Советы по проектированию ионного двигателя

Советы по проектированию ионного двигателя.

Проект ионного двигателя включает разработку нового поколения ионных двигателей, рассчитанных на расход 450 килограммов ксенона. Это обеспечит 22 тысячи часов работы при максимальном форсаже.
Ионный двигатель обладает малой тягой и высоким удельным импульсом. Его ресурс оценивается в диапазоне от 10 тысяч до 100 тысяч часов.

Основные концепции разработки проекта ионного двигателя включают:
1\. Энергопотребление: ионные двигатели потребляют большое количество энергии (1–7 кВт) по сравнению с другими типами двигателей.
2\. КПД: коэффициент полезного действия ионных двигателей составляет 0,6–0,8 (60–80%).
3\. Скорость истечения: ионы в ионных двигателях движутся со скоростью 20–50 км/с.
4\. Сфера применения: ионные двигатели используются для управления ориентацией и положением искусственных спутников Земли и в качестве главных тяговых двигателей небольших автоматических космических станций.
5\. Рекорд негравитационного ускорения: ионный двигатель Deep Space 1 увеличил скорость аппарата массой около 370 кг на 4,3 км/с, израсходовав 74 кг ксенона.
6\. Разработка нового поколения двигателей: новые поколения ионных двигателей рассчитаны на расход 450 килограммов ксенона, что обеспечивает 22 тысячи часов работы при максимальном форсаже.

Первым изобретателем ионного двигателя считается Роберт Годдард. Он предложил концепцию ионного двигателя ещё в 1917 году. Первый работающий ионный двигатель был создан в конце 1950-х годов учёным Гарольдом Р. Кауффманом из Исследовательского центра НАСА имени Джона Гленна.

Принцип действия ионного двигателя основан на ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. В процессе ионизации атомы газа теряют электроны, превращаясь в ионы с положительным зарядом и свободным местом для присоединения других частиц. Затем ионы разгоняются до высоких скоростей в электрическом поле, создавая реактивную тягу.
Ионный двигатель использует высокое отношение заряда к массе ионов, что позволяет разогнать их до очень высоких скоростей (вплоть до 210 км/с). Благодаря этому достигается большой удельный импульс, что позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы по сравнению с химическими ракетами. Однако для ионизации газа требуется большое количество энергии, что ограничивает применение ионных двигателей.

Основные пункты разработки ионного двигателя:
1\. Принцип действия: ионизация газа и его разгон электростатическим полем.
2\. Технические характеристики: потребляемая мощность 1–7 кВт, скорость истечения ионов 20–50 км/с, тяга 20–250 мН, КПД 60–80 %, время непрерывной работы более трёх лет.
3\. Рабочие тела: ионизированный инертный газ (аргон, ксенон) или ртуть.
4\. Источник энергии: солнечные батареи.
5\. Камера: смесь положительных ионов и отрицательных электронов.
6\. Извлечение ионов: система из двух или трёх сеток.
7\. Электроды: большая разница электростатических потенциалов (+1090 Вольт на внутренней против -225 Вольт на внешней).
8\. Тяга: слабая (порядка 50–100 миллиньютонов), но возможно использование для разгона космического аппарата до недоступных скоростей.

В ионных двигателях в качестве источника энергии используются солнечные батареи. Рабочим телом обычно является ионизированный инертный газ (аргон, ксенон) или ртуть.

Использование ртути в ионных двигателях возможно, но не является широко распространённой практикой. Ртуть обладает рядом свойств, которые делают её подходящей для применения в некоторых областях науки и техники.
В ионных двигателях ртуть используется как рабочее тело. Принцип работы ионного двигателя заключается в ионизации газа, который затем разгоняется электростатическим полем для создания реактивной тяги. Топливом для такого двигателя служит ионизированный инертный газ, например, ксенон.
Однако некоторые учёные и исследователи рассматривают возможность использования ртути в качестве рабочего тела ионного двигателя. Это связано с тем, что ртуть имеет ряд преимуществ перед другими металлами, такими как высокая проводимость, низкая температура плавления и способность образовывать устойчивые соединения с другими элементами.
Во время работы двигателя в камере образуется смесь из отрицательных электронов и положительных ионов. Электроны отфильтровываются с помощью катодных сеток, а положительные ионы выбрасываются в виде реактивной струи в пространство.

Камера ионного двигателя — это основной компонент системы ионного двигателя космического аппарата. Она предназначена для ионизации рабочего тела (обычно инертного газа, например, гелия или ксенона) и создания реактивной тяги.
В камере происходит процесс ионизации, когда атомы рабочего тела разделяются на положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные электроны. Затем ионы разгоняются электростатическим полем между двумя электродами, создавая реактивную тягу. Электроны удаляются из камеры, чтобы сохранить нейтральный заряд космического аппарата.

Система извлечения ионов в ионном двигателе состоит из нескольких элементов:
1\. Источник ионов: обычно используется газ, например, аргон или водород. Газ подаётся в отсек ионизации из бака, расположенного в начале двигателя.
2\. Ионизация: газ ионизируется, превращаясь в смесь положительных ионов и отрицательных электронов.
3\. Фильтрация: электроны отделяются от ионов с помощью катодных сеток, которые притягивают к себе электроны.
4\. Разгон ионов: положительные ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из двух или трёх сеток, между которыми поддерживается большая разница электростатических потенциалов. Здесь ионы разгоняются и выбрасываются в окружающее пространство, ускоряя космический аппарат.

Электроды играют важную роль в ионном двигателе. Они состоят из эмиссионного, ускоряющего и выходного электродов. Эмиссионный электрод создаёт ионы из атомов рабочего тела (например, аргона). Ускоряющий электрод ускоряет ионы до нужной скорости, а выходной электрод формирует и контролирует поток ионов.

Чтобы увеличить тягу в ионном двигателе, можно использовать следующие методы:
1\. Увеличить напряжение на электродах, что позволит ускорить ионы и повысить тягу.
2\. Изменить форму и размер электродов, чтобы улучшить распределение электрического поля и повысить эффективность ускорения ионов.
3\. Использовать магнитное поле для управления движением ионов и улучшения их ускорения.
4\. Оптимизировать параметры плазмы, такие как температура и плотность, чтобы обеспечить оптимальные условия для ионизации и ускорения ионов.
5\. Улучшить систему подачи и нагрева рабочего тела, чтобы обеспечить стабильное и равномерное поступление рабочего вещества в камеру двигателя.
6\. Разработать новые материалы и покрытия для электродов, которые будут устойчивы к воздействию плазмы и коррозии, что увеличит срок службы двигателя.

Основные направления создания ионного двигателя будущего включают:
1\. Использование решётчатого газоотвода (Grid Ion Thruster, GIT), который обеспечивает высокое соотношение тяги к массе и длительное время работы без большого количества топлива.
2\. Применение газового охлаждения (Gas-Cooled Ion Thruster, GCIT), что делает двигатель привлекательным для длительных космических миссий.
3\. Использование аэрохелльдов (Aerojet Simulation Hall Effect Electromagnetic Exhaust Thruster, ASHEET), которые предлагают превосходную энергетическую эффективность и способны генерировать большую тягу при сравнительно небольшой массе.
4\. Разработка электрических двигателей с ионным выбросом, таких как NASA Evolutionary Xenon Thruster (NEXT), успешно протестированный на космическом аппарате Dawn.
Эти инновации в ионной технологии двигателей активно исследуются и тестируются в космических миссиях, способствуя прогрессу в исследовании космоса и Земли.
Будущим покорителям Космоса желаю удачи и пусть мои советы пойдут на пользу людям!!!