujoje ESA programoje, pavadintoje „Mažosios misijos pažangiems technologijų tyrimams“. Programos metu planuojama išbandyti daugybę naujų technologijų, pavyzdžiui, Ka-band ryšius ir lazerinius ryšius, autonominę navigaciją ir daug daugiau.
Kai pakanka dideli kiekiaiįranga, SMART 1 yra lengvas (370 kg, įskaitant mokslinę įrangą - 19 kg) ir kompaktiškas. Su sulankstyta saulės elementai tai vieno metro stačiakampis. SMART 1 kaina yra maždaug penkis kartus mažesnė nei įprastos ESA tarpplanetinės stoties. Tačiau labiausiai Pagrindinis bruožas Naujasis erdvėlaivis yra tai, kad pirmą kartą astronautikos istorijoje joninis variklis bus naudojamas kaip pagrindinis. ESA planuoja įtraukti dar dvi transporto priemones su jonų varomąja sistema. Tai yra „BepiColombo“, skirta „Mercury“ studijoms, ir „Solar Orbiter“, skirta tirti saulę.
SMART 1 sumontuotas jonų variklis sunaudoja 1350 vatų saulės baterijų generuojamos elektros energijos ir išvysto 0,07 niutono trauką, o tai maždaug prilygsta atviruko svoriui. Darbinė medžiaga yra ksenonas (kuro rezervas 82 kg). Tuo pačiu metu stočiai prireikė 16 mėnesių, kad įskristų į elipsinę poliarinę orbitą aplink Mėnulį. SMART 1 paleidimas į numatytą orbitą buvo sudėtingas kelių etapų procesas, susidedantis iš etapų.
Griežtai kalbant, jonų varikliai jau buvo sumontuoti erdvėlaiviuose – pastaraisiais metais ypač NASA tyrimų stotyje „Deep Space 1“ (DS 1) ir ESA eksperimentiniame geostacionarių ryšių palydove „Artemis“. Pastaruoju atveju dėl laive esančių jonų variklių buvo galima išgelbėti palydovą, kuris atrodė visiškai prarastas, už milijonus dolerių.
Nenormalus nešančiosios raketos Ariane 5, iškėlusios į orbitą Artemis palydovą, viršutinės pakopos veikimas lėmė tai, kad Artemis orbita buvo gerokai žemesnė nei apskaičiuotoji. Dėl to paprastai prarandamas palydovas. Jei jis kelia grėsmę kitiems erdvėlaiviams, jis yra nuskandinamas (sunkusis erdvėlaivis) arba „sudeginamas“ atmosferoje. Tačiau Artemidė išvengė šio liūdno likimo.
Dėl skubių priemonių ir sunaudojus beveik visą laive esantį cheminį kurą, palydovą pavyko perkelti į žiedinę orbitą 31 tūkst. km aukštyje. Bet po to reikėjo Artemidę perkelti į skaičiuojamąją geostacionariąją (aukštis apie 36 tūkst. km). Tada buvo nuspręsta naudoti keturis joninius variklius, sumontuotus laive poromis. Iš pradžių jie buvo skirti palydovo orientacijai (pakrypimui) valdyti. Kad būtų atliktas perėjimas, variklių traukos vektorius buvo nukreiptas statmenai orbitos plokštumai. Bet norint išsaugoti įrenginį, reikėjo duoti jam impulsą orbitinėje plokštumoje ir taip perkelti į aukštesnę geostacionarią orbitą. Artemidę reikėjo pasukti 90 laipsnių kampu nuo įprastos orientacijos.
Sudėtingiausia gelbėjimo operacija reikalavo tobulėjimo „skraidydamas“ nauja strategija veiksmai, nauji palydovinio valdymo režimai ir borto įrangos veikimas. Reikėjo modifikuoti 20% visos laive esančios programinės įrangos. Ir vis dėlto operacija buvo labai sėkminga. Jo sudėtingumą liudija tai, kad tik perprogramuoti borto sistema valdymas, reikalingas norint iš Žemės atsisiųsti modifikuotus programinės įrangos blokus, kurių bendra apimtis yra 15 tūkstančių žodžių. Tai buvo didžiausia telekomunikacijų palydovo iš Žemės perprogramavimo operacija.
Nepaisant kuklios traukos (tik 15 miliwtonų), Artemidė pradėjo „lipti“ į apskaičiuotą orbitą, pakildama 15 km per dieną. Visa gelbėjimo operacija truko 18 mėnesių. 2003 metų sausio 31 dieną Artemidė atsidūrė būtent ten, kur turėjo būti prieš pusantrų metų. Pirmoji pasaulyje gelbėjimo operacija, kurios rezultatas visiškai priklausė nuo joninių variklių patikimumo ir koordinuotų žmonių veiksmų Žemėje, buvo sėkmingas. Palydovas, kuris buvo laikomas beviltiškai prarastu, pradėjo normaliai veikti.
SMART 1 pagrindinio variklio konstrukcija gerokai skiriasi nuo variklių, sumontuotų DS 1 ir Artemis. Dviejų paskutinių prietaisų atveju jonams pagreitinti buvo panaudotos grotelės su joms pritaikytu potencialu (vadinamasis tinklelio joninis variklis). Priešingai, SMART 1 yra aprūpintas Hall jonų varikliu, kuris žymiai skiriasi savo konstrukcija. Svarbus privalumas Holo efekto varikliams būdinga tai, kad nėra grotelių, kurios nuolat bombarduojamos didelės energijos jonais, todėl jos greitai suyra. Kalbant apie kitas įvairių konstrukcijų joninių variklių charakteristikas, situacija neatrodo tokia akivaizdi. Paprastai tinklo varikliai suteikia didesnį specifinį impulsą ir sunaudoja maždaug dvigubai daugiau mažiau degalų(darbinis skystis) nei Hall varikliai. Tačiau „Hall“ varikliai leidžia sukurti didesnę savitąją trauką naudojant tą patį energijos suvartojimą. Abu dizainai turi savo privalumų ir trūkumų, o pageidaujamo varianto pasirinkimas kiekvienu atveju priklauso nuo aparatui tenkančių užduočių pobūdžio ir jo energijos pajėgumų.
Europos kosmoso agentūra išbandė reaktyvinį jonų variklį, kuris kaip darbinį skystį naudoja orą iš supančios atmosferos. Tikimasi, kad nedideli palydovai su tokiu varikliu galės išlikti praktiškai neriboti 200 kilometrų ar mažesnio aukščio orbitose, rašoma agentūros pranešime spaudai.
Joninių variklių veikimo principas pagrįstas dujų dalelių jonizacija ir jų pagreitinimu naudojant elektrostatinį lauką. Dujų dalelės tokiuose varikliuose žymiai įsibėgėja dideliu greičiu nei cheminiuose varikliuose, todėl jonų varikliai turi daug didesnį specifinį impulsą ir naudoja mažiau degalų. Tačiau jonų varikliai taip pat turi svarbus trūkumas- ypač maža trauka, palyginti su cheminiais varikliais. Dėl šios priežasties jie retai naudojami praktikoje, daugiausia mažuose įrenginiuose. Pavyzdžiui, tokie varikliai naudojami zonde „Dawn“, šiuo metu skriejančiame aplink nykštukinę Cereros planetą, ir bus naudojami „BepiColombo“ misijoje, kuri 2018-ųjų pabaigoje turėtų nukeliauti į Merkurijų.
Kaip ir cheminiai varikliai, šiandien naudojami jonų varikliai naudoja kurą, paprastai ksenoną. Tačiau taip pat yra tiesioginio srauto joninių variklių koncepcija, kuri vis dėlto dar nebuvo naudojama transporto priemonėse, skrendančiose į kosmosą. Jo skirtumas yra tas, kad kaip darbinį skystį siūloma naudoti ne baigtinį dujų tiekimą, įpiltą į baką prieš paleidimą, o orą iš Žemės atmosferos ar kito atmosferos kūno.
Variklio veikimo schema
ESA-A. Di Giacomo
Daroma prielaida, kad palyginti mažas įrenginys su tokiu varikliu galės beveik neribotai išsilaikyti žemose orbitose, kurių aukštis yra maždaug 150 kilometrų, kompensuodamas atmosferinį stabdymą variklio, veikiančio iš atmosferos patenkančiu oru, trauka. 2009 metais ESA į kosmosą paleido palydovą GOCE, kuris dėl nuolat įjungiamo joninio variklio su ksenono atsarga sugebėjo išbūti 255 kilometrų orbitoje beveik penkerius metus. Po to agentūra pradėjo kurti reaktyvinį jonų variklį panašiems žemos orbitos palydovams ir dabar atliko pirmuosius tokio variklio bandymus.
Bandymai vyko vakuuminėje kameroje, kurioje buvo variklis. Iš pradžių jai buvo tiekiamas pagreitintas ksenonas. Po to į dujų įsiurbimo įrenginį buvo įpiltas deguonies ir azoto mišinys, imituojant atmosferą 200 kilometrų aukštyje. Pasibaigus bandymams, inžinieriai atliko bandymus tik su oro mišinys norėdami patikrinti funkcionalumą pagrindiniame režime.
Variklio bandymas naudojant orą kaip kurą
Ramjet jonų variklis
