| ionimoottori | |
|---|---|
| Amerikkalaisen AMC Deep Space 1 :n NSTAR-ionimoottori | |
| Tyyppi | sähköinen rakettimoottori |
| Polttoaine | ionisoitua inerttiä kaasua |
| Käyttö | |
| Toiminta-aika | yli 3 vuotta [1] |
| Sovellus | keinotekoisten maasatelliittien suunnan ja sijainnin ohjaus kiertoradalla ; pienten automaattisten avaruusasemien pääpropulsiomoottori [ 1] |
| Painon ja koon ominaisuudet |
|
| Käyttöominaisuudet | |
| työntövoima | 20–250 mN [1] |
| Tehon kulutus | 1-7 kW |
| tehokkuutta | 0,6-0,8 (60-80 %) |
| Vanhenemisprosentti | 20-50 km/s |
| Mediatiedostot Wikimedia Commonsissa | |
Ionimoottori on eräänlainen sähkörakettimoottori , jonka toimintaperiaate perustuu suihkun työntövoiman luomiseen sähkökentässä suuriin nopeuksiin kiihdytettyyn ionisoituun kaasuun [1] . Tämän tyyppisten moottoreiden etuna on alhainen polttoaineenkulutus ja pitkä käyttöaika (modernimpien ionimoottorinäytteiden jatkuvan käytön enimmäisaika on yli kolme vuotta) [1] . Ionimoottorin haittana on mitätön työntövoima verrattuna kemiallisiin moottoreihin [1] . Verrattuna potkureihin, joiden kiihtyvyys on magneettikerroksessa , ionipotkurilla on suuri virrankulutus samalla työntövoimalla. Ionimoottorit käyttävät suuria jännitteitä, niillä on monimutkaisempi piiri ja rakenne, mikä vaikeuttaa moottorin korkean luotettavuuden ja sähköisen lujuuden varmistamiseen liittyvän ongelman ratkaisua. [2]
Soveltamisala: Maan keinotekoisten satelliittien suunnan ja sijainnin ohjaus kiertoradalla (jotkut satelliitit on varustettu kymmenillä pienitehoisilla ionimoottoreilla) ja pienten automaattisten avaruusasemien käyttö päävetomoottorina [1] .
Ionipotkurilla on tällä hetkellä ennätys avaruusaluksen ei-gravitaatiokiihtyvyydessä - Deep Space 1 pystyi lisäämään noin 370 kg painavan laitteen nopeutta 4,3 km/s kulutettuaan 74 kg ksenonia [1] . Tämän ennätyksen rikkoi Dawn - avaruusalus : ensimmäisen kerran 5. kesäkuuta 2010 [3] ja syyskuussa 2016 nopeus oli jo 39 900 km/h [4] (11,1 km/s).
Ionipotkurille on ominaista pieni työntövoima ja korkea ominaisimpulssi. Työresurssien arvioidaan olevan 10 tuhatta - 100 tuhatta tuntia. Tällä hetkellä kehitetään uuden sukupolven ionimoottoreita, jotka on suunniteltu kuluttamaan 450 kiloa ksenonia, mikä riittää 22 000 käyttötunnille maksimijälkipolttimella. Vian syyt voivat olla ionioptiikan, katodikalvon ja plasman pidikkeen kuluminen, työmateriaalin loppuminen kussakin katodisisäkkeessä ja materiaalin roiskeet purkauskammiossa. Tehtyjen testien mukaan yli 2000 s ominaisimpulssilla ionioptiikan ensimmäinen rakenteellinen vika ilmenee käytettäessä 750 kiloa polttoainetta, mikä on 1,7 kertaa pätevyysvaatimuksia korkeampi. Alle 2000 sekunnin ominaisimpulssilla prototyyppi voi kaksinkertaistaa polttoaineenkulutuksen [5] .
Moottorin toimintaperiaate on ionisoida kaasu ja kiihdyttää sitä sähköstaattisen kentän avulla . Samaan aikaan korkean varaus-massasuhteen ansiosta on mahdollista kiihdyttää ioneja erittäin suuriin nopeuksiin (jopa 210 km/s [6] verrattuna kemiallisten rakettimoottoreiden 3-4,5 km/s ) . Siten ionipotkurissa voidaan saavuttaa erittäin korkea ominaisimpulssi . Tämä mahdollistaa ionisoidun kaasun reaktiivisen massan kulutuksen vähentämisen merkittävästi verrattuna reaktiivisen massan kulutukseen kemiallisissa raketteissa, mutta vaatii paljon energiaa. Ionimoottorin tekniset ominaisuudet: tehonkulutus 1–7 kW , ionin ulosvirtausnopeus 20–50 km/s, työntövoima 20–250 mN, hyötysuhde 60–80%, jatkuva käyttöaika yli kolme vuotta. Vuodesta 2022 lähtien kehitetään moottoreita, joiden teho on kymmeniä kilowatteja ja pakokaasun nopeus jopa 70 km/s [7] . Nykyiset ionimoottorin toteutukset käyttävät aurinkokennoja polttoaineen ionisoimiseen tarvittavan energian lähteenä . [yksi]
Käyttöneste on yleensä ionisoitua inerttiä kaasua ( argon , ksenon jne.), mutta joskus elohopeaa . Polttoaine syötetään ionisaattoriin, joka on itsessään neutraali, mutta ionisoituu , kun sitä pommitetaan suurienergisilla elektroneilla . Siten kammioon muodostuu positiivisten ionien ja negatiivisten elektronien seos. Elektronien "suodattamiseksi" kammioon tuodaan katodiverkoilla varustettu putki, joka houkuttelee elektroneja itseensä. Positiiviset ionit houkuttelevat uuttojärjestelmää, joka koostuu kahdesta tai kolmesta hilasta. Sähköstaattisten potentiaalien suuri ero säilyy verkkojen välillä (+1090 volttia sisäpuolella vs. -225 volttia ulkopuolella). Ritiloiden väliin putoavien ionien seurauksena ne kiihtyvät ja sinkoutuvat avaruuteen kiihdyttäen alusta Newtonin kolmannen lain mukaan . Katodiputkeen loukkuun jääneet elektronit työntyvät ulos moottorista pienessä kulmassa suuttimeen ja ionivirtaukseen nähden. Tämä tehdään ensinnäkin siten, että laivan runko pysyy neutraalisti varautuneena, ja toiseksi, jotta tällä tavalla "neutraloidut" ionit eivät vetäytyisi takaisin alukseen [1] .
Moottorin haittana sen nykyisissä toteutuksissa on erittäin heikko työntövoima (noin 50-100 miliwtonia). Näin ollen ei ole mahdollista käyttää ionimoottoria laukaisuun planeetalta , mutta toisaalta gravitaatiokenttien alhaisten potentiaalien olosuhteissa, moottorin riittävän pitkällä toiminnalla, on mahdollista kiihdyttää avaruusalus nopeuksilla, joihin ei tällä hetkellä pääse millään muulla olemassa olevilla moottoreilla.
Ionipropulsio on ensimmäinen sähköraketin propulsiotyyppi , joka on vakiintunut käytännössä . Robert Goddard [8] esitti ionimoottorin käsitteen vuonna 1917 , ja vuonna 1954 Ernst Stulinger kuvaili tätä tekniikkaa yksityiskohtaisesti ja teki siihen tarvittavat laskelmat [9] . Vuonna 1929 tuleva kosmonautikan akateemikko Valentin Petrovich Glushko puolusti diplominsa Leningradin yliopistossa aiheesta "Helio-raketti planeettojenvälisille lennoille". [10] Helioraketin perustana oli sähkösuihku (ioni)moottori ja valtava aurinkoakku, jonka halkaisija oli 20 m.
Vuonna 1955 Aleksei Ivanovitš Morozov kirjoitti ja julkaisi vuonna 1957 JETP :ssä artikkelin Plasman kiihtyvyydestä magneettikentällä [11] [12] . Tämä antoi sysäyksen tutkimukselle, ja jo vuonna 1964 Neuvostoliiton Zond-2- laitteessa ensimmäinen tällainen avaruuteen lähetetty laite oli A. M. Andrianovin suunnittelema plasmaeroosiomoottori . Se toimi aurinkopaneeleilla toimivana suuntapotkurina [13] .
Ensimmäinen amerikkalainen toimiva ionisähköpotkuri (rakennettu Yhdysvalloissa NASAn John H. Glenn Research Centerissä Lewis Fieldissä) rakennettiin Harold Kaufman johdolla vuonna 1959. Vuonna 1964 suoritettiin ensimmäinen onnistunut ionipotkurien esittely suborbitaalisessa lennossa ( SERT-1 ) [1] . Moottori kävi onnistuneesti suunnitellun 31 minuutin ajan. Vuonna 1970 läpäistiin testi, joka osoitti sähköstaattisten elohopea-ionipotkurien pitkän aikavälin toiminnan tehokkuutta avaruudessa (SERT II) [14] . Alhainen työntövoima ja alhainen hyötysuhde estivät amerikkalaisia suunnittelijoita käyttämästä sähkö- ja ionimoottoreita pitkään.
Samaan aikaan Neuvostoliitossa kehitys jatkui ja suorituskyky parani. Erityyppisiä ionipotkurit on kehitetty ja käytetty erityyppisissä avaruusaluksissa. SPD-25-moottoreita, joiden työntövoima on 25 miliwtonnia, SPD-100 [15] ja muita, on asennettu sarjassa Neuvostoliiton satelliiteille vuodesta 1982 [16] .
Päämoottorina ( propulsio ) ionimoottoria käytettiin ensimmäisen kerran Deep Space 1 -avaruusaluksessa (moottori laukaistiin ensimmäisen kerran 10. marraskuuta 1998 ). Eurooppalainen kuuluotain Smart-1 (laukaistiin 28. syyskuuta 2003 [17] ) ja japanilainen Hayabusa -luotain , joka laukaistiin Itokawan asteroidiin toukokuussa 2003 [1] olivat seuraavat ajoneuvot .
Seuraava NASAn avaruusalus sustainer-ionimoottoreilla oli (sarjan jäädytysten ja työn jatkamisen jälkeen) AMS Dawn , joka laukaistiin 27. syyskuuta 2007 . Dawn on suunniteltu tutkimaan asteroidi Vestaa ja kääpiöplaneetta Ceres, ja se kuljettaa kolmea NSTAR-moottoria, jotka on testattu menestyksekkäästi Deep Space 1:ssä [1] .
Euroopan avaruusjärjestö on asentanut ionipotkurin GOCE-satelliittiin , joka laukaistiin 17. maaliskuuta 2009 erittäin matalalle Maan kiertoradalle noin 260 km:n korkeudessa. Ionimoottori luo impulssin vakiotilassa, joka kompensoi ilmakehän kitkaa ja muita ei-gravitaatiovaikutuksia satelliitissa [1] .
NASA esitteli Prometheus-projektin , jota varten kehitettiin tehokasta ionimoottoria, joka saa virtansa laivalla sijaitsevasta ydinreaktorista. Oletettiin, että sellaiset kahdeksan kappaleen moottorit voisivat kiihdyttää laitteen nopeuteen 90 km / s. Tämän projektin ensimmäinen laite - Jupiter Icy Moons Explorer - oli tarkoitus lähettää Jupiteriin vuonna 2017, mutta tämän laitteen kehitys keskeytettiin vuonna 2005 teknisten ongelmien vuoksi; vuonna 2005 ohjelma päätettiin [21] . Parhaillaan etsitään yksinkertaisempaa AMC-projektia ensimmäistä testiä varten Prometheus-ohjelman puitteissa [22] .
Jeffrey Landis ehdotti projektia tähtienvälisestä luotain, jossa on tukiaseman laserilla toimiva ionimoottori , mikä antaa jonkin verran etua puhtaasti avaruuspurjeeseen verrattuna . Tällä hetkellä tämä projekti ei ole toteutettavissa teknisistä rajoituksista johtuen – se vaatii esimerkiksi 1570 N:n työntövoiman ionipotkurien nykyisellä 20–250 mN [23] (muiden lähteiden mukaan nykyaikaisten ionipotkurien työntövoimaennätys). on 5,4 N [24] ).
Ionipropulsio ilmestyi ensimmäisen kerran tieteiskirjallisuuteen vuonna 1910, Donald W. Hornerin teoksessa Airplane to the Sun: An Adventure of an Aviator and His Friends [25] [26] .
Ionimoottori on laajalti edustettuna tieteiskirjallisuudessa, tietokonepeleissä ja elokuvissa (esimerkiksi Star Warsissa taloudellinen ionimoottori kehittää jopa kolmanneksen valon nopeudesta ja sitä käytetään liikkumaan tavallisessa avaruudessa pienillä etäisyyksillä avaruusstandardit - esimerkiksi planeettajärjestelmän sisällä [27 ] ), mutta ne tulivat käytännön astronautiikan käyttöön vasta 1900-luvun jälkipuoliskolla. Todellinen ionimoottori on teknisiltä ominaisuuksiltaan (ja ennen kaikkea vetovoimaltaan ) huomattavasti huonompi kuin kirjalliset prototyypit (esimerkiksi Edgard Chouairy vertaa kuvaannollisesti ionimoottoria autoon, joka tarvitsee kaksi päivää kiihtymään 0 - 100 km/h) [1] .