Jonski motor

Jonski motor (, ) je vrsta električnog raketnog motora, čiji se princip rada zasniva na stvaranju potiska ubrzavanjem jona u protočnom mlazu gasa velike brzine, kroz električno polje. Navedeni pojam se isključivo odnosi na rešetkaste elektrostatičke jonske motore i često se pogrešno dovodi u vezu sa svima električnim sistemima jonskog pogona, uključujući i elektromagnetske sa plazmom.

Prednost ovog tipa jonskog motora je mala potrošnja goriva i dugotrajno vreme rada (period maksimalnog rada je preko tri godine). Nedostaci su mu zanemarljivi, u poređenju sa raketnim motorom na hemijsko gorivo. Potisak jonskih motora je vrlo mali, pogotovo u odnosu na dobijeni sa raketnim motorom na hemijsko gorivo. Ostvareni impuls sile mu je veoma veliki, zahvaljujući izuzetno maloj masi utrošenog goriva. Na osnovu toga, ostvaruje se vrlo visok koeficijent korisnog dejstva.

Trenutno se jonski motor koristi samo za pogon izvan Zemljine atmosfere, pošto radi samo u prostoru vakuuma i ne može pogoniti letelicu kroz atmosferu jer ne može raditi u prisustvu jona izvan motora. Osim toga, mali potisak jonskog motora nije dovoljan da savlada veliki aerodinamički otpor pri letu kroz atmosferu. Svemirski brodovi se lansiraju raketnim motorima na hemijsko gorivo, kroz atmosferu do planirane orbite u svemiru. Imajući to u vidu, jonskom motoru je velika prednost jedino u primeni za pogon svemirskih letelica u svemiru. Primenjuju se kao glavni pogonski motor za male automatske svemirske platforme, za upravljanje zadanom izmenom putanje i promenom orbite veštačkih zemaljskih satelita (za tu namenu su neki sateliti opremljeni sa više desetina manjih jonskih motora).

Postoje dva principa jonskih motora, jedan koristi elektrostatičku silu i ubrzavaju jone u smeru električnog polja, a drugi koriste Lorencovu silu. мини|desno|290п|NASA-in 2,3 -{kW NSTAR}- rešetkasti elektrostatički jonski motorмини|desno|320п|Jonski motor NSTAR Princip rada Jonski motor koristi ubrzavanje jona u mlazu gasa u elektrostatičkom polju, što u skladu sa zakonom o očuvanju količine kretanja stvara silu potiska. Principi ubrzavanja jona variraju, ali svi projekti se zasnivaju na doprinosu viskog odnosa masa goriva/masa jona, što stvara velike brzine izduvnih gasova (do 210 km / s, u poređenju sa 3-4,5 km / s za raketne motore sa hemijskim gorivom). Na taj način je značajno smanjena potrebna masa goriva za pogon raketa. Imajući u vidu te činjenice, jonski motori ostvaruju vrlo velike impulse sile. To značajno smanjuje potrošnju reaktivne mase joniziranog gasa, u odnosu na potrošnu reaktivne mase u raketama sa hemijskim gorivom, ali to zahteva relativno mnogo energije. Utroškom energije od 1–7 kW, ostvaruje se brzina protoka jona 20–50 km/s, a rezultat toga je potisak od 20–250 mN.

Nedostatak jonskog motora je što se sa tim malim potiskom ne može lansirati raketa, već samo za pogon u svemiru svemirskih letelica.

Jonski motori mogu biti elektrostatički ili elektromagnetski. Glavna razlika je u metodu pogona i ubrzavanja jona. Postoje dva principa jonskih motora, jedan koristi elektrostatičku silu u kome se pogone joni u smeru električnog polja, a drugi koriste Lorencovu silu.

Radni fluid (gorivo) je obično jonizirani inertni gas (argon, ksenon itd.), a može i živa. Gorivo se dovodi do jonizatora, koji je sam po sebi neutralan, ali kada je bombardovan sa visokoenergetskim elektronima on se jonizira. Tako se u komori stvara mešavina pozitivnih jona i negativnih elektrona. Za „filtriranje” elektrona, u komoru se uvlači cev sa katodnom rešetkom koja privlači elektrone u sebe. Pozitivne jone privlači sistem za sprovođenje koji se sastoji od dve ili tri rešetke. Među rešetkama, održava se velika razlika u elektrostatičkim potencijalima (+1090 Volti iznutra nasuprot -225 V spolja). Kao rezultat ulaska jona u prostor između rešetki, isti se ubrzavaju i zatim izbacuju u svemir. Generiše se sila potiska prema Trećem Njutnovom zakonu, i ubrzava se letelica. Elektroni zarobljeni u katodnoj cevi izbacuju se iz motora pod malim uglom u mlaznicu, u mlaz jonizovanog gasa. To je učinjeno, prvo, zato da trup letelice ostane neutralno napunjen, drugo, da „neutralni” joni na taj način se ne privlače natrag u letelicu.

Pošto električni jonski motor ostvaruje mali potisak, pogonjeni objekat sa njim ostvaruje malo ubrzanje. Prema definiciji standardnog Zemljino ubrzanja: i definicija sile, kao izvedene fizičke veličine , dobija se potvrda prethodno navedenog. Prema instituciji NASA (primena solarne tehnologije), motor koji proizvodi silu potiska od 92 mN ubrzava satelit mase od 1tone za 0,092N / 1000 kg = 9,2 m/s (ili 9,38 g). Međutim, to se ubrzanje može održavati neprekidno mesecima i godinama, za razliku od vrlo kratkog sagorevanja hemijskog goriva kod te vrste pogona raketa. Gde su: F je sila potiska u N, η je efikasnost P je električna energija u W, koja se koristi za dobijanje potiska, i Isp je specifični impuls u sekundama. Energetsko napajanje jonskih motora je obično preko električnih solarnih panela, a na velikim udaljenostima od Sunca se koristi nuklearna energija. U svakom slučaju, masa napajanja je proporcionalna vršnoj snazi ​​koja se može isporučiti, za ovu namenu. Gotovo da ne postoje nikakva energetska ograničenja za pouzdanu funkciju motora.

Jonski motor sa električnim napajanjem nije najperspektivniji tip pogona svemirskih letelica, ali je do sada u praksi najuspješniji. Radi dopunske ilustracije njegovih karakteristika, jednom jonskom motoru bi bilo potrebno vreme od dva dana da ubrza automobil do potrebne putne brzine u saobraćaju. Tehničke karakteristike znatno su mu slabije od navedenih u literaturi za prototipove (prvenstveno potisak), zbog ograničenih tehničkih mogućnosti prostora za punjenje gorivom, kojim se stvaraju joni. To ograničava specifični potisak (silu po poprečnom preseku motora). Jonski motori stvaraju nizak nivo potiska u poređenju sa raketnim motorom sa hemijskim gorivom (Dip spejs 1 ima potisak približno jednak težini jednog lista papira), ali on postiže visok specifični impuls, odnosno visoku efikasnost mase goriva, zahvaljujući izduvavanju gasa velikom brzinom. Snaga koja se prenosi na izduvni gas povećava se sa kvadratom brzine izduvavanja dok je povećanje potiska linearno. Kod raketnog motora sa hemijskim gorivom je obrnuto, daju veliki potisak, ali su u ukupnom impulsu ograničeni malom količinom energije koja se može hemijski uskladištiti u pogonskom gorivom. Praktičnom primenom dostupnih izvora energije, ubrzanje postignuto jonskim motorom je oko hiljadu puta manje od standardne gravitacije. Međutim, budući da deluje kao električni (ili elektrostatski) motor, on pretvara veći deo ulazne snage u kinetičku energiju izduvnog gasa. Dok raketni motor sa hemijskim gorivom radi kao toplotni motor, kod koga je limitirana brzina izduvnih gasova.

Istorija Ideju i koncept o jonskom motoru je razvio ruski naučnik Konstantin Ciolkovski, još 1911. godine. Prvi zapis o mogućnosti njegovog korišćenja je sačinio Robert H. Godard, a 1916. i 1917. godine, a izveo je prve eksperimente. Iako je jonski motor idealan u vakuumskom prostoru, ti prvi eksperimenti su ipak vršini u atmosferskim uslovima. Ernest Štulingeren je detaljno opisao i matematički modelirao tu tehnologiju, 1954. godine.

U Sovjetskom Savezu se pedesetih i šezdesetih godina dvadesetog veka razvijao se drukčiji Halov jonski motor i on je korišćen za rad na veštačkim satelitima od 1972. godine. Do 1990. godine je napravljeno skoro 200 takvih motora, a 1992. godine je ponuđen i zapadnim kupcima. , Novosti Kosmonavtiki, 1999, No.7

Aleksej Ivanovič Morozov je napisao 1955. godine, a 1957. objavio članak u JETP-u „O ubrzanju plazme pomoću magnetnog polja“.Морозов А. И.,„O ubrzanju plazme pomoću magnetnog polja“, časopis ЖЭТФ, 1957. godine, стран. 305—310 To je dalo podsticaj istraživanju, a već 1964. godine na sovjetskoj letelici Zond-2, prvi takav uređaj je lansiran u svemir bio je motor plazma-erozije koji je projektovao A. M. Andrianov. Taj solarni motor je imao namenu upravljanja usmeravanjen letelice, a energetski je napajan solarnim ćelijama.

Prvi američki operativni jonski elektrostatički motor (SAD, NASA) izgrađen je pod vođstvom Harolda Kaufmanruena, 1959. godine. Prva uspješna demonstracija toga jonskog motora je realizovana 1964. godine, u suborbitalnom letu (SERT I). Motor je uspješno radio za planiranih 31 minutu. Godine 1970. prošao je test koji je pokazao pouzdanost dugotrajnog rada elektrostatskih motora živih iona u svemiru (SERT II). Nizak potisak i niska učinkovitost dugo su odvraćali američke projektante od korištenja električnih i ionskih motora.

U međuvremenu, nastavljen je razvoj i delovanje Sovjetskog Saveza. Različiti tipovi jonskih motora razvijeni su i korišćeni na različitim tipovima svemirskih letelica. Motori SPD-25 su 25 milimetara, SPD-100, a drugi su serijski ugrađeni na sovjetske satelite od 1982. godine.

Kao glavni (održivi) motor, jonski motor je prvi put korišten na svemirskoj letelici Deep Space 1 (10. 11. 1998). Sledeća vozila bila su europska lunarna sonda Smart-1, lansirana 28. 09. 2003. i japanska letelica Hajabus, koja je lansirana u asteroid Itokava u maju 2003.

Sledeći tip letelice AMC Davn, proizvod centra NASA, pogonjena je jonskim motorima, nastala je nakon niza prekida i nastavaka rada, započetog 27. 09. 2007. godine. Davn je projektovan za proučavanje 4 Vesta i Cerera (patuljasta planeta), nosi tri NSTAR motora, a uspješno je ispitana na Deep Space 1.

Europska svemirska agencija instalirala je jonski motor na GOCE satelit, lansiranog 17. 09. 2009. godine u ultra-nisku zemljinu orbitu, na nadmorskoj visini od oko 260 km. Jonski motor stvara kontinualni impuls koji kompenzira aerodinamički otpor i druge ne-gravitacijske uticaje na satelit.

Varijante jonskih motora Projekat jonskih motora se može zasnivati na jednom od dva postojeća principa. Jedan koristi elektrostatičku silu i ubrzavanju jona u smeru električnog polja, a drugi koristi Lorencovu silu. Svaka od ove dve grupe jonskih motora ima više varijanti koncepcijskih tehničkih rešenja. Elektrostatički jonski motor Rešetkasti elektrostatički jonski motor Rešetkasti elektrostatički jonski motor () koristi uglavnom gas ksenon za pogon. Ksenon je neutralan gas, pa je neophodno da se bombarduje sa elektronima da bi se jonizovao, obično s katodnom žarnom niti. Kada se jonizuje, joni se ubrzavaju sa katode na anodu kroz električno polje (Kaufmanov tip). Sa druge strane, elektroni se mogu ubrzati sa oscilirajućim električnim poljem koje indukuje promenjivo magnetsko polje zavojnice (radiofrekventni tip). Pozitivno naelektrisane jone privlače 2 ili 3 redno postavljene rešetke, koje ih ubrzavaju svojom razlikom potencijala, obično za 1-2 -{keV}-, a rezultat postignute te velike brzine mlaza gasa je izduvavanje. 200п200пPrincip rada rešetkastog elektrostatičkog jonskog мотораPresek rešetkastog elektrostatičkog jonskog motora (Kaufmanovog tipa) Rešetkasti elektrostatički jonski pogon je ostvaren na projektima:350п|мини|Princip rada Halovog jonskog pogonaмини|desno|200п|Ruski Halov jonski pogon -{NSTAR}- () -{NEXT}- () -{NEXIS}- () -{HiPEP}- () -{RIT}- () -{DS4G}- ()

Halov jonski motor Halov jonski motor () ubrzava jone korišćenjem električnog potencijala između cilindrične anode i negativno naelektrisane plazme, koja predstavlja katodu. Gas ksenon ulazi blizu anode, gde se odmah postaje jonizuje, a jone privlači katoda i ona ih ubrzava, a uz put pokupi elektrone i tada neutralan napušta prostor sa velikom brzinom strujanja.

Anoda je na jednom kraju cilindrične cevi, u centru ima šiljak koji stvara radijalno magnetno polje. Na jone uglavnom ne utiče magnetno polje pošto su veliki, ali na elektrone utiče šiljak na anodi, sa kojim bivaju uhvaćeni a neki se kreću spiralno, zahvaćeni Halovom strujom, te utiču na gas ksenon i joniziraju ga.

Jonski motor sa електричноm пропулзијоm emisije polja