ИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 621.454

ИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

А. С. Тимохович, А. Я. Савык*

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: russian.settler.24@mail.ru

Рассматриваются проблемы ионных двигателей, приводятся некоторые рассмотренные вопросы по данной теме, а так же поставлены новые задачи, которые необходимо выполнить для улучшения качества полетов ракет на ионных двигателях.

Ключевые слова: ионные двигатели, силовая установка, тяга.

ION ENGINE F. (S.) Timokhovich, A. (Ya.) Savyk*

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: russian.settler.24@mail.ru

Keywords: Ion engines, the power plant, thrust.

На текущий момент времени доставка грузов на геостационарную орбиту происходит на ракетоносителях оснащенных двигательными установками, работающими на жидком топливе, имеющих сравнительно не высокий кпд. Низкий кпд ракетного двигателя на химическом топливе является следствием того факта, что химическая энергия топлива выделяется вначале в форме тепла, и лишь затем это тепло переходит в кинетическую энергию газовой струи в сопле. А вследствие того, что весь процесс перехода тепловой энергии в кинетическую происходит в течение нескольких миллисекунд или даже еще меньше, у тепла просто не хватает времени, чтобы более-менее полно преобразоваться в кинетическую энергию. Чтобы повысить кпд ракетного двигателя, надо отказаться от промежуточной тепловой формы и преобразовывать исходную химическую энергию (или ядерную) сразу в кинетическую энергию газовой струи, то есть надо отказаться от нагрева [1].

К двигателям с таким принципом действия относятся ионные двигатели - тип электрического ракетного двигателя, принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле. В них рабочее тело вначале ионизируется, а затем ионы разгоняются в сопле электрическими и магнитными полями до очень высоких скоростей, исчисляемых десятками или даже сотнями км/сек.

На рис. 1 представлена схема ионного двигателя.

Ионные двигатели имеют кпд порядка 50-60 %, могут работать до трех лет и более, но имеют крайне низкую тягу 20-250 мН, которой не достаточно для вывода космических аппаратов на геостационарную орбиту. Если сравнить с существующими ракетоносителями то, первая ступень Протона-М развивает 10 026 кН, вторая ступень 2 400 кН, а третья 583 кН.

Именно из-за низкой тяги ионные двигатели используют только для перемещения космических аппаратов в открытом космосе. Чтобы повысить тягу двигательной установки, на основе ионного двигателя, и использовать ее на ракетоносителях доставляющих грузы на орбиту, в том числе и боевые блоки, требуется доработка двигателя, которая позволит создать дополнительную тягу.

Секция «Автоматика и электроника»

Ионкшос У'.гопгющт'

зпектрод

-l^ipd.'LIAElDfl

Рис. 1. Схема ионного двигателя

На основании проведенного анализа, по данному вопросу было, выяснено, что возможность увеличения тяги ионного двигателя имеет место. Так, в октябре 2017 года в НАСА предоставили новый двигатель Х-3. Х-3 относится к двигателям, работающим на эффекте Холла, который возникает при воздействии магнитного поля на движущиеся заряженные частицы, например, ионы газа ксенона. Ионы отклоняются от своей траектории, из-за чего возникает другой ток, перпендикулярный основному направлению, что позволяет достичь высокого значения расхода рабочего тела, то есть ионизированного газа, и создавать дополнительную тягу.

На рис. 2 показан трехканальный ионный двигатель Х3, то есть имеет три канала истечения плазмы. Такая технология позволила Х-3 быть более компактным, чем обычные одноканальные ионные двигатели. Его работу обеспечивает электрическая силовая установка ХЯ-100.

Рис. 2. Ионный двигатель Х3

В ходе испытаний устройство поместили в специальную вакуумную камеру, удалось достичь мощности более 100 киловатт (у других ионных двигателей на эффекте Холла этот показатель составляет 4,5 киловатта), реактивная тяга равнялась 5,4 ньютонам, остальные ионные двигатели имеют тягу в 20-250 мН.

Х3 показывает высокие показатели тяги, по сравнению с остальными ионными двигателями, но ее не хватит для вывода аппарата на геостационарную орбиту.

На текущий момент времени у ионных двигателей есть ряд недостатков:

1. Для обеспечения работы двигателя необходимо большое количество энергии.

2. Низкая тяга.

3. При большой тяге ионы в двигателе врезаются в анод, что ведет к его эрозии.

Для обеспечения двигателя большим количеством энергии на космические аппараты планируют ставить не большой ядерный реактор. NASA и DOE работают вместе над проектом Fission Surface Power Project, сутью которого является размещение на поверхности Луны и Марса маленьких ядерных электростанций. Задачей проекта является создать в ближайшие 10 лет реактор мощностью 40 кВт, который будет иметь габариты 3^3x7 метров, и при этом не будет весить больше 5 000 кг. Данный реактор можно будет установить на космический аппарат для обеспечения двигателя необходимой энергией.

Для увеличения тяги экспериментируют с разными видами газов для ионизации, а также пробуют разные варианты конструкций.

Для защиты стенки камеры от заряженных ионов NASA создали магнитный щит. NASA удалось это сделать путем экранирования стенок нитридом бора таким образом, что магнитное поле от внутренней и внешний катушки проходит вдоль конца анодного канала.

Результаты первых экспериментов новой магнитно-экранированной камеры с мощностью 6 кВт ускорителя показали, что эрозия резко снизилась на 500-1 000 пунктов.

Из выше изложенного следует, что у ионных двигателей есть потенциал для развития и в будущем, после доработок, их можно будет использовать на ракетоносителях двойного военно-гражданского назначения.

Reference

1. Electronic textbook StatSoft. Available at: https://www.space.com (accessed: 17.03.2018).

© Тимохович А. С., Савык А. Я., 2018