Іонний двигун
Іо́нний двигу́н — різновид електричного ракетного двигуна, робочим тілом якого є іонізований газ (ксенон, цезій тощо).
 Випробування іонного двигуна на ксеноні |
 Іонний двигун NSTAR американської АМС Deep Space 1 |
Принцип дії
Принцип роботи двигуна полягає в іонізації газу і його розгоні електростатичним полем. При цьому, завдяки високому відношенню заряда до маси, можливо розігнати іони до дуже високих швидкостей (понад 210 км/с порівняно з 3-4,5 км/с у хімічних ракетних двигунів). Таким чином, в іонному двигуні можна досягти дуже великого питомого імпульсу. Це дозволяє значно зменшити витрати реактивної маси іонізованого газу порівняно з витратою реактивної маси в хімічних ракетах, але вимагає великих витрат енергії.
Джерелом іонів є газ, зазвичай аргон або водень. Бак з газом розташовується в передній частині двигуна, звідти газ надходить до відсіка іонізації, де утворюється холодна плазма, що розігрівається в наступному відсіку іонним циклотронним резонансним нагріванням. Після нагрівання високоенергетична плазма надходить до магнітного сопла, де магнітним полем формується потік, розганяється і викидається назовні — утворюється тяга.
Недолік двигуна в його нинішніх реалізаціях — дуже слабка тяга (десяті частки ньютона). Неможливо використовувати іонний двигун для старту з планети, але у відкритому космосі при досить довгій роботі двигуна можливо розігнати космічний апарат до швидкостей, недоступних зараз жодним іншим існуючим видам двигунів.
В існуючих реалізаціях для підтримки роботи двигуна використовуються сонячні батареї. Але для роботи в далекому космосі такий спосіб неприйнятний. Тому вже зараз для цього іноді використовуються ядерні установки.
Історія
Принцип іонного двигуна досить давно відомий і широко представлений у фантастичній літературі, комп'ютерних іграх і кінематографі, але для космонавтики став доступний тільки останнім часом.
1960 року у США в NASA Lewis Research Center створили перший функціонуючий широко-променевий (broad-beam) іонний електростатичний двигун. 1964 року відбулась перша успішна суборбітальна демонстрація іонного двигуна (SERT I), тест на здійснимість нейтралізації іонного променя в космосі.
1970 року відбулось випробування тривалої роботи ртутних іонних електростатичних двигунів у космосі (SERT II). З 1970-х років іонні двигуни на ефекті Холла використовувались в СРСР як навігаційні двигуни (двигуни СПД-60 використовувалися в 1970-х роках на супутниках «Метеор», СПД-70 на супутниках «Космос» і «Луч» у 1980-х, СПД-100 на кількох супутниках у 1990-х).
Як основний (маршовий) іонний двигун вперше застосований на космічному апараті Deep Space 1 (перший запуск двигуна відбувся 10 листопада 1998 року). Наступними апаратами стали європейський місячний зонд Смарт-1, запущений 28 вересня 2003 року, і японський апарат Хаябуса, запущений до астероїда в травні 2003 року.
Наступним апаратом NASA, який мав маршовий іонний двигун, став (після кількох заморожувань і відновлень роботи) АМС Dawn, який стартував 27 вересня 2007 року. Dawn призначається для вивчення Вести і Церери, і має три двигуни NSTAR, успішно випробуваних на Deep Space 1.
Європейське космічне агентство встановило іонний двигун на борту супутника GOCE, запущеного 17 березня 2009 року на наднизьку навколоземну орбіту висотою приблизно 260 км. Іонний двигун створює в постійному режимі імпульс, компенсуючи атмосферне тертя та інші негравітаційні впливи на супутник.
ЄКА планує використовувати іонний двигун в меркуріанській місії BepiColombo. Він базуватиметься на двигуні, заснованому на Смарт-1, але стане потужнішим (запуск запланований 2015 року).
Для проекту НАСА «Прометей» розробляється потужний іонний двигун, що живиться електрикою від бортового ядерного реактора. Передбачається, що вісім таких двигунів зможуть розігнати апарат до 90 км/с. Перший апарат цього проекту Jupiter Icy Moons Explorer планувалося відправити до Юпітера 2017 року, проте розробку цього апарата припинили 2005 року через технічні труднощі. Станом на початок 2013 року триває пошук простішого проекту АМС для першого випробування за програмою «Прометей».
Див. також
Примітки
Посилання
- Іонні та плазмові двигуни, принцип дії, різновиди, застосування, перспективи — Science Ukraine (11/03/15)
- Стаття в Комп'ютеррі(рос.)
- Про використання ядерних реакторів для іонних двигунів Мембрана.ру(рос.)
- BepiColombo на сайті ЄКА(англ.)
- Проект «Прометей» на сайті НАСА(англ.)
- АМС Dawn з іонним двигуном стартувала 25 вересня 2007 р.(рос.)
- Українці вироблятимуть іонно-плазмові двигуни для космічних супутників. https://espreso.tv/. Еспресо TV. 15 жовтня 2018. Процитовано 15 жовтня 2018.
- Принцип роботи іонного двигуна