Ионный двигатель - что это такое?

Ионный двигатель — хорошо отработанная на практике и исторически первая разновидность электрического ракетного двигателя. Недостатком ионного двигателя является малая тяга (например, разгон космического аппарата с весом автомобиля от 0 до 100 км/ч требует больше двух суток непрерывной работы ионного двигателя), которую невозможно увеличить из-за ограничений объёмного заряда.

Однако малый расход топлива (точнее, рабочего тела) и продолжительное время функционирования ионного двигателя (максимальный срок непрерывной работы самых современных образцов ионных двигателей составляет более пяти лет) позволяет за длительный промежуток времени разогнать космический аппарат небольшого веса до приличных скоростей. Сфера применения: управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли (некоторые спутники оснащены десятками маломощных ионных двигателей) и использование в качестве главного тягового двигателя небольшой автоматической космической станции. Характеристики ионного двигателя: потребляемая мощность 1-7 кВт, скорость истечения 20-50 км/с, тяга 20-250 мН, КПД 60-80 %. Рабочим телом является ионизированный газ (аргон, ксенон и т. п.).

Ионному двигателю в настоящее время принадлежит рекорд негравитационного ускорения космического аппарата в космосе без использования жидкостного ракетного двигателя — Deep Space 1 смог увеличить скорость на 4,3 км/с, израсходовав 74 кг ксенона (этот рекорд скорости в ближайшее время планируется превзойти на 10 км/с космическим аппаратом Dawn). Однако ионный двигатель не является самым перспективным типом электроракетного двигателя, поэтому данный рекорд скорости, скорее всего, будет превзойдён холловским или магнитоплазмодинамическим двигателем.
Существует проект межзвёздного зонда с ионным двигателем, получающим энергию через лазер от базовой станции, что дает некоторое преимущество по сравнению с чисто космическим парусом (в настоящее время данный проект неосуществим из-за технических ограничений

История

Принцип ионного двигателя довольно давно известен и широко представлен в фантастической литературе, компьютерных играх и кинематографе, но для космонавтики стал доступен только в последнее время. Однако реальный ионный двигатель по величине тяги оказался намного хуже фантастических моделей.

Прообраз ионного двигателя был создан в 1917 году Робертом Годдардом, а в 1954 году Эрнст Штулингер улучшил его характеристики.
В 1960 году был построен первый функционирующий широко-лучевой (broad-beam) ионный электростатический двигатель (создан в США в NASA Lewis Research Center). В 1964 году прошла первая успешная суборбитальная демонстрация ионного двигателя (SERT I) в тесте на выполнимость нейтрализации ионного луча в космосе.

В 1970 году прошло испытание на длительную работу ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II). С 1970-х годов ионные двигатели на эффекте Холла использовались в СССР в качестве навигационных двигателей (двигатели СПД-60 использовались в 1970-х годах на «Метеорах», СПД-70 на спутниках «Космос» и «Луч» в 1980-х гг., СПД-100 — в ряде спутников в 1990-х гг.).
В качестве основного (маршевого) двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1 (первый запуск двигателя — 10 ноября 1998 г.). Следующими аппаратами стали европейский лунный зонд Смарт-1, запущенный 28 сентября 2003 г. и японский аппарат Хаябуса, запущенный к астероиду в мае 2003 г.

Следующим аппаратом NASA, обладающим маршевыми ионными двигателями, стала (после ряда замораживаний и возобновления работ) АМС Dawn, которая стартовала 27 сентября 2007 года. Dawn предназначается для изучения Весты и Цереры и несёт три двигателя NSTAR, успешно испытанных на Deep Space 1.

Европейское Космическое Агентство установило ионный двигатель на борту спутника GOCE, запущенного 17 марта 2009 года на сверхнизкую околоземную орбиту высотой около 260 км. Ионный двигатель создаёт в постоянном режиме импульс, компенсирующий атмосферное трение и другие негравитационные воздействия на спутник.

Принцип действия

Принцип работы двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. При этом, благодаря высокому отношению заряда к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей (вплоть до 210 км/с по сравнению с 3—4,5 км/с у химических ракетных двигателей). Таким образом, в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса. Это позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа по сравнению с расходом реактивной массы в химических ракетах, но требует больших затрат энергии.
В существующих реализациях для поддержки работы двигателя используются солнечные батареи. Но для работы в дальнем космосе такой способ неприемлем. Поэтому уже сейчас для этих целей иногда используются ядерные установки.

Источником ионов служит газ — как правило, аргон или водород. Бак с газом стоит в самом начале двигателя, оттуда газ подаётся в отсек ионизации; получается холодная плазма, которая разогревается в следующем отсеке посредством ионного циклотронного резонансного нагрева. После нагрева высокоэнергетическая плазма подаётся в магнитное сопло, где она формируется в поток магнитным полем, разгоняется и выбрасывается в окружающую среду. Таким образом достигается тяга.

С тех пор плазменные двигатели прошли большой путь и разделились на несколько основных типов — электротермические, электростатические, сильноточные или магнитодинамические и импульсные двигатели. В свою очередь электростатические двигатели делятся на ионные и плазменные (ускорители частиц на квазинейтральной плазме).

Ионный двигатель использует в качестве топлива ксенон или ртуть. Первый ионный двигатель назывался сетчатый электростатический ионный двигатель. В ионизатор подаётся 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 ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2-х или 3-х сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против — 225 вольт на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона. Электроны, пойманные в катодную трубку выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается по двум причинам:

• чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным;
• чтобы ионы, «нейтрализованные» таким образом не притягивались обратно к кораблю.

Чтобы ионный двигатель работал, нужны всего 2 вещи — газ и электричество.

Недостаток двигателя в его нынешних реализациях — очень слабая тяга (порядка 50-100 миллиньютонов). Таким образом, нет возможности использовать ионный двигатель для старта с планеты, но, с другой стороны, в условиях невесомости, при достаточно долгой работе двигателя, есть возможность разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих видов двигателей. Однако разрабатываются более совершенные и мощные типы электроракетных двигателей (холловский и магнитоплазмодинамический), превосходящие ионный двигатель по величине тяги и, как следствие, конечной скорости космического аппарата.