Двигатель на эффекте холла своими руками

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 05.10.2024

Это уникальное явление представляет из себя один из типов электрического ракетного двигателя, расходуемое вещество которого получает ускорение в состоянии плазмы. В сравнении с жидкостными агрегатами, эти устройства нельзя использовать для того, чтобы выводить грузы на орбиту. Это обусловлено тем, что аппараты работают исключительно в вакууме. Также учитывая уменьшение запасов рабочего тела в призме относительно высокой скорости его истечения, их следует рассматривать как один из способов совершения быстрых космических перелетов. Более подробно о том, что же все-таки такое плазменный двигатель для космических кораблей, как работает устройство и есть ли у него будущее, читай прямо сейчас.

Работают над этими инновационными аппаратами с середины XX в. Испытания первого прототипа провели NASA в 60-х годах. Возможная область применения двигателей достаточно широкая: от ориентации космических аппаратов в пространстве до полетов к другим телам Солнечной системы и совершение небольших орбитальных маневров.

Принцип работы

Таким образом, один конец у нас с, так называемой, микроволновкой. Отметим, что аппарат охлаждается простой водой. Если этого не делать, то есть риск возникновения выскоплазменного электромангала.

В результате эксперимента тяга, которую создали китайские ученые, заставляет подпрыгивать стальной шар, который весит 1 кг. Его крепят на конце импровизированного сопла. Проанализировав полученные данные, можно сказать, что подъемная сила в 28 Н/кВт, а также давление в 24 кН/кв.м. дает вполне реальную жизнь идее, когда воздушно плазменный реактивный двигатель становится интересным аналогом обычного реактивного двигателя, который работает на ископаемом топливе.

Ошеломляющий результат разработки – сразу три весомых для планеты пункта:

Больше не надо жечь нефтепродукты.
Заметно сократиться загрязнение атмосферы углеродом.
Замедлится процесс глобального потепления.

Ученые предполагают, что в будущем такими двигателями можно оснастить самые разные устройства, в том числе и самолеты. Но внедрить изобретение можно только тогда, когда будут разработаны компактные и мощные источники энергии. Ими вполне могут стать портативные термоядерные реакторы.

Для всех плазменных ракет свойственно работать по одному принципу. Речь идет о ситуации, когда предельно близко работают электрические и магнитные поля. На первом этапе происходит преобразование газа, как правило, ксенона или криптона, в плазму. Дальше происходит ускорение ионов в плазме из двигателя при скорости больше 72 тыс. км/ч. При этом создается тяга в необходимом направлении. На данный момент есть ни один способ, который дает возможность применить данную формулу для формирования рабочей плазменной ракеты. Три из них считаются максимально удачными и перспективными.

Двигатель Холла

Отличается этот вариант тем, что здесь нет ограничений, которые налагаются объемным зарядом. Благодаря этому обеспечивается большая плотность тяги. Как результат, этот тип двигателя способствует увеличению скорости ракет в несколько раз в сравнении, к примеру, с ионными агрегатами в том же размере.

Идея принадлежит американскому физику, Эдвину Холлу. Ученый показал миру, как в проводнике с взаимно перпендикулярным электрическим и магнитным полем образуется электроток. Основная фишка в направлении – оно для обоих перпендикулярно. Иными словами, в данном устройстве образование плазмы происходит при помощи заряда между анодом и катодом. Это совершенно простое действие отделяет электроны от нейтральных атомов.

В наше время в пределах околоземных орбит находится около 200 спутников, работающих на данном устройстве.

Эта грозная аббревиатура расшифровывается как абляционный импульсный плазменный двигатель. Основная зона его предназначения – малые космические аппараты, оснащенные неплохим спектром функциональных возможностей. Расширение устройства обеспечивает высокоэффективный малогабаритный агрегат, который сможет корректировать и поддерживать орбиту.

Стоит отметить, что данное устройство весьма перспективно и имеет весомые плюсы:

всегда готов к работе;
большой ресурс;
низкая инерционность;
может точно дозировать импульс;
тяга обуславливается потребляемой мощностью.

Стационарные двигатели

В первую очередь, при рассмотрении этого устройства, важно отметить малую врабатываемость мощности и компактность. Область применения его в космической технике – исполнительный орган электрореактивной установки.

Также он является незаменимым помощников во время научных исследований. Стационарный двигатель дает возможность моделировать с высокой точностью направленные плазменные потоки. Иначе говоря, его можно назвать магнетроном, который часто используют в промышленном направлении.

Преимущества перед другими видами

Помимо явной заботы об окружающей среде плазменные двигатели имеют еще один большой плюс. Речь идет об удельном импульсе, иными словами, скорости, с которой аппарат выбрасывает реактивную струю. Рекордные показатели реактивных двигателей для рассматриваемого устройства – посредственный результат. Если верхняя планка первых максимально достигает 4 км/с, то в случае реактивного агрегата среднее значение закрепилось на 10 км/с. Стоит отметить, что предела нет.

Рекомендуем ознакомится: Какую максимальную скорость может развить корабль в космосе.

Если у ракет на обычных двигателях с этим есть явные проблемы, то агрегаты на плазме работают на высоте. Так, толчки от деятельности АИПД смогли раскрыть солнечную батарею, которая заела.

Также нельзя не отметить предельную простоту и низкую стоимость конструкции. Все это граничит с высокой надежностью и возможностью работать на самых разнообразных телах. Кроме этого, агрегаты имеют небольшой вес и выглядят компактно. В них нет сжатых газов, химически активных, токсичных веществ. Это говорит о том, что они абсолютно безопасны в нерабочем режиме.

Будущее инновационного изобретения

Размышляя о будущем этих устройств, вырисовывается два разных направления:

Их будут использовать как двигатели для наноспутников.
Они найдут свое применение в области высокомощных двигателей для больших орбитальных маневров и полетов к иным телам Солнечной вселенной.

Сегодня есть множество крошечных спутников, которые выполняют достаточно серьезные задачи. Например, устройства CubeSat дистанционно зондируют Землю. Размер спутников ограничивает доступную электрическую мощность. Поэтому на данный момент для решения этой проблемы стал серьезно рассматриваться вопрос использования АИПД.

Также еще одна область фантазий – это строительство обитаемой станции или базы на Лунной орбите. В этом вопросе оснащении их двигателями такого устройства просто необходимо.

Отмечается, что плазменный двигатель для космических кораблей набирает скорость медленнее обычных. Но здесь кроется парадоксальная ситуация: наряду с низкой скорость на начальном этапе в последующем на далеких дистанциях движение происходит гораздо быстрее.

Изобретение относится к плазменному маневровому реактивному двигателю на основе эффекта Холла, используемому для перемещения спутников с помощью электричества. Плазменный реактивный двигатель на основе эффекта Холла содержит основной кольцевой канал ионизации и ускорения. Канал имеет открытый выходной конец. Двигатель также содержит, по меньшей мере, один катод, кольцевой анод, трубопровод с распределителем для подачи способного к ионизации газа в основной кольцевой канал и магнитную цепь для создания магнитного поля в основном кольцевом канале. Анод концентричен основному кольцевому каналу. Основной кольцевой канал содержит расположенные вблизи открытого выходного конца участок внутренней кольцевой стенки и участок наружной кольцевой стенки. Каждый из указанных участков содержит пакет расположенных рядом друг с другом проводящих или полупроводящих колец в виде пластин. Пластины разделены тонкими слоями изолирующего материала. Техническим результатом является устранение указанных в описании недостатков и, в частности, повышение долговечности плазменных реактивных двигателей на основе эффекта Холла при сохранении высокого уровня их энергетической эффективности. 9 н.п. ф-лы, 5 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Предметом изобретения является плазменный реактивный двигатель на основе эффекта Холла, содержащий основной кольцевой канал ионизации и ускорения, имеющий открытый выходной конец, по меньшей мере, один катод, кольцевой анод, концентричный основному кольцевому каналу, трубопровод и распределитель для подачи способного к ионизации газа в канал и магнитную цепь создания магнитного поля в основном кольцевом канале.

В частности, изобретение относится к плазменному маневровому реактивному двигателю на основе эффекта Холла, используемому для перемещения спутников с помощью электричества.

Долговечность плазменных реактивных двигателей на основе эффекта Холла по существу определяется эрозией изолирующего керамического канала под действием бомбардировки ионами. Вследствие рельефа электрического потенциала в канале часть создаваемых ионов ускоряется в радиальном направлении к стенкам.

Удлинение срока службы телекоммуникационных спутников и повышение требуемых скоростей выброса плазмы (в частности, для так называемых двигателей с высоким удельным импульсом) требуют все большей долговечности, которую уже не может обеспечивать обычная керамика на основе нитрида бора.

Высокая стойкость к ионной бомбардировке некоторых проводящих или полупроводящих материалов, таких как графит, теоретически делают их идеальными кандидатами для изготовления выпускных каналов реактивных двигателей на основе эффекта Холла. Идея использования проводящих материалов и, в частности, графита была исследована в США группой авторов Y.Raitses и др. (Принстонский университет). Эти исследования показали преимущества графита в отношении долговечности, однако при этом не было попыток решить проблему потери эффективности, связанную с коротким замыканием плазмы.

Выявленная низкая эффективность вследствие применения проводящих материалов до сих пор сдерживала их широкое использование в конструкции каналов ускорения плазменных реактивных двигателей.

Таким образом, в настоящее время выпускные каналы реактивных двигателей на основе эффекта Холла изготавливаются из однородной изоляционной керамики, чаще всего на основе нитрида бора или диоксида кремния (материалов BN-SiO₂). Керамика на основе нитрида бора обеспечивает реактивным двигателям на основе эффекта Холла повышенную эффективность, однако подвержена быстрой эрозии под действием ионной бомбардировки, что снижает срок службы реактивных двигателей примерно до 10000 часов и ограничивает их работу при высоких значениях удельного импульса.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и, в частности, повышение долговечности плазменных реактивных двигателей на основе эффекта Холла при сохранении высокого уровня их энергетической эффективности.

В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет плазменного реактивного двигателя на основе эффекта Холла, содержащего основной кольцевой канал ионизации и ускорения, имеющий открытый выходной конец, по меньшей мере, один катод, кольцевой анод, концентричный основному кольцевому каналу, трубопровод с распределителем для подачи способного к ионизации газа в канал и магнитную цепь для создания магнитного поля в основном кольцевом канале, отличающегося тем, что основной кольцевой канал содержит расположенные вблизи открытого конца участок внутренней кольцевой стенки и участок наружной кольцевой стенки, каждый из которых содержит пакет расположенных рядом друг с другом проводящих или полупроводящих колец в виде отдельных пластин, разделенных тонкими слоями изолирующего материала.

В оптимальном случае каждое проводящее или полупроводящее кольцо разделено на сегменты, расположенные вдоль угловых секторов и изолированные друг от друга.

Предпочтительно сегменты каждого проводящего или полупроводящего кольца расположены в шахматном порядке относительно сегментов соседних проводящих или полупроводящих колец.

Согласно предпочтительной характеристике изобретения тонкие слои изолирующего материала расположены на всех поверхностях проводящего или полупроводящего кольца за исключением поверхности, определяющей часть внутренней стенки основного кольцевого канала.

Пакет проводящих или полупроводящих колец может по длине внутренней и наружной кольцевых стенок может длину меньше общей длины основного кольцевого канала.

Согласно частному примеру осуществления проводящие или полупроводящие кольца изготовлены из графита, а тонкие слои изолирующего материала выполнены из пиролитического нитрида бора.

Толщина проводящих или полупроводящих колец имеет порядок ларморовского радиуса электрона.

Их максимальную толщину а определяют в соответствии с выражением:

где r - ларморовский радиус электронов,

при этом следующее условие определяет азимутальный угол разделения:

R , α 5 abs ( Е Z Е t ) , r

где Е_Z, Е_t - электрическое поле вдоль оси и азимута,

R - радиус кромки сегмента кольца, находящейся в контакте с плазмой,

α - угол сегмента кольца.

Согласно примеру осуществления проводящие или полупроводящие кольца имеют толщину от 0,7 до 0,9 мм, а тонкие слои изолирующего материала имеют толщину от 0,04 до 0,08 мм.

Согласно изобретению псевдоизолирующий выпускной канал выполнен из набора колец или участков колец, изготовленных из проводящего или полупроводящего материала и покрытых тонким слоем изолирующей керамики.

Это позволяет повысить долговечность реактивного двигателя в 3-4 раза без потенциальной потери эффективности. При этом конструкция позволяет использовать преимущества низкой скорости эрозии проводящих материалов без сопряженных с ними недостатков, и канал может вести себя как электроизолирующий по отношению к плазме с максимальным ограничением электрических токов, возникающих в выпускном канале.

Таким образом, изобретение оптимизирует конструкцию выпускного канала плазменного реактивного двигателя на основе эффекта Холла за счет разделения проводящих или полупроводящих стенок на изолированные сегменты малых размеров, что вызывает существенное снижение тока короткого замыкания и предотвращает значительные потери эффективности.

Перемещение телекоммуникационных спутников связано с высокими экономическими затратами и любые усовершенствования плазменных источников тяги на основе эффекта Холла, которые в настоящее время считаются наиболее эффективными для продления жизнедеятельности спутника, представляют большой интерес. Настоящее изобретение непосредственно отвечает потребности в увеличении срока службы геостационарных спутников путем увеличения долговечности плазменных реактивных двигателей на основе эффекта Холла.

Изобретение обеспечивает также возможность работы реактивных двигателей с более высокими удельными импульсами (I_sp) при сохранении значительной долговечности. Таким образом, оно обеспечивает важное конкурентное преимущество перемещения посредством плазменного реактивного двигателя на основе эффекта Холла.

Краткое описание чертежей

Другие особенности и преимущества изобретения будут ясны из последующего описания примеров осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи. На чертежах:

фиг.1 схематично изображает на виде в аксонометрии с вырывом плазменный реактивный двигатель на основе эффекта Холла, в котором может быть использовано изобретение,

фиг, 2 изображает на виде в аксонометрии одну четверть выпускного канала с пластинчатой конструкцией в соответствии с примером осуществления изобретения,

фиг.3 изображает на виде в аксонометрии предлагаемый вариант пластинчатой конструкции выпускного канала плазменного реактивного двигателя на основе эффекта Холла в соответствии с изобретением,

фиг.3А изображает в увеличенном виде предлагаемый вариант сегмента из проводящего или полупроводящего материала с изолирующим покрытием, используемого в пластинчатой конструкции по фиг.3, и

фиг.3В изображает вид в разрезе по линии IIIB-IIIB на фиг.3А.

На фиг.1 показан пример выполнения плазменного реактивного двигателя на основе эффекта Холла, называемого также стационарным плазменным реактивным двигателем, в котором может использоваться изобретение и который может служить для обеспечения электрической тяги спутников.

Реактивный двигатель такого типа на основе эффекта Холла содержит следующие основные элементы:

- выпускной канал или основной кольцевой канал 120 ионизации и ускорения,

- кольцевой анод 125, концентричный основному кольцевому каналу 120,

- трубопровод 126 и распределитель, связанный с анодом 125 и с основным кольцевым каналом 120 для подачи в канал способного к ионизации газа, такого как ксенон,

- полый катод 140,

- магнитную цепь 131-136 создания магнитного поля в основном кольцевом канале.

Анод 125 и распределитель способного к ионизации газа позволяют вспрыскивать в двигатель топливо (такое, как ксенон) и получать электроны плазменного разряда. Полый катод 140 служит для генерирования электронов, что позволяет создавать в реактивном двигателе плазму и нейтрализовать реактивную струю ионов, выбрасываемых двигателем.

Магнитная цепь содержит внутренний полюс 134, внешний полюс 136, ярмо магнита, которое соединяет внутренний и наружный полюса 134, 136 и состоит из центрального ферромагнитного сердечника 133 и периферийных ферромагнитных стержней, одной или нескольких обмоток 131 вокруг центрального сердечника 133 и обмоток 132 вокруг периферийных стержней 135.

Магнитная цепь обеспечивает возможность удержания плазмы и создания сильного магнитного поля Е на выходе двигателя, что позволяет ускорять ионы до скоростей порядка 20 км/с.

Для создания магнитной цепи возможны различные варианты, и изобретение не ограничивается примером осуществления, описанным со ссылкой на фиг.1.

Выпускной канал 120 позволяет удерживать плазму, а его состав определяет рабочие характеристики двигателя.

Традиционно выпускной канал 120 изготавливается из керамики. Тяга двигателя обеспечивается выбросом струи ионов с высокой скоростью. Однако, поскольку струя слегка расходится, столкновение ионов высокой энергии со стенкой канала вызывает эрозию керамики на выходе двигателя.

Поэтому в соответствии с изобретением выпускной канал 120 содержит, по меньшей мере, один участок 127 внутренней кольцевой стенки и, по меньшей мере, один участок 128 наружной кольцевой стенки, расположенные вблизи открытого конца 129 канала, которые изготовлены из несплошной керамики. Каждый из этих участков содержит пакет расположенных рядом друг с другом проводящих или полупроводящих колец 150, составленных из отдельных пластин, разделенных тонкими слоями 152 изоляции (см. фиг.2).

Изобретение имеет целью значительное снижение эрозии выпускного канала реактивного двигателя. Оно позволяет также снизить энергетические потери и нестабильность выпуска, обычно свойственные реактивным двигателям на основе эффекта Холла, в которых используется выпускной канал из проводящего или полупроводящего материала. За счет использования таких более стойких к ионной бомбардировке по сравнению с керамикой материалов, как графит и карбиды, и благодаря пакету проводящих или полупроводящих колец (например, из графита), разделенных тонкими слоями изолирующего материала (например, из нитрида бора), изобретение позволяет одновременно снизить эрозию канала и уменьшить нестабильность выпуска.

Таким образом, выпускной канал 120 плазменного реактивного двигателя по изобретению может одновременно содержать верхнюю по потоку традиционную часть из керамики с донной стенкой 123, наружной цилиндрической стенкой 121 и внутренней цилиндрической стенкой 122 и нижнюю по потоку часть, расположенную между верхней по потоку частью и открытым концом 129 и содержащую цилиндрическую наружную стенку 128 и цилиндрическую внутреннюю стенку 127. Каждая из них образована пластинчатой конструкцией, состоящей из расположенных рядом друг с другом проводящих или полупроводящих колец 150, которые разделены тонкими слоями 152 изолирующего материала, но имеют не покрытую изолирующим материалом поверхность 151 с внутренней стороны, обращенной к внутреннему пространству 124 кольцевого канала 120.

Кроме того, для исключения возможных азимутальных токов короткого замыкания, вызываемых колебаниями потенциала вдоль азимута (вследствие дефектов симметрии, азимутальных волн и других причин), предпочтительно кольца 150 составляют из множества изолированных угловых сегментов, каждый из которых имеет протяженность углового сектора Δθ (фиг.3 и 3А). Таким образом, каждое кольцо 150 может содержать, например, от 10 до 30 сегментов 150а, 150b.

Предпочтительно сегменты 150а одного проводящего или полупроводящего кольца 150 расположены в шахматном порядке относительно сегментов 150b соседних колец 150 (фиг.3).

Как видно на фиг.3А, тонкие слои 152, 153, 154, 155 изолирующего материала нанесены на всех поверхностях сегмента проводящего или полупроводящего кольца 150 за исключением поверхности 151, которая определяет часть внутренней стенки основного кольцевого канала 120.

В качестве примера пакет проводящих колец 150 занимает от 20 до 50%, предпочтительно от 30 до 40% общей длины внутренней и наружной кольцевых стенок основного кольцевого канала 120, однако этот диапазон не является ограничительным.

Размеры проводящих или полупроводящих колец 150 могут быть установлены на основе расчета электронных потоков, получаемых и испускаемых стенками. В первом приближении может быть показано, что циркулирующий в стенках ток короткого замыкания пропорционален собираемому ионному току, который при постоянной электронной температуре и плотности плазмы примерно пропорционален проводящей поверхности, находящейся в контакте с плазмой.

При этом для заданного осевого электрического поля разность потенциалов на проводящем элементе примерно пропорциональна его осевой протяженности. Из этого следует, что для канала определенного размера совокупность потерь от эффекта Джоуля за счет короткого замыкания плазмы примерно пропорциональна толщине колец. Может быть также показано, что ток короткого замыкания становится незначительным по сравнению с токами, связанными с вторичной электронной эмиссией (единственные токи, присутствующие в случае наличия изолирующего материала), когда толщина колец имеет порядок ларморовского радиуса электрона. Это определяет критическую толщину колец, позволяющую получить псевдоизолирующий канал.

В качестве примера проводящие кольца 150, например, из графита с низким коэффициентом расширения могут иметь толщину от 0,7 до 0,9 мм, в типовом случае равную 0,8 мм.

Тонкие слои 152-155 изолирующего материала, например, из пиролитического нитрида бора могут иметь толщину от 0,04 до 0,08 мм, в типовом случае равную 0,05 мм, и могут быть нанесены на сегменты проводящих колец 150 способом химического осаждения из газовой фазы таким образом, чтобы покрывать каждый сегмент по всей его поверхности за исключением края 151, находящегося в контакте с плазмой.

1. Плазменный реактивный двигатель на основе эффекта Холла, содержащий основной кольцевой канал (120) ионизации и ускорения, имеющий открытый выходной конец (129), по меньшей мере, один катод (140), кольцевой анод (125), концентричный основному кольцевому каналу (120), трубопровод (126) с распределителем для подачи способного к ионизации газа в основной кольцевой канал (120) и магнитную цепь (131-136) для создания магнитного поля в основном кольцевом канале (120), отличающийся тем, что основной кольцевой канал (120) содержит расположенные вблизи открытого выходного конца (129) участок (127) внутренней кольцевой стенки и участок (128) наружной кольцевой стенки, каждый из которых содержит пакет расположенных рядом друг с другом проводящих или полупроводящих колец (150) в виде пластин, разделенных тонкими слоями (152) изолирующего материала.

2. Плазменный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждое проводящее или полупроводящее кольцо (150) разделено на сегменты, расположенные вдоль угловых секторов и изолированные друг от друга.

3. Плазменный реактивный двигатель по п.2, отличающийся тем, что сегменты каждого проводящего или полупроводящего кольца (150) расположены в шахматном порядке относительно сегментов соседних проводящих или полупроводящих колец (150).

4. Плазменный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что тонкие слои изолирующего материала расположены на всех поверхностях проводящего или полупроводящего кольца (150) за исключением поверхности (151), определяющей часть внутренней стенки основного кольцевого канала (120).

5. Плазменный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что пакет проводящих колец (150) занимает участок (127) внутренней кольцевой стенки и участок (128) наружной кольцевой стенки, составляющий от 20 до 50% общей длины основного кольцевого канала (120).

6. Плазменный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что проводящие или полупроводящие кольца (150) изготовлены из графита.

7. Плазменный реактивный двигатель по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что тонкие слои (152) изолирующего материала выполнены из пиролитического нитрида бора.

8. Плазменный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что толщина проводящих или полупроводящих колец (150) имеет порядок ларморовского радиуса электрона.

9. Плазменный реактивный двигатель по п.6, отличающийся тем, что проводящие или полупроводящие кольца (150) имеют толщину от 0,7 до 0,9 мм.

10. Плазменный реактивный двигатель по п.7, отличающийся тем, что тонкие слои (152) изолирующего материала имеют толщину от 0,04 до 0,08 мм.

Проблема перемещения в космосе стоит перед человечеством с момента начала орбитальных полетов. Ракета взлетая с земли расходует практически все свое топливо, плюс заряды ускорителей и ступеней. И если ракету еще можно оторвать от земли, заправив её огромным количеством топлива, на космодроме, то в открытом космосе заправляться попросту негде и нечем. А ведь после выхода на орбиту нужно двигаться дальше. А топлива нет.

Устройство ионно плазменного двигателя

Принцип действия плазменного двигателя состоит в том, что рабочим телом выступает не сгорающее топливо, как в реактивных двигателях, а разогнанный магнитным полем до безумных скоростей поток ионов.

Источником ионов служит газ, как правило это аргон или водород, бак с газом стоит в самом начале двигателя, оттуда газ подается в отсек ионизации, получается холодная плазма, которая разогревается в следующем отсеке посредством ионного циклотронного резонансного нагрева. После нагрева, высокоэнергетическая плазма подается в магнитное сопло, где она формируется в поток посредством магнитного поля, разгоняется и выбрасывается в окружающую среду. Таки образом достигается тяга.

С тех пор плазменные двигатели прошли большой путь и разделились на несколько основных типов, это электротермические двигатели, электростатические двигатели, сильноточные или магнитодинамические двигатели и импульсные двигатели.

В свою очередь электростатические двигатели делятся на ионные и плазменные (ускорители частиц на квазинейтральной плазме).

В данной статье мы напишем про современные ионные двигатели и их перспективные разработки, так как на наш взгляд именно за ними будущее космического флота.

Ионный двигатель использует в качестве топлива ксенон или ртуть. Первый ионный двигатель назывался сетчатый электростатический ионный двигатель.

Принцип его действия таков:

Положительные же ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2 или 3 сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против – 225 на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона.

Российские ионные двигатели. На всех хорошо видны катодные трубки, направленные в сторону сопла

Электроны, пойманные в катодную трубку выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается по двум причинам:

Чтобы ионный двигатель работал нужны всего две вещи – газ и электричество. С первым все просто отлично, двигателю американского межпланетного аппарата Dawn, который стартовал осенью 2007-го, для полета в течении почти 6 лет потребуется всего 425 килограммов ксенона. Для сравнения для корректировки орбиты МКС с помощью обычных ракетных двигателей каждый год затрачивается 7,5 тонн горючего.

Одно плохо – ионные двигатели имеют очень небольшую тягу, порядка 50–100 миллиньютонов, что абсолютно недостаточно при перемещении в атмосфере Земли. Но в космосе, где нет практически никаких сопротивлений, ионный двигатель при длительном разгоне может достигнуть значительных скоростей. Общее приращение скорости за всё время миссии Dawn составит порядка 10 километров в секунду.

Тест ионного двигателя для корабля Deep Space

Недавние испытания проведенные американской компанией Ad Astra Rocket, проведенные в вакуумной камере показали, что их новый Магнитоплазменный двигатель с переменным удельным импульсом” (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) VASIMR VX-200может дать тягу уже в 5 ньютонов.

Второй вопрос – электричество. Тот же VX-200 потребляет 201 кВт энергии. Солнечных батарей такому двигателю просто мало. Следовательно необходимо изобретать новые способы получения энергии в космосе. Тут есть два пути – заправляемые батареи например тритиевые, выводимые на орбиту вместе с кораблем, либо автономный атомный реактор, который и будет питать кораблю на протяжении всего полета.

Еще в 2006 году Европейское космическое агентство (European Space Agency) и Австралийский национальный университет (Australian National University) успешно провели испытания нового поколения космических ионных двигателей, достигнув рекордных показателей.

Двигатели, в которых заряженные частицы ускоряются в электрическом поле — давно известны. Они применяются для ориентации, коррекции орбиты на некоторых спутниках и межпланетных аппаратах, а в ряде космических проектов (как уже осуществившихся, так и только задуманных — читайте тут,тут и тут) — даже в качестве маршевых.

С ними специалисты связывают дальнейшее освоение Солнечной системы. И хотя все разновидности так называемых электроракетных двигателей сильно уступают химическим в максимальной тяге (граммы против килограммов и тонн), зато кардинально превосходят их в экономичности (расходе топлива на каждый грамм тяги за секунду). А эта экономичность (удельный импульс) прямо пропорционально зависит от скорости выбрасываемой реактивной струи.

Как ясно из названия разработки, такая скорость достигнута двухступенчатым процессом разгона ионов при помощи четырёх последовательных решёток (вместо традиционных одной стадии и трёх решёток), а также высоким напряжением — 30 киловольт. Кроме того, расхождение выходного реактивного пучка составило всего 3 градуса, против примерно 15 градусов — у прежних систем.

А вот информация последних дней.

Ионный двигатель (ИД) работает просто: газ из бака (ксенон, аргон и пр.) ионизируется и разгоняется электростатическим полем. Поскольку масса иона мала, а заряд он может получить значительный, ионы вылетают из двигателя со скоростями до 210 км/с. Химические двигатели могут достичь… нет, ни чего-то подобного, а всего лишь в двадцать раз меньшей скорости истечения продуктов сгорания лишь в исключительных случаях. Соответственно, расход газа в сравнении с расходом химического топлива крайне мал.

В 2014 году ионные двигатели справляют полувековой юбилей в космосе. Всё это время проблему эрозии не удавалось решить даже в первом приближении. (Здесь и ниже илл. NASA, Wikimedia Commons.)

Как и всё хорошее, ИД любит, чтобы его питали: на один ньютон тяги нужно до 25 кВт энергии. Представим, что нам поручили запустить 100-тонный космический корабль к Плутону (вы уж простите нас за мечтательность!). В идеале даже для Юпитера нам потребуется 1 000 ньютонов тяги и 10 месяцев, а до Нептуна на той же тяге — полтора года. В общем, давайте про Плутоны всё-таки не будем, а то грустно как-то…

Ну а чтобы получить эти пока умозрительные 1 000 ньютонов, нам потребуется 25 мегаватт. В принципе, ничего технически невозможного — 100-тонный корабль мог бы принять атомный реактор. Кстати, в настоящее время НАСА и Министерство энергетики США работают над проектом Fission Surface Power. Правда, речь идёт о базах на Луне и Марсе, а не о кораблях. Но масса реактора не так уж высока — всего пять тонн, при размерах в 3×3×7 м…

Ну ладно, помечтали и хватит, скажете вы, и тут же вспомните частушку, якобы придуманную Львом Толстым во время Крымской войны. В конце концов, такой большой поток ионов, проходящий через двигатель (а это ключевое препятствие), вызовет его эрозию, и значительно быстрее, чем за десять месяцев или полтора года. Причём это не проблема выбора конструкционного материала — благо разрушаться в таких условиях будут и титан, и алмаз, — а неотъемлемая часть конструкции ионного двигателя per se.

Так вот, исследователи из Лаборатории реактивного движения НАСА считают, что как минимум частично покончили с этой проблемой.

При большой тяге ионы в двигателе врезаются в анод, что ведёт к анодному разбрызгиванию. Чем выше тяга двигателя и скорость ионов, тем быстрее, следовательно, будет эродировать анод.

Стенки из нитрида бора — самое уязвимое место ионного двигателя, однако магнитное поле смогло повысить их предельный ресурс в 500–1 000 раз.

Они попробовали изолировать стенки анода (на базе нитрида бора) от положительных ионов магнитным полем. А линии такого магнитного поля были параллельны поверхности стенок, и по ним заряженные частицы уносились прочь, не трогая стенок. Решение, при всей его очевидности, оказалось довольно эффективным: скорость эрозии упала в 500–1 000 раз. Испытания проводились на ИД, основанном на эффекте Холла и потребляет значительное количество электроэнергии — около 25КВатт на создание силы тяги в 1 ньютон…

Разумеется, это не конец всех проблем. При дальнейшем масштабировании ИД энергия ионов может оказаться такой, что на защитное магнитное поле либо не хватит располагаемой электрической мощности, либо даже при её наличии обеспечить защиту от ионов полностью не получится. И всё же это решительный шаг вперёд — такое замедление эрозии делает принципиально возможной отправку даже весьма тяжёлого корабля к относительно удалённым объектам Солнечной системы.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Applied Physics Letters .

А вы в курсе что в России активно работает над ядерным двигателем для ракет или например о том, что скоро может появится Первый автомобиль с ядерным двигателем

Эффект Холла подруливающее устройство , иногда называют как стационарного плазменного двигателя (SPT) или стационарного плазменного двигателя , представляет собой тип плазменного двигателя (обычно в форме кольца) , который использует электрическое поле для ускорения ионов . Говорят, что это эффект Холла, потому что он использует магнитное поле для захвата электронов, которые используются для ионизации газа. Затем эти ионы ускоряются и создают тягу . Он относится к категории электрических двигателей для космических систем .

В этих типах топлива могут использоваться разные газы. Из них наиболее часто используется ксенон . Другие газы включают криптон , висмут , аргон , йод , магний и цинк .

Эти машины способны ускорять газ со скоростью от 10 км / с и 80 км / с . Большинство моделей имеют скорость от 15 до 30 км / с для удельных импульсов от 1000 до 8000 секунд и от 1500 до 3000 секунд соответственно. Тяги , которые могут быть получены с помощью эффекта Холла двигателей варьируется в зависимости от электрической мощности , подаваемой к ним, например, мощность 1,35 кВт (кВт) при 10 кВт производит скорость в 10 км / сек в 50 км / с , что эквивалентно сила от 40 до 600 миллиньютонов (мН). Некоторые модели высокой мощности излучают в лаборатории силу более 5,4 Ньютона. Кроме того, были продемонстрированы подруливающие устройства мощностью более 100 кВт с ксеноновым типом.

Цвет, возникающий в результате возбуждения атомов на выходе из пропеллента, зависит от используемого газа. Так, например, модель с ксеноном дает голубоватый оттенок.

Такие двигатели используются в основном для управления ориентацией и положением орбитальных спутников, а также в качестве основного двигателя для космических роботов среднего размера.

Резюме

История

Применение электрической тяги было впервые предложено в 1906 году Р. Х. Годдардом . Первые исследования были проведены в 1960-х годах в СССР и США .

Основные разработки и оптимизации функционального устройства были выполнены российскими исследовательскими группами во главе с Алексеем И. Морозовым в 1970-х годах, что привело к созданию двух различных моделей:

Двигатель с большой зоной разгона, SPT ( русский : СПД, стационарный плазменный двигатель , английский : SPT, Stationary Plasma Thruster ), разработанный ОКБ Факел.
Узкозонный двигатель малой тяги, TAL ( русский : ДАС, двигатель с анодным слоем , английский : TAL , двигатель с анодным слоем ) разработан в Центральном научно-исследовательском институте машиностроения (ЦНИИМАШ).

Модель СПТ в значительной степени была разработана Морозовым. С этого времени СССР начал оснащать ими некоторые спутники , где они в основном использовались для стабилизации последних в направлениях север-юг и восток-запад.

Первой системой СПД, работавшей в космосе, был СПД-50 на борту спутника Метеор, запущенного в декабрь 1971 г. . С этого момента и до 1990-х годов выполнили свою задачу 118 двигателей СПТ, около пятидесяти из них все еще находятся в эксплуатации. Двигатели первого поколения, СПТ-50 и СПТ-60, создавали тягу 20 и 30 мН соответственно. В 1972 году были представлены СПТ-70 и СПТ-100, их движущая сила составляла 40 и 83 мН . России бывший Советский Союз разработал TPS-140, TPS-160, TPS-200, T-160 и HFA-35 (с меньшей мощностью, то есть менее 500 Вт ).

Российские и советские двигатели типа ТАЛ включали Д-38, Д-55, Д-80 и Д-100. Более 200 таких машин было запущено с российскими / советскими спутниками за последние 30 лет [ исх. желаемый] . На орбите сбоев не произошло [ исх. желаемый] . Эти устройства до сих пор используются российскими космическими подразделениями, а также летали с европейскими и американскими машинами.

Топливо, произведенное в Советском Союзе, использовалось на Западе в 1992 году после того, как группа специалистов по электродвигателям из Лаборатории реактивного движения , Исследовательского центра Гленна и Исследовательской лаборатории ВВС при поддержке Организации противоракетной обороны Организация противоракетной обороны посетила российские лаборатории и провела эксперименты. оценил СПТ-100 (подруливающее устройство диаметром 100 мм ).

С момента своего появления на Западе в 1990-х годах эти реакторы были предметом обширных исследований правительственных учреждений, а также частных предприятий, таких как Aerojet и Busek (en) ) в США и Snecma во Франции. И в Италии . В Турции , TÜBİTAK Космические технологии Научно - исследовательский институт (еп) недавно разработал прототип подруливающего Hall.

Европейское космическое агентство использовало один из этих реакторов во время Smart-1 лунной миссии в 2003 году.

Первым ракетным топливом American Hall является летательный аппарат Busek BHT-200, установленный на демонстрационной космической установке TACSAT-2 (в) . Первым, кто выполнил реальную операцию, был Aerojet BPT-4000, установленный на военном геостационарном спутнике Advanced Extremely High Frequency, запущенном в август 2010 г. . BPT-4000 с его мощностью 4,5 кВт является самым мощным летательным аппаратом этого типа, когда-либо летавшим в космос. Этот реактор, помимо заботы о стабилизации машины, может изменять орбиту корабля.

С момента первого запуска в 1971 году более 240 из этих реакторов отправились в космос.

Принцип действия

Геометрическое описание

ППП состоит из двух цилиндров в керамическом вложенных друг в друге около 10 см в диаметре . Внутри внутреннего цилиндра и снаружи внешнего цилиндра находятся обмотки . Они используются для создания интенсивного радиального магнитного поля в области выхода двигателя малой тяги. Внизу внутрицилиндрического пространства находится анод, на котором расположена система впрыска газа. Полый катод расположен на внешней стороне цилиндра. Центральная точка образует один из полюсов электромагнита, окруженный кольцевым пространством, затем внешней частью электромагнита.

Физика

Фотографии мощного двигателя на эффекте Холла NASA-457M, мощностью 50 кВт с максимальной тягой 2,3 Н для силы примерно 76,4 мН / кВт.

Принцип действия двигателей на эффекте Холла заключается в использовании электростатического потенциала для ускорения ионов до очень высоких скоростей. В этих реакторах притягивающие заряды (отрицательно заряженные) поставляются электронной плазмой во внешнем отверстии реактора. Радиальное магнитное поле приблизительно от 100 до 300 гаусс (0,01-0,03 Тл ) используется для ограничения электронов, где комбинация радиального магнитного и аксиального электрических полей приводит к тому, что электроны движутся в соответствии с током Холла. , Где название устройства происходит от.

Между анодом и катодом приложен электрический потенциал от 150 до 800 вольт . Затем пропеллент, такой как ксенон, впрыскивается через анод (обычно в количестве 5 мг / с ), состоящий из перфорированной сетки, поддерживаемой под высоким напряжением и действующей как газораспределитель. Ксенон обычно выбирают, потому что он представляет собой хороший компромисс между большой атомной массой и низкой энергией ионизации (~ 12 эВ ). Когда атомы пороха циркулируют в камере пороха, они ионизируются свободными электронами высоких энергий (от 10 до 40 эВ или 10% энергии разряда). При ионизации атомы несут заряд +1, однако примерно 20% будут иметь заряд +2.

Затем ионы ускоряются электрическим полем между анодом и катодом. Например, при напряжении 300 В ионы достигают скорости около 15 км / с за удельный импульс 1500 секунд. На выходе из двигателя ионы нейтрализуются катодом, который отбрасывает электроны в равных количествах, создавая плазму с нулевым зарядом.

Радиальное магнитное поле специально откалибровано для сильного отклонения электронов, которые имеют малую массу, но не для более тяжелых ионов, которые имеют больший ларморовский радиус и поэтому их сложнее отклонить. Большинство электронов удерживаются на орбите в области радиального магнитного поля, близкой к выходной плоскости двигателя малой тяги, захваченные силой Лоренца :

Во время своего путешествия между стенками электроны сталкиваются с атомами газа. С другой стороны, толчки стенок приведут к различным явлениям (в зависимости от энергии электрона), таким как вторичная электронная эмиссия . Около 20-30% разрядного тока используется для формирования электронного тока, который не вызывает скачков напряжения, тем самым ограничивая энергоэффективность системы. Остальные 70–80% используются для ионного движения. Из-за захвата электронов током Холла они остаются в канале двигателя в течение некоторого времени, дольше, чем ионы, и это позволяет им ионизировать почти все атомы ракетного топлива с общим КПД 90-99% по массе. использовать. Например, топливо с массовым КПД 90% в сочетании с энергоэффективностью 70% образует реактор с общим КПД 63% (90% × 70%). Самые современные светильники достигают эффективности 75% в самых передовых конструкциях.

По сравнению с ракетами с химическим двигателем , тяга очень мала, порядка 83 мН для устройства, работающего от 300 В и мощности 1,5 кВт. Для сравнения, вес монеты, такой как 20 евроцентов, составляет примерно 60 мН. Однако реакторы этого типа работают при высоком удельном импульсе (> 1000 с ), типичном для электрических двигателей малой тяги.

Преимущество двигателей с эффектом Холла перед двигателями с затворными ионами состоит в том, что ускорение ионов происходит в почти нейтральной плазме, что предотвращает образование электронного облака , которое препятствует прохождению электронного тока, что снижает эффективность двигателя малой тяги. Это позволяет использовать конструкцию меньшего размера, чем ее сетчатый аналог. Другое преимущество состоит в том, что в этих реакторах можно использовать различные типы пропеллентов на аноде, даже кислород, если на катоде присутствует легко ионизируемое вещество, чтобы уравновесить заряды на выходе из реактора (5% от введенного количества).

Катушки, составляющие двигатель малой тяги, служат для создания радиального магнитного поля, которое постепенно увеличивается по мере удаления от анода, достигает своего максимума на выходе из двигателя малой тяги и затем уменьшается снаружи. Кроме того, благодаря конфигурации катушек в соответствии с типами двигателей, магнитное поле имеет переменную продольную составляющую, но всегда не нулевую. Последняя по-прежнему намного ниже радиальной составляющей. Это продольное поле, даже слабое, вызывает деформацию силовых линий магнитного поля, в частности на уровне выходной плоскости. Эти деформации приводят к созданию своего рода магнитной линзы, которая заставляет пучок ионов расходиться. Это явление ухудшает общие характеристики двигателя малой тяги. Он имеет два эффекта:

Текущие приложения и исследования

Двигатели на эффекте Холла обладают малой тягой (несколько сотен мН ). В основном они используются для:

поддержание спутника на орбите;
орбитальные перелеты;
двигательная установка космического зонда.

В качестве порядка для основных задач , требуемых для двигателя малой тяги в течение своей жизни, коррекция орбиты геостационарного спутника требует дифференциала скорости 15 м / с в год, в то время как контроль Север-Юг и Восток-Запад спрос между 50 - 150 м / с в год. Что касается перехода на орбиту, то он требует более 1500 м / с в год. Δ v >

В системе солнечной электрической тяги (в) спутника SMART-1 , построенной Европейским космическим агентством , использовалось топливо Snecma PPS-1350 -G. Smart-1 был миссией по демонстрации технологий, совершавшей оборот вокруг Луны. Это использование PPS-1350-G, которое началось 28 сентября 2003 г. , был первым использованием двигателя Холла за пределами геостационарной орбиты . По сравнению с аналогами, используемыми в коммерческих целях, подруливающее устройство Smart-1 могло регулировать его мощность, удельный импульс и тягу.

Мощность нагнетания: 0,46 - 1,19 кВт
удельный импульс: 1100–1600 с
Тяга: 30-70 мН

Производная от этого двигателя, PPS 1350-E, создавала на 50% большую тягу при работе с теми же механическими интерфейсами.

В настоящее время ведутся исследования этого типа двигателя. Во Франции они выполняются в основном ONERA , CNRS , Лабораторией физики плазмы и CNES . В основном они нацелены на оптимизацию технологий, в частности, на повышение эффективности. Такое исследование через понимание физических внутренние ( явления переноса из частиц , физика плазмы ) с численным моделированием и экспериментами боксировать пустыми .

Цилиндрическое подруливающее устройство

Несмотря на то, что кольцевые подруливающие устройства имеют эффективный режим мощности, они становятся неэффективными при уменьшении до небольших размеров. Частично проблема заключается в повышенной напряженности магнитного поля, которое необходимо приложить к суженному каналу, чтобы производительность устройства оставалась постоянной. Идея заключалась в том, чтобы создать реактор на эффекте Холла, который мог бы работать при мощности от 100 Вт до 1 кВт при сохранении эффективности 45-55%.

Оттуда появился цилиндрический двигатель малой тяги, который благодаря нестандартной форме разрядной камеры и профилю создаваемого магнитного поля может быть адаптирован в небольших масштабах.

Читайте также: