Як працює іонний двигун?

Іонний двигун — різновид електричного ракетного двигуна, робочим тілом якого є іонізований газ (ксенон, цезій тощо).

Люди завжди питають мене, чому ми застрягли з хімічні ракети.
Серйозно, підриваючи купу водню або гас - краще, що ми можемо зробити?
Хороші новини, є й інша, екзотична наука фантастичні рухові установки, що використовують електромагнітні поля для прискорення атоми, дозволяючи їх космічним кораблям розганятися місяцями одночасно.
Я говорю про іонних двигунах, звичайно, і кілька космічних кораблів вже використовували ці екзотичні двигуни, щоб виконати деякі з найбільш дивовижні місії в дослідженні сонячної системи.
Я знаю, я знаю, хімічні ракети здаються дійсно примітивний.
Взяти тонни рідкого або твердого палива, світло це в вогні з окислювачем, а потім використовувати швидкість вибухонебезпечних газів, щоб дати вам удар в протилежному напрямку.
Спасибі Третій Закон Ньютона.
Але хімічні ракети роблять свою справу.
Ці гази дають ракеті удар, в якому вона потребує потрапити в космос.
Тому що вони приносять свій власний окислювач з них працюють в атмосфері і працюють в безповітряному просторі.
Перевага ракет в тому, що вони можуть доставити величезну кількість енергії в короткі проміжки часу, вид реакції ви потрібно підірвати тонни вантажу з Землі і в космос.
Але вони неймовірно неефективні.
550 метричних тонн Falcon Heavy несе майже 400 тонн палива і окислювача.
Перший етап буде горіти тільки 162 секунди, і другий етап буде спрацьовувати протягом 397 секунд.
Це дає вам загальний час запису близько 9,5 хвилин Хочете здійснювати більше маневрів?
Хочете прискорити дні, тижні або навіть місяці?
Шкода, у тебе немає палива.
Звичайно, ці недоліки від хімічного ракети привели вчених до пошуку інших рушіїв, особливо коли Ви перебуваєте в космосі, і одним з найуспішніших на сьогодні є іонний двигун.
Коли ви працюєте над рівнянням ракети, важливим фактором є швидкість, з якою ви викидаєте паливо.
Найбільш ефективна хімічна ракета може кинути гарячі гази виходять ззаду зі швидкістю 5 км/с.
Іонні двигуни, з іншого боку, можуть викидати окремі атоми 90 кілометрів в секунду.
Ця висока швидкість дає космічному кораблю набагато більш ефективне прискорення.
Кращі хімічні ракети бачать ефективність використання палива близько 35%, в той час як іонні двигуни бачать ефективність 90%.
То як же працюють іонні двигуни?
Це насправді досить дивно, і повністю звучить як наукова фантастика.
Замість гарячих газів іонні двигуни викидають іонів.
Це атоми або молекули, які мають електричний заряд, тому що вони втратили або отримали електрон.
У разі іонного двигуна вони випускають позитивно заряджені іони, що втратили електрон.
Як тільки у вас є іони, ви можете направити їх з магнітним полем, розганяючи їх в космос з величезною швидкістю.
Так звідки вони беруть все іони?
Двигуни створюють їх, генеруючи плазма усередині космічного корабля.
Вони бомбардують нейтральні атоми палива деяких газ, як ксенон з електронами.
Ці зіткнення випускають ще більше електронів з ракетного палива, перетворюючи їх в позитивно заряджені іони.
Це плазмовий суп з електронів і позитиву заряджені іони мають загальний нейтральний заряд.
Електрони утримуються в камері, ведучи для більш іонізуючих подій, в той час як позитивні іони відкачуються через сітку на кінець камери.
Коли вони проходять через цю сітку, висока напруга розганяє їх із задньої частини корабля на швидкості до 90 км/с.
Для кожної іонізованої частинки, що космічний корабель може вигнати, він отримує крихітний удар у відповідь.
Вся система працює від сонячних батарей, так що самому космічному кораблю не потрібно нести будь-яку батарею або систему харчування, мінімізувати загальну вагу, який він повинен нести.
Велика проблема в тому, що цей удар дійсно крихітний.
Тяга іонних двигунів вимірюється в міліньютонах, як тисячні частки ньютона.
Тримайте аркуш паперу в руці, це види задіяних сил.
Але вони можуть працювати дні, тижні, навіть місяців, прискорюватися і прискорюватися ще довго після того, як хімічні ракети закінчаться палива.
Так що, якщо ви вже поза гравітації Що стосується планети, то вони є дуже ефективними двигунами для різких змін швидкості.
НАСА та інші космічні агентства насправді дуже успішно використовував іонні двигуни в ряді місій.
Вони розробляли цю концепцію двигуна протягом десятиліть, але ніколи не були готові ризикувати в активній місії, де невдача могла закінчити.
НАСА зібрала купу ризикованих технологій, і об'єднує їх як місію Deep Space 1, розпочату в 1998 році.
Deep Space 1 був оснащений 12 різними технології, які НАСА хотіло випробувати, включаючи малопотужну електроніку, сонячний концентратор масиви, різні наукові прилади і сонячна електрична силова установка.
Його двигун працював на величезні довжини час, що дозволяє йому проводити ретельні спостереження за астероїдами і кометами і навіть Марсом.
НАСА подвоїло технологію Deep Простір 1, надаючи своїй Dawn Mission три надлишкових іонних двигуна.
Це дозволило космічному апарату вийти на орбіту навколо астероїда Веста, зробіть спостереження, потім прорвіться по орбіті і рушайте до астероїда Церера і зробити ще більше спостережень.
І це все ще може мати паливо в баку, щоб відвідайте ще більше астероїдів.
Просто щоб відчути його прискорення, Світанок може проходити від 0 до 100 км/год за 4 дні безперервного поштовху.
Іонні двигуни використовувалися для перенесення Smart ESA 1 космічний корабель з орбіти Землі на місячну орбіту і на японському космічному кораблі Хаябуса.
Іонні двигуни були випробувані тут, на Землі, і успішно експлуатується понад 5 років безперервно.
З цими успіхами ми побачимо ще більше космічних апаратів, оснащених іонними двигунами в майбутньому, але самі іонні двигуни стають більш потужними і винахідливими.
Я сказав, що іонні двигуни виробляють дуже мало тяги, але є деякі ідеї, щоб підвищити їх продуктивність.
По-перше, різко збільшити суму електроенергії ви використовуєте для прискорення іонів.
Замість сонячних батарей НАСА розглядає можливість створення іонний двигун з ядерним реактором.
Близько 15 років тому НАСА вважала місію відома як місія "Юпітер крижаний супутник".
Приведено в дію ядерних електричним ксеноновими іоном Системний (або NEXIS) двигун, космічний корабель буде здатний досліджувати кожен з Юпітера крижані великі місяця в послідовності: Ганімед, Калісто і Європа.
Космічний корабель був би запущений в орбіту в трьох окремих частинах, які потім будуть зібрані на навколоземній орбіті і запущені на Юпітер.
Космічний корабель буде використовувати свої 8 іонних двигунів вивчати Калісто, а потім Ганімеда по три місяці кожен, а потім влаштуватися в фінал орбіта навколо Європи.
Якби умови були правильними, це могло б навіть піти на орбіту навколо Іо.
Звичайно, у нас немає хороших речей, і місія була скасована ще у 2005 році.
Існують і інші способи, якими іонні двигуни можуть бути масштабується до.
НАСА відчуває версію іона високої тяги двигуни, відомі як двигуни залу X3.
Цей двигун здатний підривати іони, і виробляє 5,4 ньютона сили.
Знову не сильно, але пам'ятайте, що попередній двигуни досягають максимуму в тисячних частках ньютонів.
На найвищих рівнях потужності це може бути технологія, яка доставить астронавтів-людей на Марс, скорочуючи час польоту до всього кілька місяців.
Інженери планують запустити X3 за 100 годинні тести в цьому році, щоб побачити, чи має він той же вид довгострокової роботи, що і менші іонні двигуни.
Найкрутіша ідея, про яку я недавно чув іонні двигуни - це ідея повітряно-реактивного двигуна, що розробляється Європейським простором Агентство.
Замість того, щоб нести якесь паливо, інженери ESA продемонстрували, що космічний корабель на низькій навколоземній орбіті повинен мати можливість тягти в молекули повітря прямо з атмосфери, а потім іонізувати їх і підірвати їх назад.
Оскільки космічний корабель буде використовувати необмежену сонячна електрика для енергії, і, витягуючи його паливо з атмосфери, він міг би працювати без дозаправки протягом тривалого часу.
Космічний корабель міг працювати на малих висотах, і космічні станції можуть залишатися на низькій навколоземній орбіті необмежений час без необхідності перезавантаження.
Це змінить правила гри.
І не тільки Земля, ця технологія могла використовуватися на Марсі, Венері або Титані.
Скрізь з атмосферою.
Іонні двигуни вже вплинули на освоєння космосу, і в найближчі кілька років ми побачимо більше обладнаних місій з ними.
Вони можуть навіть бути двигунами, які несуть людські космонавти з Землі на Марс в найближчі десятиліття.