Ионный двигатель - принцип работы, история и перспективы. Реактивная тяга или как устроен ионный реактивный двигатель

Основная проблема в освоении космических просторов - крайне низкие скорости у разработанных человечеством летательных аппаратов. Современные разработки имеют также и огромный расход топлива. Таким образом, если построить ракету и запустить ее, например, на Марс и обратно, то корабль будет просто огромный. И большую его часть будет занимать именно топливо. Приблизительно для высадки на Марс нужно более миллиарда тонн высококачественного ракетного топлива. К счастью, такая современная разработка ученых, как ионный двигатель, сможет в недалеком будущем решить эту проблему. Теоретически с его помощью можно разгоняться до двухсот километров за секунду. Основными плюсами можно назвать именно огромные развиваемые скорости и маленький запас горючего. Для работы такого агрегата, как ионный двигатель, нужны лишь электричество и инертный газ. Однако есть у него и некоторые недостатки, например, слабая разгонная скорость. Это заставляет задуматься о многих проблемах применения двигателя в условиях присутствия гравитационных полей.

Ионный двигатель: принцип действия

Благодаря высокому напряжению ионизируется газ в специальной камере. Вследствие этого ионы газа начинают выбрасываться прочь из камеры и создавать тягу. Однако, так как это цепная реакция, и сила тяги увеличивается очень медленно и постепенно, понадобится приблизительно полгода, чтобы разогнаться до двухсот километров в секунду. Примерно такое же количество времени уйдет и на торможение. С другой стороны, объективно эти цифры очень малы в сравнении с показателями у современных космических двигателей, которым на достижение подобных по качеству результатов необходимо было бы затратить в двадцать раз больше времени. Более того, инертный газ занимает в сотни раз меньше места, чем топливо у ракет. Единственная проблема, которую сложно решить - это наличие электричества. Солнечных батарей просто не хватит для работы таких приборов, как ионные двигатели, поэтому вероятно применение ядерного реактора.

Еще одним недостатком можно считать низкую маневренность. Также основным вопросом стоит проблема с гравитацией. Находясь в пределах поля Земли, двигатель просто не будет работать. С другой стороны, в условиях открытого космоса аналогов такого устройства, как ионный двигатель, пока нет.

Немного истории и перспективы

В фантастической литературе подобные приборы встречались довольно часто. Однако только в 1960 году был создан ионный двигатель своими руками (а точнее, руками научных сотрудников НАСА). Он назывался широко-лучевым электростатическим устройством. Уже в начале семидесятых прошли испытание ртутные электростатические двигатели в условиях открытого космоса.

К концу семидесятых генераторы на основе эффекта Холла использовали в Советском Союзе. В качестве именно основного двигателя ионный был применен на американском космическом аппарате в 1998 году. За ним последовали европейский зонд, японский космический корабль в 2003 году. На сегодняшний день НАСА разрабатывает знаменитый проект под названием «Прометей». Для него конструируют супермощный ионный двигатель, который питается от ядерного реактора.

Космические двигатели будущего

Создание ионного двигателя

Мы продоожаем рассказывать про виды двигателей .

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.

И в этом то и состоит основная проблема современной космонавтики. Выбросить на орбиту корабль с запасом топлива до луны еще можно, под эту теорию строятся планы создать на луне базу дозаправки «дальнобойных» космических кораблей, летящих например на Марс. Но это все слишком сложно.

А решение проблемы было создано очень давно, еще в 1955 году, когда Алексей Иванович Морозов опубликовал статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». В ней он описывал концепцию принципиально нового космического двигателя.

Устройство ионно плазменного двигателя

Принцип действия плазменного двигателя состоит в том, что рабочим телом выступает не сгорающее топливо, как в , 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:

В ионизатор подается 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 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:

Во первых чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным, а во вторых чтобы ионы «нейтрализованные» таким образом не притягивались обратно к кораблю.

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-200 может 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.

Во втором случае, в условиях космоса и его низких температур более интересно выглядит проект корабля с термоядерным реактором на борту, но пока НАСА разрабатывает только ядерный реактор.

Эти исследования проходят в рамках проекта Prometheus. В планах НАСА запустить в солнечную систему ядерный зонд, оснащенный мощными ионными двигателями, питающимися от бортового ядерного реактора.

Напоследок видео испытаний ионного двигателя VX-200.

Группа изобретений относится к ионному двигателю (ИД) для космического аппарата и способу его эксплуатации. ИД (1) включает в себя ионизационную камеру (2) с высокочастотным генератором (4) ионизирующего электромагнитного поля. Система (7) ускорения носителей заряда имеет экранирующую (8) и ускоряющую (9) решетки. ИД снабжен нейтрализатором (14). Высокие напряжения для системы (7) и, возможно, нейтрализатора (14) получают с помощью первого средства (12), которое отбирает эти напряжения из цепи генератора (4). Высокочастотная мощность может отбираться посредством конденсаторов или катушек. Могут быть предусмотрены средства (22) и (23) для выпрямления и сглаживания напряжений. Техническим результатом группы изобретений является создание конструктивно более простого и недорогого ионного двигателя, эксплуатация которого обеспечивает надежность и минимальные затраты на управление. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к ионному двигателю для космического аппарата, включающему в себя высокочастотный генератор для создания переменного электромагнитного поля, используемого для ионизации топлива, и подходящую систему для ускорения ионов.

Для космических полетов во все возрастающем объеме используются электрические двигательные установки для того, чтобы обеспечивать тягу спутникам или космическим зондам после их отделения от ракеты-носителя. Специально для коррекции орбиты геостационарных спутников связи (так называемое удержание на орбите) используются электрические двигательные установки. Для этого применяются, прежде всего, ионные двигательные установки и плазменные двигательные установки SPT. Оба типа производят тягу при выбросе ускоренных ионов. Для предотвращения зарядки спутника выбрасываемый ионной поток нейтрализируется. Обычно необходимые для этого электроны обеспечиваются отдельным источником электронов и посредством плазменной связи вводятся в ионный поток.

В ионных двигательных установках с радиочастотной ионизацией (Radio Frequency Ion Thruster, RIT) топливо ионизируется посредством переменного электромагнитного поля и затем ускоряется электростатическим полем для создания тяги. После прохождения нейтрализатора, который снова добавляет электроны в ионный луч и компенсирует созданный положительный пространственный заряд, частицы выбрасываются в форме луча. Для работы такого ионного двигателя требуются подача газа, высокочастотный генератор для создания переменного электромагнитного поля, а также источники высокого напряжения для создания поля, ускоряющего носители заряда. В обычных решетчатых системах для создания электростатического поля для ускорения ионов необходимо координировать напряжения высоковольтного генератора и системы решеток для создания тяги. Для нейтрализатора для нейтрализации положительного ионного луча посредством электронов из источника электронов также необходим по меньшей мере один источник напряжения.

Ионный двигатель отличается простой конструкцией и высокой надежностью. Однако электронные компоненты, необходимые для электропитания описанных конструктивных узлов, являются сложными и дорогостоящими.

Поэтому задачей данного изобретения является разработка ионного двигателя для космического аппарата, прежде всего двигательной установки RIT, которая была бы конструктивно проще и дешевле в изготовлении. Далее, задачей данного изобретения является разработка способа эксплуатации ионного двигателя, прежде всего двигательной установки RIT, с помощью которого можно повысить эксплуатационную надежность и минимизировать затраты на управление.

Данная задача решена посредством ионного двигателя, охарактеризованного в п.1 формулы, и соответствующего способа эксплуатации ионного двигателя. Преимущественные конструктивные выполнения следуют из зависимых пунктов.

Объектом изобретения является ионный двигатель для космического аппарата, включающий в себя высокочастотный генератор для создания переменного электромагнитного поля, используемого для ионизации топлива, прежде всего газа, и подходящую систему ускорения полученных носителей заряда. Изобретение отличается тем, что ионный двигатель включает в себя первое средство, обеспечивающее получение высоких напряжений, необходимых для системы ускорения носителей заряда, из токов и/или напряжений, вырабатываемых высокочастотным генератором для создания переменного электромагнитного поля.

Предлагаемый в изобретении ионный двигатель представляет собой ионную двигательную установку с высокочастотной, прежде всего радиочастотной, ионизацией (Radio Frequency Ion Thruster, RIT). В качестве топлива, прежде всего, используется газ, например ксенон. Ионный двигатель согласно изобретению имеет преимущество в том, что посредством упрощения системы электропитания можно уменьшить массу ионного двигателя по сравнению с обычными ионными двигателями. Одновременно повышается эксплуатационная надежность и минимизируются затраты на управление.

В одном конструктивном выполнении система ускорения носителей заряда содержит первую решетку, прежде всего экранирующую решетку, и по меньшей мере одну вторую решетку, прежде всего решетку ускорения. Если решетчатая система имеет больше, чем названные две решетки, то необходимое для дополнительных решеток высокое напряжение с помощью первого средства получают из вырабатываемых высокочастотным генератором токов и/или напряжений.

В первом конструктивном выполнении первое средство для отбора части вырабатываемой высокочастотным генератором мощности включает в себя по меньшей мере один соединенный с высокочастотным генератором конденсатор.

В альтернативном варианте конструктивного выполнения первое средство для отбора части вырабатываемой высокочастотным генератором мощности включает в себя по меньшей мере одну соединенную с высокочастотным генератором катушку связи, на катушечных выводах которой обеспечены необходимые для системы ускорения, в частности решетчатой системы, напряжения. В частности, по меньшей мере одна катушка связи выполнена в виде вторичной обмотки трансформатора, которая связана с катушкой высокочастотного генератора как первичной обмоткой трансформатора.

Выполненный с возможностью интеграции в высокочастотную систему высоковольтный трансформатор обеспечивает на своем выходе напряжения для ускорительной системы. Также может быть предусмотрено, что по меньшей мере одна катушка связи имеет отвод или несколько отводов, гальванически развязанный(-ых) от катушки высокочастотного генератора.

Факультативно, может быть предусмотрено второе средство для выпрямления напряжений, отбираемых от высокочастотного генератора для системы ускорения (решетчатой системы). Прежде всего, предусмотрено выпрямление напряжений для ускорительной системы ионного двигателя, источников ионов, нейтрализаторов или источников электронов.

Далее может оказаться целесообразным предусмотреть третье средство для сглаживания выпрямленных напряжений для ускорительной системы. Система сглаживания может быть выполнена посредством контура из катушек (L), и/или конденсаторов (С), и/или резисторов (R). Прежде всего, для сглаживания могут быть предусмотрены LC-, L-, С- или RLC-контуры. Помимо этого, контур из катушек, и/или конденсаторов, и/или резисторов также предназначен для того, чтобы оптимизировать положение по фазе системы ускорения. В радиочастотной ионной двигательной установке положение по фазе и напряжения следует, предпочтительно, настроить таким образом, чтобы средний ионный поток соответствовал среднему электронному потоку. Последнее, как уже разъяснено в начале, также может обеспечиваться отдельным нейтрализатором.

Для надлежащей эксплуатации ионного двигателя соответствующие компоненты должны обеспечиваться соответствующим напряжением питания. Установка соотношения напряжений между соответствующими напряжениями решетчатой системы и напряжением высокочастотного генератора в соответствии с одним конструктивным выполнением происходит посредством высоковольтного каскада, включающего в себя несколько конденсаторов и диодов, и/или посредством отношения количества витков катушки высокочастотного генератора к количеству витков катушки связи. Посредством высоковольтного каскада можно увеличить создаваемое высокочастотным генератором напряжение. Подобная каскадная схема также известна под термином "генератор подкачки заряда".

Согласно следующему предпочтительному выполнению предусмотрен по меньшей мере один управляемый выключатель между высокочастотным генератором и системой ускорения для управления во времени потоком носителей заряда. По меньшей мере один управляемый выключатель может быть выполнен как механический, так и электронный выключатель. Прежде всего, могут быть предусмотрены полупроводниковые коммутаторы.

В следующем выполнении предусмотрено четвертное средство для перемены полярности напряжений на решетчатой системе для экстракции и ускорения ионов и электронов. В данном выполнении можно отказаться от использования, включенного за первым средством выпрямителя, так как полярность на компонентах системы ускорения изменяется относительно друг друга и производится попеременная выработка электронов и ионов. Целесообразно выбирать напряжения на системе ускорения таким образом, чтобы поток ионов предпочтительно был эквивалентен потоку электронов. На фазировку компонентов системы ускорения, как уже разъяснялось, можно воздействовать посредством подходящих RCL-контуров. Дополнительное преимущество данного выполнения состоит в том, что можно отказаться от отдельного нейтрализатора, благодаря чему получается дополнительное упрощение ионного двигателя.

В альтернативном выполнении ионный двигатель имеет один нейтрализатор, при этом необходимое для его работы напряжение отбирается от вырабатываемых высокочастотным генератором токов и/или напряжений для создания переменного электромагнитного поля и, прежде всего, обеспечивается первым средством. Ионный двигатель согласно изобретению в данном выполнении обеспечивает отсутствие отдельного источника напряжения для работы нейтрализатора. Благодаря этому создается уже разъясненная упрощенная конструкция при сниженной массе ионной двигательной установки.

Также объектом изобретения является способ эксплуатации ионного двигателя для космического аппарата, который включает в себя высокочастотный генератор для создания переменного электромагнитного поля, используемого для ионизации топлива, и решетчатую систему с подходящей системой ускорения носителей заряда. Согласно изобретению необходимые для системы ускорения носителей заряда высокие напряжения получают из токов и/или напряжений, вырабатываемых высокочастотным генератором для создания переменного электромагнитного поля. С этим связаны те же самые преимущества, какие были разъяснены выше в связи с соответствующим изобретению ионным двигателем.

Единственная фигура отображает схематический вид поперечного сечения ионного двигателя согласно изобретению.

Ионный двигатель 1 имеет разрядную камеру 2 (ионизатор). Через непоказанный клапан на впускном отверстии 3 в разрядную камеру 2 для ионизации может подаваться топливо, например ксенон газ. Намотанная вокруг разрядной камеры 2 катушка 5 вместе с высокочастотным генератором 4 для создания переменного электромагнитного поля выполнена внутри разрядной камеры 2 для ионизации топлива. На противолежащем входному отверстию 3 конце разрядной камеры 2 предусмотрено выпускное отверстие 6. К выпускному отверстию 6 примыкает решетчатая система 7, которая в качестве первой решетки 8 имеет экранирующую решетку (якорь границы плазмы), а в качестве второй решетки 9 имеет решетку ускорения. Для работы решетчатой системы 7 первая решетка 8 требует положительного, а вторая решетка 9 - отрицательного высокого напряжения. Положительное напряжение питания снимается с потенциальной клеммы 10 для первой решетки 8, а отрицательное высокое напряжение - с потенциальной клеммы 11 для второй решетки 9.

Показанный на примере выполнения ионный двигатель 1 известным способом имеет нейтрализатор 14. Последний включает в себя камеру 15, через входное отверстие 17 которой в камеру 15 вводится газ, например ксенон. Камера 15 охватывается электродами 16a, 16b так, что на выходном отверстии 18 камеры 15 можно создать эквивалентный ионному пучку 19 пучок 24 электронов для нейтрализации ионного пучка 19. На потенциальные клеммы 25а, 25b электродов 16a, 16b нейтрализатора подается высокое напряжение для питания нейтрализатора.

Путем изменения полярности на решетчатой системе 7 ионного двигателя 1 вместо ионов из разрядной камеры 2 также можно извлекать электроны и ускорять их посредством решетчатой системы 7. Путем соответствующего выбора времени экстракции ионов и электронов и/или значения напряжений на потенциальных контактах 10, 11 для обеих фаз извлечения можно установить эквивалентный ионному потоку поток электронов. В этом случае можно отказаться от нейтрализатора 14.

Таким образом, ионный двигатель 1 известным способом включает в себя три функциональные зоны: зону 50 для выработки ионов, зону 52 для ускорения ионов и факультативную зону 54 для нейтрализации ионного луча.

Выработка необходимых для работы ионного двигателя высоких напряжений для решетки 7 и факультативного нейтрализатора 14 происходит не собственными источниками напряжения питания, а посредством первого средства 12, с помощью которого из вырабатываемых высокочастотным генератором 4 токов и/или напряжений получают высокие напряжения, необходимые для решетчатой системы 7 и факультативного нейтрализатора. На фигуре получение соответствующих высоких напряжений символизируется связью (стрелка 13) между высокочастотным генератором 4 и первым средством 12.

Получение высоких напряжений и обеспечение их наличия на потенциальных клеммах 10, 11 и факультативных 25а, 25b может происходить, например, таким образом, что часть высокочастотной мощности отбирается посредством конденсаторов (не показано) от соединенной с высокочастотным генератором 4 катушки 5. В таком выполнении приложенное к конденсаторам напряжение посредством второго средства выпрямляется выпрямителем 22 и, факультативно, сглаживается с помощью третьего средства 23. Если необходимое для решеток 8, 9 решетчатой системы 7 напряжение выше, чем отбираемое из высокочастотной цепи напряжение, то в первом средстве 12 может быть предусмотрена каскадная схема, включающая в себя конденсаторы и диоды, которая повышает напряжение до необходимого значения. Соответствующая схема также может быть предусмотрена для электродов 16a, 16b нейтрализатора.

Альтернативно, необходимые для работы решетчатой системы 7 и факультативного нейтрализатора 14 напряжения могут быть обеспечены посредством по меньшей мере одной катушки связи (не показано), с отводов которой снимают необходимые для решетчатой системы напряжения. В одном варианте, например, в высокочастотную систему может быть интегрирован высоковольтный трансформатор, так что на его выходе имеются необходимые для решетчатой системы напряжения. Точно также непосредственно в разрядной камере 2 могут быть размещены одна или несколько катушек связи (не показаны), имеющие один или несколько отводов. Катушка или катушки связи могут быть выполнены таким образом, что они имеют гальваническую развязку с катушкой 5 для ионизации топлива. Предпочтительно катушка или катушки связи размещаются таким образом, что обеспечивается хорошая связь катушки 5 и катушки или катушек для решетчатой системы 7 или факультативным нейтрализатором 14.

Другие вышеописанные средства 22 и 23 для выпрямления и сглаживания напряжений также могут быть предусмотрены при наличии катушек связи. Во всяком случае, при отборе мощности с помощью катушек возможно дальнейшее упрощение приводной системы, так как также можно отказаться и от последующего выпрямления. В этом случае полярность решеток 8, 9 решетчатой системы изменяется друг относительно друга, так что электроны и ионы вырабатываются попеременно. При этом напряжения на решетках 8, 9 следует выбирать таким образом, чтобы, предпочтительно, поток ионов был эквивалентен потоку электронов. При определенных обстоятельствах, необходимо согласование фазировки на якоре границы плазмы 8 и на решетке 9 ускорения, на которую можно воздействовать посредством подходящих схем RCL (не показано).

В общем случае, средства 22 и 23 для выпрямления и сглаживания в ионном двигателе, который работает без нейтрализатора 14, могут отсутствовать. В таком двигателе посредством измерения полярности напряжений на решетках 8, 9 из разрядной камеры 2 извлекаются и ускоряются как электроны, так и ионы. Каскады LC, L, С или RLC могут использоваться для того, чтобы оптимизировать фазировку на решетках 8, 9. Предпочтительно фазировку и напряжения следует регулировать таким образом, чтобы средний ионный поток соответствовал среднему электронному потоку.

В средстве 12 для обеспечения напряжения схематически показаны два выключателя 20, 21, которые могут быть выполнены в виде механических или электронных коммутаторов. Выключатели 20, 21 предназначены для того, чтобы поддерживать экранирующую решетку 8 и/или решетку 9 ускорения в обесточенном состоянии, даже если топливо в разрядной камере 2 ионизируется. При необходимости, для всех решеток решетчатой системы 7 может быть предусмотрен единственный выключатель.

С ростом высокочастотной мощности также растут и напряжения на потенциальных клеммах 10, 11 решеток 8, 9. Это является ионооптически благоприятным, так как повышающееся вместе с увеличенной высокочастотной мощностью увеличение плотности плазмы также требует более высокого напряжения эмиссии.

Предлагаемый в изобретении ионный двигатель имеет преимущество в том, что можно значительно упростить систему электропитания. За счет этого возможна экономия массы. Кроме того, повышается эксплуатационная надежность и минимизируются затраты на управление. Далее, можно реализовать двигатель без отдельного нейтрализатора. Это обеспечивается с помощью средства обеспечения напряжения питания, с помощью которого являются отбираемыми необходимые высокие напряжения из вырабатываемых высокочастотным генератором токов и/или напряжений. Прежде всего, можно обеспечить подачу напряжений питания для решеток высокочастотных ионных двигательных установок, высокочастотных источников ионов, высокочастотных нейтрализаторов или высокочастотных источников электронов.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

1 Ионный двигатель

2 Разрядная камера

3 Впускное отверстие

4 Высокочастотный генератор

5 Катушка высокочастотного генератора

6 Выпускное отверстие

7 Решетчатая система

8 Экранирующая решетка/якорь границы плазмы (первая решетка)

9 Решетка ускорения (вторая решетка)

10 Потенциальная клемма для первой решетки 8

11 Потенциальная клемма для второй решетки 9

12 Средство обеспечения подачи напряжения питания

13 Связь (схематично)

14 Нейтрализатор

16а, 16b Электрод

17 Впускное отверстие

18 Выпускное отверстие

19 Ионный поток

20 Выключатель

21 Выключатель

22 Средство выпрямления

23 Средство сглаживания

24 Электронный поток

25а, 25b Потенциальная клемма

50 Выработка ионов

52 Ускорение ионов

54 Нейтрализация ионного потока

1. Ионный двигатель (1) для космического аппарата, включающий в себя высокочастотный генератор (4) для создания переменного электромагнитного поля, используемого для ионизации топлива, подходящую систему (7) ускорения носителей заряда для создания электростатического поля и первое средство, обеспечивающее получение высоких напряжений, необходимых для системы (7) ускорения носителей заряда, из токов и/или напряжений, вырабатываемых высокочастотным генератором (4) для создания переменного электромагнитного поля, причем первое средство (12) для отбора части вырабатываемой высокочастотным генератором (4) мощности включает в себя по меньшей мере один конденсатор, связанный с высокочастотным генератором (4), или по меньшей мере одну соединенную с высокочастотным генератором (4) катушку связи, на катушечных выводах которой обеспечены необходимые для системы (7) ускорения высокие напряжения.

2. Ионный двигатель по п.1, в котором система ускорения носителей заряда содержит первую, в основном экранирующую решетку, и по меньшей мере одну вторую, в основном ускоряющую решетку.

3. Ионный двигатель по п.1, в котором по меньшей мере одна катушка связи выполнена в виде вторичной обмотки трансформатора, которая связана с катушкой высокочастотного генератора (4) как с первичной обмоткой трансформатора.

4. Ионный двигатель по п.1, в котором по меньшей мере одна катушка связи имеет отвод или несколько отводов, гальванически развязанных от катушки высокочастотного генератора (4).

5. Ионный двигатель по п.3, в котором по меньшей мере одна катушка связи имеет отвод или несколько отводов, гальванически развязанных от катушки высокочастотного генератора (4).

6. Ионный двигатель по п.1, в котором предусмотрено второе средство (22) для выпрямления напряжений, отбираемых от высокочастотного генератора (4) для системы (7) ускорения.

7. Ионный двигатель по п.6, в котором предусмотрено третье средство (23) для сглаживания выпрямленных напряжений для системы (7) ускорения.

8. Ионный двигатель по п.1, в котором установка соотношения между напряжениями системы (7) ускорения и напряжением высокочастотного генератора (4) происходит посредством высоковольтного каскада, включающего в себя несколько конденсаторов и диодов, и/или требуемым отношением количества витков катушки высокочастотного генератора (4) к количеству витков катушки связи.

9. Ионный двигатель по п.1, в котором для разделения напряжения питания предусмотрен по меньшей мере один управляемый выключатель (20, 21) между высокочастотным генератором (4) и системой (7) ускорения.

10. Ионный двигатель по п.7, в котором предусмотрено четвертое средство для изменения полярности напряжений на системе (7) ускорения для экстракции и ускорения ионов и электронов.

11. Ионный двигатель по п.1, в котором ионный двигатель (1) имеет отдельный нейтрализатор (14), питаемый напряжением, получаемым в основном с помощью первого средства (12), из токов и/или напряжений, вырабатываемых высокочастотным генератором (4) для создания переменного электромагнитного поля.

12. Способ эксплуатации ионного двигателя (1) для космического аппарата, включающего в себя высокочастотный генератор (4) для создания переменного электромагнитного поля, используемого для ионизации топлива, и решетчатую систему (7) с подходящей системой (8, 9) ускорения носителей заряда, характеризующийся тем, что необходимые для системы ускорения носителей заряда высокие напряжения получают из токов и/или напряжений, вырабатываемых высокочастотным генератором (4) для создания переменного электромагнитного поля, причем для отбора части вырабатываемой высокочастотным генератором (4) мощности используют по меньшей мере один конденсатор, связанный с высокочастотным генератором (4), или по меньшей мере одну соединенную с высокочастотным генератором (4) катушку связи, на катушечных выводах которой обеспечивают необходимые для системы (7) ускорения высокие напряжения.

Похожие патенты:

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.

Изобретение относится к реактивным средствам перемещения преимущественно в свободном космическом пространстве. Предлагаемое средство перемещения содержит корпус (1), полезную нагрузку (2), систему управления и не менее одной кольцевой системы сверхпроводящих фокусирующе-отклоняющих магнитов (3).

Изобретение относится к пучковым технологиям и может быть использовано для компенсации (нейтрализации) пространственного заряда пучка положительных ионов электроракетных двигателей, в частности, для применения в двигательных установках микро- и наноспутников.

Изобретение относится к области плазменных двигателей. Устройство содержит, по меньшей мере: один главный кольцевой канал (21) ионизации и ускорения, при этом кольцевой канал (21) имеет открытый конец, анод (26), находящийся внутри канала (21), катод (30), находящийся снаружи канала на его выходе, магнитную цепь (4) для создания магнитного поля в части кольцевого канала (21).

Изобретение относится к электроракетному двигателю с замкнутым дрейфом электронов. Электроракетный двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит основной кольцевой ионизационный и ускорительный канал, по меньшей мере, один полый катод, кольцеобразный анод, трубку с коллектором для питания анода ионизируемым газом, и магнитную цепь для создания магнитного поля в основном кольцевом канале.

Современные ракетные двигатели неплохо справляются с задачей выведения техники на орбиту, но совершенно непригодны для длительных космических путешествий. Поэтому уже не первый десяток лет ученые работают над созданием альтернативных космических двигателей, которые могли бы разгонять корабли до рекордных скоростей. Давайте рассмотрим семь основных идей из этой области.

EmDrive

Чтобы двигаться, надо от чего-то оттолкнуться – это правило считается одним из незыблемых столпов физики и космонавтики. От чего конкретно отталкиваться – от земли, воды, воздуха или реактивной струи газа, как в случае ракетных двигателей, – не так важно.

Хорошо известен мысленный эксперимент: представьте, что космонавт вышел в открытый космос, но трос, связывающий его с кораблем, неожиданно порвался и человек начинает медленно улетать прочь. Все, что у него есть, – это ящик с инструментами. Каковы его действия? Правильный ответ: ему нужно кидать инструменты в сторону от корабля. Согласно закону сохранения импульса, человека отбросит от инструмента ровно с той же силой, с какой и инструмент от человека, поэтому он постепенно будет перемещаться по направлению к кораблю. Это и есть реактивная тяга – единственный возможный способ двигаться в пустом космическом пространстве. Правда, EmDrive, как показывают эксперименты, имеет некоторые шансы это незыблемое утверждение опровергнуть.

Создатель этого двигателя – британский инженер Роджер Шаер, основавший собственную компанию Satellite Propulsion Research в 2001 году. Конструкция EmDrive весьма экстравагантна и представляет собой по форме металлическое ведро, запаянное с обоих концов. Внутри этого ведра расположен магнетрон, излучающий электромагнитные волны, – такой же, как в обычной микроволновке. И его оказывается достаточно, чтобы создавать очень маленькую, но вполне заметную тягу.

Сам автор объясняет работу своего двигателя через разность давления электромагнитного излучения в разных концах "ведра" – в узком конце оно меньше, чем в широком. Благодаря этому создается тяга, направленная в сторону узкого конца. Возможность такой работы двигателя не раз оспаривалась, но во всех экспериментах установка Шаера показывает наличие тяги в предполагаемом направлении.

В числе экспериментаторов, опробовавших "ведро" Шаера, такие организации, как NASA, Технический университет Дрездена и Китайская академия наук. Изобретение проверяли в самых разных условиях, в том числе и в вакууме, где оно показало наличие тяги в 20 микроньютонов.

Это очень мало относительно химических реактивных двигателей. Но, учитывая то, что двигатель Шаера может работать сколь угодно долго, так как не нуждается в запасе топлива (работу магнетрона могут обеспечивать солнечные батареи), потенциально он способен разгонять космические корабли до огромных скоростей, измеряемых в процентах от скорости света.

Чтобы полностью доказать работоспособность двигателя, необходимо провести еще множество измерений и избавиться от побочных эффектов, которые могут порождаться, к примеру, внешними магнитными полями. Однако уже выдвигаются и альтернативные возможные объяснения аномальной тяги двигателя Шаера, которая, в общем-то, нарушает привычные законы физики.

К примеру, выдвигаются версии, что двигатель может создавать тягу благодаря взаимодействию с физическим вакуумом, который на квантовом уровне имеет ненулевую энергию и заполнен постоянно рождающимися и исчезающими виртуальными элементарными частицами. Кто в итоге окажется прав – авторы этой теории, сам Шаер или другие скептики, мы узнаем в ближайшем будущем.

Солнечный парус

Как говорилось выше, электромагнитное излучение оказывает давление. Это значит, что теоретически его можно преобразовывать в движение – например, с помощью паруса. Аналогично тому, как корабли прошлых веков ловили в свои паруса ветер, космический корабль будущего ловил бы в свои паруса солнечный или любой другой звездный свет.

Проблема, однако, в том, что давление света крайне мало и уменьшается с увеличением расстояния от источника. Поэтому, чтобы быть эффективным, такой парус должен иметь очень малый вес и очень большую площадь. А это увеличивает риск разрушения всей конструкции при встрече с астероидом или другим объектом.

Попытки строительства и запуска солнечных парусников в космос уже имели место – в 1993 году тестирование солнечного паруса на корабле "Прогресс" провела Россия, а в 2010 году успешные испытания по пути к Венере осуществила Япония. Но еще ни один корабль не использовал парус в качестве основного источника ускорения. Несколько перспективнее в этом отношении выглядит другой проект – электрический парус.

Электрический парус

Солнце излучает не только фотоны, но также и электрически заряженные частицы вещества: электроны, протоны и ионы. Все они формируют так называемый солнечный ветер, ежесекундно уносящий с поверхности светила около одного миллиона тонн вещества.

Солнечный ветер распространяется на миллиарды километров и ответственен за некоторые природные явления на нашей планете: геомагнитные бури и северное сияние. Земля от солнечного ветра защищается с помощью собственного магнитного поля.

Солнечный ветер, как и ветер воздушный, вполне пригоден для путешествий, надо лишь заставить его дуть в паруса. Проект электрического паруса, созданный в 2006 году финским ученым Пеккой Янхуненом, внешне имеет мало общего с солнечным. Этот двигатель состоит из нескольких длинных тонких тросов, похожих на спицы колеса без обода.

Благодаря электронной пушке, излучающей против направления движения, эти тросы приобретают положительный заряженный потенциал. Так как масса электрона примерно в 1800 раз меньше, чем масса протона, то создаваемая электронами тяга не будет играть принципиальной роли. Не важны для такого паруса и электроны солнечного ветра. А вот положительно заряженные частицы – протоны и альфа-излучение – будут отталкиваться от тросов, создавая тем самым реактивную тягу.

Хотя эта тяга будет примерно в 200 раз меньше, чем таковая у солнечного паруса, заинтересовал Европейское космическое агентство. Дело в том, что электрический парус гораздо проще сконструировать, произвести, развернуть и эксплуатировать в космосе. Кроме того, с помощью гравитации парус позволяет также путешествовать к источнику звездного ветра, а не только от него. А так как площадь поверхности такого паруса гораздо меньше, чем у солнечного, то для астероидов и космического мусора он уязвим куда меньше. Возможно, первые экспериментальные корабли на электрическом парусе мы увидим уже в следующие несколько лет.

Ионный двигатель

Поток заряженных частиц вещества, то есть ионов, излучают не только звезды. Ионизированный газ можно создать и искусственно. В обычном состоянии частицы газа электрически нейтральны, но, когда его атомы или молекулы теряют электроны, они превращаются в ионы. В общей своей массе такой газ все еще не имеет электрического заряда, но его отдельные частицы становятся заряженными, а значит, могут двигаться в магнитном поле.

В ионном двигателе инертный газ (обычно используется ксенон) ионизируется с помощью потока высокоэнергетических электронов. Они выбивают электроны из атомов, и те приобретают положительный заряд. Далее получившиеся ионы ускоряются в электростатическом поле до скоростей порядка 200 км/с, что в 50 раз больше, чем скорость истекания газа из химических реактивных двигателей. Тем не менее современные ионные двигатели обладают очень маленькой тягой – около 50–100 миллиньютонов. Такой двигатель не смог бы даже сдвинуться со стола. Но у него есть серьезный плюс.

Большой удельный импульс позволяет значительно сократить расходы топлива в двигателе. Для ионизации газа используется энергия, полученная от солнечных батарей, поэтому ионный двигатель способен работать очень долго – до трех лет без перерыва. За такой срок он успеет разогнать космический аппарат до скоростей, которые химическим двигателям и не снились.

Ионные двигатели уже не раз бороздили просторы Солнечной системы в составе различных миссий, но обычно в качестве вспомогательных, а не основных. Сегодня как о возможной альтернативе ионным двигателям все чаще говорят про двигатели плазменные.

Плазменный двигатель

Если степень ионизации атомов становится высокой (порядка 99%), то такое агрегатное состояние вещества называется плазмой. Достичь состояния плазмы можно лишь при высоких температурах, поэтому в плазменных двигателях ионизированный газ разогревается до нескольких миллионов градусов. Разогрев осуществляется с помощью внешнего источника энергии – солнечных батарей или, что более реально, небольшого ядерного реактора.

Горячая плазма затем выбрасывается через сопло ракеты, создавая тягу в десятки раз большую, чем в ионном двигателе. Одним из примеров плазменного двигателя является проект VASIMR, который развивается еще с 70-х годов прошлого века. В отличие от ионных двигателей, плазменные в космосе еще испытаны не были, но с ними связывают большие надежды. Именно плазменный двигатель VASIMR является одним из основных кандидатов для пилотируемых полетов на Марс.

Термоядерный двигатель

Укротить энергию термоядерного синтеза люди пытаются с середины ХХ века, но пока что сделать это так и не удалось. Тем не менее управляемый термоядерный синтез все равно очень привлекателен, ведь это источник громадной энергии, получаемой из весьма дешевого топлива – изотопов гелия и водорода.

В настоящий момент существует несколько проектов конструкции реактивного двигателя на энергии термоядерного синтеза. Самой перспективной из них считается модель на основе реактора с магнитным удержанием плазмы. Термоядерный реактор в таком двигателе будет представлять собой негерметичную цилиндрическую камеру размером 100–300 метров в длину и 1–3 метра в диаметре. В камеру должно подаваться топливо в виде высокотемпературной плазмы, которая при достаточном давлении вступает в реакцию ядерного синтеза. Располагающиеся вокруг камеры катушки магнитной системы должны удерживать эту плазму от контакта с оборудованием.

Зона термоядерной реакции располагается вдоль оси такого цилиндра. С помощью магнитных полей экстремально горячая плазма проистекает через сопло реактора, создавая огромную тягу, во много раз большую, чем у химических двигателей.

Двигатель на антиматерии

Все окружающее нас вещество состоит из фермионов – элементарных частиц с полуцелым спином. Это, к примеру, кварки, из которых состоят протоны и нейтроны в атомных ядрах, а также электроны. При этом у каждого фермиона есть своя античастица. Для электрона таковой выступает позитрон, для кварка – антикварк.

Античастицы имеют ту же массу и тот же спин, что и их обычные "товарищи", отличаясь знаком всех остальных квантовых параметров. Теоретически античастицы способны составлять антивещество, но до сих пор нигде во Вселенной антивещество зарегистрировано не было. Для фундаментальной науки является большим вопросом, почему его нет.

Но в лабораторных условиях можно получить некоторое количество антивещества. К примеру, недавно был проведен эксперимент по сравнению свойств протонов и антипротонов, которые хранились в магнитной ловушке.

При встрече антивещества и обычного вещества происходит процесс взаимной аннигиляции, сопровождаемый выплеском колоссальной энергии. Так, если взять по килограмму вещества и антивещества, то количество выделенной при их встрече энергии будет сопоставимо со взрывом "Царь-бомбы" – самой мощной водородной бомбы в истории человечества.

Причем значительная часть энергии при этом выделится в виде фотонов электромагнитного излучения. Соответственно, возникает желание использовать эту энергию для космических перемещений путем создания фотонного двигателя, похожего на солнечный парус, только в данном случае свет будет генерироваться внутренним источником.

Но чтобы эффективно использовать излучение в реактивном двигателе, необходимо решить задачу создания "зеркала", которое было бы способно эти фотоны отразить. Ведь кораблю каким-то образом надо оттолкнуться, чтобы создать тягу.

Никакой современный материал попросту не выдержит рожденного в случае подобного взрыва излучения и моментально испарится. В своих фантастических романах братья Стругацкие решили эту проблему путем создания "абсолютного отражателя". В реальной жизни ничего подобного пока сделать не удалось. Эта задача, как и вопросы создания большого количества антивещества и его длительного хранения, – дело физики будущего.

Человек вышел в космос благодаря ракетным двигателям на жидком и твердом топливе. Но они же и поставили под вопрос эффективность космических полетов. Для того чтобы сравнительно небольшой хотя бы "зацепился" за его устанавливают на вершине ракеты-носителя внушительных размеров. А сама ракета, по сути, это летающая цистерна, львиная доля веса которой отведена под топливо. Когда все оно израсходуется до последней капли, на борту корабля остается мизерный запас.

Чтобы не упасть на Землю, периодически поднимает свою орбиту импульсами Топливо для них - примерно 7,5 тонны - несколько раз в году доставляют автоматические корабли. Но на пути к Марсу такой дозаправки не предвидится. Не пора ли распрощаться с устаревшими схемами и обратить внимание на более совершенный ионный двигатель?

Для того чтобы он заработал, безумных количеств топлива не потребуется. Только газ и электричество. Электроэнергия в космосе добывается улавливанием светового излучения Солнца панелями солнечных батарей. Чем дальше от светила, тем меньше их мощность, поэтому придется воспользоваться еще и Газ поступает в первичную камеру сгорания, где он бомбардируется электронами и ионизируется. Получившуюся холодную плазму отправляют на разгорев, а потом - в магнитное сопло, на разгон. Ионный двигатель выбрасывает из себя раскаленную плазму со скоростями, недоступными обычным ракетным двигателям. И получает необходимое ускорение.

Увы, ионные двигатели обладают настолько мизерной тягой, что не могут оторвать космический аппарат от поверхности Луны, не говоря уже о наземном старте. Наиболее наглядно это можно увидеть, если сравнить два корабля, отправляющихся к Марсу. Корабль с жидкостными двигателями начнет перелет после нескольких минут интенсивного разгона и потратит чуть меньше времени на торможение у Красной планеты. Корабль с ионными двигателями будет разгоняться два месяца по медленно раскручивающейся спирали, причем такая же операция ждет его в окрестностях Марса...

Ионный двигатель - та самая черепаха, которая обгоняет быстроногого Ахилла. Израсходовав все топливо в считанные минуты, жидкостный двигатель умолкает навсегда и становится бесполезным куском железа. А плазменные способны работать годами. Не исключено, что ими будет оснащен первый космический аппарат, который на досветовой скорости отправится к - ближайшей к Земле звезде. Предполагается, что перелет займет всего лишь 15-20 лет.