Ионный двигатель с решеткой

Ионные двигатели с решеткой начали эксплуатироваться в 1960 году в NASA LeRC. Обладая высоким КПД (50-75 %) и большим удельным ипульсом (2 500 -10 000 c), они предлагали значительное увеличение в полезной нагрузке, времени эксплуатации и уменьшали стоимость оборудования.

Ионные двигатели производят тягу, разгоняя луч из положительно заряженных ионов с помощью электростатического поля. Положительные ионы производятся при помощи бомбардировки электронами нейтральных топливных атомов в камере выпуска. Камера выпуска обычно представляет собой цилиндрический анод, с центрально расположенным осевым полым катодом. Во время работы катод нагревается, чтобы началась термоэлектронная эмиссия электронов. Как только начинается эмиссия, низкоамперный ток (от 1 до 15 Ампер) с маленьким вольтажем (от 25 до 30 Вольт) ускоряет электроны к камере выпуска. Магнитное поле в камере выпуска увеличивает время пробега электрона и тем самым вероятность соударения. Топливо (обычно инертные газы, например, Ксенон) вводится в камеру и там топливные атомы соудоряются энергетически насыщеными электронами. Эти столкновения удаляют дополнительные электроны в атомах, превращая их в ионы положительной велечины. Ряд двух или трех перфорированных электродов (называемых решетками) притягивают ионы положительной величины, ускорятяя их и сосредотачивая в ионный пучок. (Ионные двигатели с их цилиндрической геометрией часто категоризируются диаметром их решеток, потому что мощность и тяга двигателя пропорциональны площади решетки). Наконец, нейтрализующее вещество выбрасывает в луч точно такое же число электронов как и ионов. Это предотвращает космический аппарат от зарядки до большого отрицательногоj потенциала.

Электроды решетки, которые ускоряют ионы помещены в один конец камеры выпуска. Внутренняяя решетка называется screen grid, вторая решетка называется accelerator grid. Сильное электрическое поле (типичное значение 2500 В/мм) расположенное между решетками извлекает и ускоряет ионы. Третий электрод (обычно называемый decelerator grid) может использоваться, чтобы управлять расхождением ускоренного ионного пучка и уменьшать эрозию сетки акселератора. Скорость ионного пучка определена напряжением сетки экрана относительно потенциала свободного пространства, и отношением нагрузки к массе ионов. Электростатический процесс ускорения чрезвычайно эффективен (практически > 99.5 %) и объясняет высокую эффективность ионных двигателей.[9]

Вывод

Хотя электроракетные двигатели имеют малую тягу по сравнению с жидкотопливными ракетами, они способны работать длительное время и осуществлять медленные полеты на большие расстояния. Самые совершенные на сегодняшний день электрические ракетные двигатели имеют Дельта-V до 100 км/с и при использовании ядерных источников энергии пригодны для полетов к внешним планетам Солнечной системы, но недостаточно мощные для межзвездного полета. Если же говорить о межзвездном полете, то электроракетный двигатель с ядерным реактором рассматривался для проекта Дедал, но был отвергнут из-за малой тяги, большого веса необходимого для преобразования ядерной энергии в электрическую оборудования и как следствие небольшого ускорения, которому потребовались бы столетия для достижения нужной скорости. Однако электро-ракетный способ межзвездного полета теоретически возможен при внешнем источнике энергопитания через лазер на солнечные батареи космического аппарата.

В настоящее время многими странами исследуются вопросы создания пилотируемых межпланетных кораблей с ЭРДУ. Существующие ЭРД не являются оптимальными для использования в качестве маршевых двигателей для таких кораблей, в связи с чем в ближайшем будущем следует ожидать возобновления интереса к разработке сильноточных ЭРД на жидкометаллическом РТ (висмут, литий, калий, цезий) с электрической мощностью до 1 МВт, способных длительно работать при токах силой до 5—10 кА. Эти РД должны развивать тягу до 20—30 Н и скорость истечения 20—30 км/с при КПД 30 % и более. В 1975 г. подобный РД испытан в СССР на ИСЗ «Космос-728» (РД электрической мощностью 3 кВт, работающий на калии, развил скорость истечения ~ 30 км/с).

исследованиями и разработкой ЭРД занимаются в России, США, Великобритании, ФРГ, Франции, Японии, Италии. Основные направления деятельности этих стран: ИД (наиболее успешны разработки Великобритании и Германии, особенно — совместные); СПД и ДАС (Япония, Франция); ЭТД (Франция). В основном эти двигатели предназначены для ИСЗ.