Ионный двигатель

Испытания ионного двигателя на ксеноне
Ионный двигатель NSTAR американской АМС Deep Space 1

Ионный двигатель - разновидность электрического ракетного двигателя, рабочим телом которого является ионизированный газ ( ксенон, цезий и др.).


Принцип действия

Принцип работы двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. При этом, благодаря высокому отношению заряда к массе, возможно разогнать ионы до очень высоких скоростей (свыше 210 км / с по сравнению с 3-4,5 км / с в химических ракетных двигателей). Таким образом, в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса. Это позволяет значительно уменьшить расходы реактивной массы ионизированного газа по сравнению с расходом реактивной массы в химических ракетах, но требует больших затрат энергии.

Источником ионов является газ, обычно аргон или водород. Бак с газом располагается в передней части двигателя, оттуда газ поступает в отсека ионизации, где образуется холодная плазма, что разогревается в следующем отсеке ионным циклотронным резонансным нагревом. После нагревания высокоэнергетическая плазма поступает к магнитному сопла, где магнитным полем формируется поток, разгоняется и выбрасывается наружу - образуется тяга.

Недостаток двигателя в его нынешних реализациях - очень слабая тяга (десятые доли ньютона). Невозможно использовать ионный двигатель для старта с планеты, но в открытом космосе при достаточно долгой работе двигателя возможно разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким другим существующим видам двигателей.

В существующих реализациях для поддержки работы двигателя используются солнечные батареи. Но для работы в дальнем космосе такой способ неприемлем. Поэтому уже сейчас для этого иногда используются ядерные установки.


История

Принцип ионного двигателя довольно давно известен и широко представлен в фантастической литературе, компьютерных играх и кинематографе, но для космонавтики стал доступен только в последнее время.

1960 года в США в NASA Lewis Research Center создали первый функционирующий широко-лучевой (broad-beam) ионный электростатический двигатель. 1964 состоялась первая успешная суборбитальных демонстрация ионного двигателя (SERT I), тест на выполнимость нейтрализации ионного луча в космосе.

1970 состоялось испытание длительной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II). С 1970-х годов ионные двигатели на эффекте Холла использовались в СССР как навигационные двигатели (двигатели СПД-60 использовались в 1970-х годах на спутниках "Метеор", СПД-70 на спутниках "Космос" и "Луч" в 1980-х, СПД-100 на нескольких спутниках в 1990-х).

Как основной (маршевый) ионный двигатель впервые применен на космическом аппарате Deep Space 1 (первый запуск двигателя состоялся 10 ноября 1998 года). Следующими аппаратами стали европейский лунный зонд Смарт-1, запущенный 28 сентября 2003, и японский аппарат Хаябуса, запущенный к астероиду в мае 2003 года.

Следующим аппаратом NASA, который должен маршевый ионный двигатель, стал (после нескольких заморозкам и обновлений работы) АМС Dawn, который стартовал 27 сентября 2007 года. Dawn предназначается для изучения Вести и Цереры, и имеет три двигателя NSTAR, успешно испытанных на Deep Space 1.

Европейское космическое агентство установило ионный двигатель на борту спутника GOCE, запущена 17 марта 2009 года на над-низкую околоземную орбиту высотой примерно 260 км. Ионный двигатель создает в постоянном режиме импульс, компенсируя атмосферный трения и другие негравитационных воздействия на спутник.

ЕКА планирует использовать ионный двигатель в меркурианским миссии BepiColombo. Он будет базироваться на двигателе, основанном на Смарт-1, но станет мощным (запуск запланирован 2015 года).

Для проекта НАСА "Прометей" разрабатывается мощный ионный двигатель, питающийся электричеством от бортового ядерного реактора. Предполагается, что восемь таких двигателей смогут разогнать аппарат до 90 км / с. Первый аппарат этого проекта Jupiter Icy Moons Explorer планировалось отправить в Юпитера 2017 года, однако разработку этого аппарата прекратили 2005 года из-за технических трудностей. По состоянию на начало 2013 года продолжается поиск проще проекта АМС для первого испытания по программе "Прометей".