Ионная тяга

Тестовый запуск ксенонового ионного двигателя от НАСА
Ионный двигатель NSTAR космического зонда Deep Space 1
Японский космический зонд Hayabusa с ионными двигателями (слева)

Ионная тяга - это метод движения космических кораблей ; ионный ракетный двигатель использует отдачу генерируемого (нейтрализованной) ионного пучка двигаться. В зависимости от используемого источника энергии различают солнечный электрический (англ. Solar Electric Propulsion , SEP) и ядерный электропривод (англ. Nuclear Electric Propulsion , NEP).

Ионные двигатели создают слишком маленькую тягу для запуска ракеты непосредственно с Земли , но они потребляют меньше опорной массы, чем химические двигатели. Вот почему они подходят в качестве вторичных двигателей для энергоэффективной непрерывной работы, особенно для длинных траекторий межпланетных зондов.

функция

Пучок ионов генерируется первыми частицами ионизирующего газа (например, ксенон ) или крошечными каплями (например, ртути ), проходящими через катод . Затем они ускоряются в электрическом поле . Пройдя через так называемый нейтрализатор , который возвращает электроны в пучок и, таким образом, делает его электрически нейтральным, частицы выбрасываются в виде пучка.

Нейтрализатор - важная часть системы. Без него он стал бы заряженным, и луч рассеивался бы и возвращался в космический корабль по дуге. Сила притяжения между ионами и ракетой поглотила бы эффект тяги.

Мощность силовой установки не ограничивается реагирующими компонентами топлива, как в случае с химически работающими ракетами, а исходит от приложенного электромагнитного поля. Энергия для генерации полей до сих пор в основном была получена с помощью солнечных батарей . Топлива в традиционном понимании не существует, но опорная масса потеряна.

В радиочастотных ионных двигателях (RIT) двигатель обычно использует ксенон из благородного газа в качестве поддерживающей массы. Рабочий газ ионизируется за счет ионизации электронным ударом, при которой свободные электроны ускоряются до энергии от 3 до 10 электрон- вольт за счет электрического вихревого поля, создаваемого  индукционной катушкой, намотанной вокруг двигателя . Образующийся плазменный разряд относится к классу низкотемпературной плазмы, которая используется во многих областях техники (в том числе для люминесцентных ламп). Ионы, созданные ионизацией (положительно заряженные в случае ксенона), выводятся из двигателя с помощью электростатического поля через сетку, которая, согласно закону сохранения количества движения , вызывает тягу в направлении, противоположном направлению движения. убегающие ионы.

Для успешного ввода в эксплуатацию RIT требуется несколько дополнительных устройств, таких как регуляторы расхода газа и источники энергии, которые, например, обеспечивают высокое напряжение, необходимое для извлечения . Подача высокоэффективной высокой частоты обычно достигается с помощью топологии полумоста в последовательном резонансном преобразователе , поскольку это обеспечивает высокий электрический КПД, который продолжает способствовать тепловому управлению спутником.

Как плазменно-физические процессы, так и создание систем двигателей являются предметом исследований многих связанных с космосом организаций и компаний по всему миру. Технологию RIT на коммерческой основе представляет , например, компания ArianeGroup . В Германии, помимо ArianeGroup ( Lampoldshausen ), этой технологией в первую очередь занимаются университеты Гиссена ( Университет Юстуса Либиха в Гиссене и Технический университет Центрального Гессена ) и Немецкий аэрокосмический центр в Геттингене .

сравнение

По сравнению с обычными химическими ракетными двигателями предыдущие ионные двигатели имели гораздо меньшую тягу, в случае приводов зондов примерно сравнимую с массой открытки (70 миллиньютон ), но со значительно большей скоростью выхода газа (от 10 до 130 км). / с, прототипы до 210 км / с) и значительно большей продолжительности действия. Тем не менее, общая масса космического корабля должна быть как можно меньшей, чтобы достичь достаточных ускорений и, таким образом, приемлемого времени тяги для работы. SMART-1 зонд весит , например , Б. 367 кг и нес 84 кг ксенона в качестве поддерживающей массы.

Одной из проблем ионных двигателей является их требуемая мощность (у SMART-1 1300 Вт только для двигателя). Только новейшие солнечные элементы на основе GaInP2 / GaAs / Ge с тройным переходом обеспечивают достаточную мощность на площадь (с SMART-1 примерно 370  Вт / м², эффективность 27%) для обеспечения пригодных для использования ионных приводов с разумным размером солнечной панели .

Чтобы удвоить скорость выхода определенной массы, требуется в четыре раза больше энергии. Целью конструкции ионного привода является поддержание необходимой опорной массы на минимально возможном уровне. Согласно основному уравнению ракеты, для этого требуется максимальная скорость истечения. Таким образом, конструкция ионного привода всегда является компромиссом между потребностями в энергии и поддерживающей массе.

Преимущество ионного движения по сравнению с химическим движением состоит в том, что при одинаковом доставляемом общем импульсе (т. Е. Достигаемом изменении скорости) потребляется меньшая опорная масса, потому что скорость возникающих частиц намного больше. Удельный импульс, приведенный к ускорению свободного падения , примерно в шесть раз выше в доступных сегодня ионных двигателях с длительностью более 3000 с, чем в химических двигателях с 470 с.

Обычные ионные приводы работали только в вакууме. Сила, создаваемая нормальным движением воздуха, обычно больше, чем тяга. В ноябре 2018 года ученые Массачусетского технологического института представили разработку ионного двигателя, работающего в атмосфере.

Ионные двигатели имеют входную мощность в диапазоне от ватт до киловатт и тягу ниже 1 Н. Следовательно, ионные двигатели подходят для транспортировки больших масс только в том случае, если они могут работать в течение более длительного периода времени (недели, месяцы или годы).

история

Принцип ионного двигателя был представлен пионером космоса Германом Обертом в его самой известной работе «Ракета в планетное пространство» еще в 1923 году, в которой он описал ионный двигатель, который он разработал впервые.

В 1960-х годах цезий или ртуть использовались в качестве топлива в первоначальных экспериментах , но металлические компоненты, используемые для генерации ионов, быстро корродировали . Самой большой проблемой была коррозия острой бритвы кромки, на которой генерировались необходимые ионы посредством капельной ионизации. Решить эту проблему удалось только с использованием благородного газа ксенона в качестве топлива. Дополнительные преимущества ксенона заключаются в том, что, в отличие от металлов, его не нужно испарять, он нетоксичен и может легко попасть в двигатель из газового баллона под давлением. На практике извлечение обычно твердого цезия было особенно трудным. Недостатком по сравнению с ртутью является меньшая атомная масса . Кроме того, ксенон требует более высоких энергий ионизации, чем два металла.

В двигателе RIT ( Radiofrequency Ion Thruster ) ионы генерируются за счет индуктивной связи высокочастотного сигнала, в то время как в электростатическом двигателе Кауфмана газ ионизируется разрядом постоянного тока. HET-двигатель (англо. Hall Effect подруливающие , Холл привод ) ионизирует газ привода с электронами, которые ориентируются по круговой траектории. Опытный образец двигателя RIT впервые работал на европейском спутнике EURECA в 1992 году . SMART-1 оснащался двигателем HET.

Современные ионные двигатели подходят для двух основных применений из-за ограниченного количества доступной электроэнергии:

  • Маршевый двигатель для межпланетных зондов к планетам Венера и Меркурий, которые находятся близко к Солнцу, поскольку солнечная энергия все еще может использоваться здесь в течение длительного времени тяги.
  • Двигатели управления орбитой для больших спутников на высоких орбитах Земли, поскольку здесь возмущающие силы и необходимые корректирующие импульсы для их компенсации очень малы.

Использование в космических путешествиях

Первым космическим кораблем с ионным двигателем был Deep Space 1 . Deep Space 1 был запущен в 1998 году и имел двигатель NSTAR на основе типа Кауфмана. Вторым ионным зондом был Hayabusa , запущенный JAXA в 2003 году. Третьим ионным космическим кораблем был зонд SMART-1, запущенный ЕКА в 2003 году и находящийся на орбите Луны. Миссии Dawn с 2007 года и Hayabusa 2 с 2014 года, а с 2018 года BepiColombo сильно зависели от ионных двигателей . В 1992 году испытательный спутник EURECA имел на борту экспериментальный ионный двигатель RIT RITA-10 от MBB / EADS. В 2001 году ЕКА запустило спутник Artemis , на котором в ходе испытаний были установлены два новых типа ионных двигателей, которые различаются по способу образования ионов ксенона. Последние 5000 км до запланированной геостационарной орбиты спутник преодолел с помощью ионного двигателя RIT-10 , который изначально предназначался только для коррекции орбиты, поскольку верхняя ступень его Ariane 5 вывела его на геотрансферную орбиту (GTO) с низкий апогей .

Ионный двигатель малой тяги уже зарекомендовал себя на многих коммерческих спутниках связи . Там он служит не в качестве основного двигателя для достижения орбиты, а в качестве механизма управления траекторией для дрейфа с севера на юг, поскольку спутник должен генерировать около 45-50 м / с изменения скорости ( дельта v ) в год из-за гравитационным воздействиям солнца и луны . Использование ионных двигателей для регулирования орбиты увеличивает срок службы спутников, поскольку требуется меньше топлива, поскольку удельный импульс выше, чем у химических двигателей. Европейский автобус Alphabus , американский Boeing 702 и китайский автобус DFH-5 - это автобусы- спутники, оснащенные ионными двигателями.

Четыре спутника Cubesat от NetSat имеют ионные приводы, поэтому даже очень маленькие спутники могут использовать ионный привод.

Реализация в атмосфере

В ноябре 2018 года Массачусетскому технологическому институту впервые удалось переместить ракету в атмосферу с помощью ионного двигателя. Для этого был сконструирован самолетообразный корпус с размахом крыла 5 метров. Под крыльями находились электроды, на которые подавалось напряжение +20 000 вольт . Азот в воздухе ионизируется на электродах . Ионы были ускорены приложенным к крыльям напряжением -20 000 вольт. Время полета составило 10 секунд, а в спортивном зале - около 60 метров. По словам ученых, расстояние ограничивалось исключительно размером зала. В настоящее время невозможно перевозить людей или товары. В качестве возможных областей применения исследователи называют z. Б. более тихие дроны.

Достижения

Смотри тоже

литература

  • Хайнц Мильке : Технология космических полетов - введение . Transpress VEB Verlag for Transport, Berlin 1974.
  • Дэн М. Гебель и др.: Основы электрического движения - ионные и холловые двигатели. Wiley, Hoboken 2008, ISBN 978-0-470-42927-3 .

веб ссылки

Commons : ion propulsion  - коллекция изображений, видео и аудио файлов.
Викисловарь: ion drive  - объяснение значений, происхождение слов, синонимы, переводы

Индивидуальные доказательства

  1. ↑ Раскрыт новый сверхмощный ионный двигатель . New Scientist, 18 января 2006 г.
  2. ↑ a b Первый самолет с ионным двигателем завершил испытательный полет. В: wired.de. 22 ноября, 2018. Проверено 27 ноября 2018 .
  3. ^ Ионный драйв: Первый полет. В: видео природы ( Youtube ). 21 ноября, 2018. Проверено 27 ноября 2018 .