Gridded ion thruster - Gridded ion thruster

Elektrostatisk ionepropeller-en.svg

Den ioniserte thrusteren er en vanlig design for ionepropeller , en svært effektiv fremdrift med lavt trykk, som kjører på elektrisk kraft. Disse konstruksjonene bruke høyspenning gitterelektroder for å akselerere ioner med elektrostatiske krefter.

Historie

Ionmotoren ble først demonstrert av tyskfødte NASA- forsker Ernst Stuhlinger , og utviklet i praktisk form av Harold R. Kaufman ved NASA Lewis (nå Glenn) Research Center fra 1957 til begynnelsen av 1960-tallet.

Bruken av ionedrivsystemer ble først demonstrert i rommet av NASA Lewis " Space Electric Rocket Test" (SERT) I og II. Disse thrusterne brukte kvikksølv som reaksjonsmasse. Den første var SERT-1 , lansert 20. juli 1964, som med hell beviste at teknologien fungerte som forutsagt i verdensrommet. Den andre testen, SERT-II, som ble lansert 3. februar 1970, bekreftet driften av to kvikksølvionmotorer i tusenvis av driftstimer. Til tross for demonstrasjonen på 1960- og 70-tallet ble de sjelden brukt før slutten av 1990-tallet.

NASA Glenn fortsatte med å utvikle elektrostatiske gitter-ion-thrustere gjennom 1980-tallet, og utviklet NASA Solar Technology Application Readiness (NSTAR) -motoren, som ble brukt med suksess på Deep Space 1- sonden, det første oppdraget å fly en interplanetær bane med elektrisk fremdrift som den primære fremdrift. Den flyr for tiden Dawn- asteroideoppdraget. Hughes Aircraft Company (nå L-3 ETI) har utviklet XIPS (Xenon Ion Propulsion System) for å utføre stasjonsoppbevaring på sine geosynkrone satellitter (mer enn 100 motorer som flyr). NASA jobber for tiden med en 20-50 kW elektrostatisk ionepropeller kalt HiPEP, som vil ha høyere effektivitet, spesifikk impuls og lengre levetid enn NSTAR. Aerojet har nylig fullført testing av en prototype NEXT ion thruster.

Begynnelsen på 1970-tallet ble utviklet radiofrekvente ionepropeller ved Giessen University og ArianeGroup . RIT-10-motorer flyr på EURECA og ARTEMIS . Qinetiq (Storbritannia) har utviklet T5- og T6-motorene (Kaufman-typen), brukt på GOCE- oppdraget (T5) og BepiColombo- oppdraget (T6). Fra Japan fløy µ10 ved hjelp av mikrobølger på Hayabusa- oppdraget.

Metode for drift

Drivstoffatomer injiseres i utløpskammeret og ioniseres ved elektronbombardement og danner et plasma. Det er flere måter å produsere de energiske elektronene for utladning: elektroner kan sendes ut fra en hul katode og akselereres av potensiell forskjell med anoden; elektronene kan akselereres av et oscillerende elektrisk felt indusert av en alternerende elektromagnet, noe som resulterer i en selvopprettholdende utladning og utelater en hvilken som helst katode (radiofrekvensionpropeller); og mikrobølgeovn. De positivt ladede ionene diffunderer mot kammerets ekstraksjonssystem (2 eller 3 rutenett med flere blenderåpninger). Etter at ioner kommer inn i plasmaskjeden ved et gitterhull, akselereres de av potensialforskjellen mellom det første og det andre nettet (kalt henholdsvis skjerm- og akseleratorristene). Ionene blir ført gjennom ekstraksjonshullene av det kraftige elektriske feltet. Den endelige ionenergien bestemmes av potensialet til plasmaet, som vanligvis er litt større enn spenningen på skjermenettet.

Den negative spenningen i akselerasjonsgitteret forhindrer elektroner fra stråleplasmaet utenfor thrusteren i å strømme tilbake til utladningsplasmaet. Dette kan mislykkes på grunn av utilstrekkelig negativt potensial i nettet, noe som er en vanlig slutt for ionepropellerens levetid. De utviste ionene driver romfartøyet i motsatt retning, ifølge Newtons 3. lov . Elektroner med lavere energi sendes ut fra en separat katode, kalt nøytralisator, inn i ionestrålen for å sikre at like store mengder positiv og negativ ladning blir kastet ut. Nøytralisering er nødvendig for å forhindre at romfartøyet får en netto negativ ladning, noe som vil tiltrekke ioner tilbake mot romfartøyet og avbryte skyvekraften.

Opptreden

Ionoptikken bombes kontinuerlig av en liten mengde sekundære ioner og eroderer eller slites bort, og reduserer dermed motorens effektivitet og levetid. Ionmotorer må kunne kjøre effektivt og kontinuerlig i årevis. Flere teknikker ble brukt for å redusere erosjon; mest bemerkelsesverdige var å bytte til et annet drivmiddel. Kvikksølv- eller cesiumatomer ble brukt som drivmiddel under tester på 1960- og 1970-tallet, men disse drivstoffene holdt seg til og eroderte nettene. Xenonatomer er derimot langt mindre etsende og ble det valgte drivstoff for praktisk talt alle typer ionepropeller. NASA har demonstrert kontinuerlig drift av NSTAR- motorer i over 16 000 timer (1,8 år), og tester pågår fortsatt i dobbelt så lang levetid. Elektrostatiske ionepropeller har også oppnådd en spesifikk impuls på 30–100 kN · s / kg, bedre enn de fleste andre typer ionepropeller. Elektrostatiske ionepropeller har akselerert ioner til hastigheter som når 100 km / s .

I januar 2006 kunngjorde European Space Agency sammen med Australian National University vellykket testing av en forbedret elektrostatisk ionmotor, Dual-Stage 4-Grid (DS4G), som viste eksoshastigheter på 210 km / s , angivelig fire ganger høyere enn tidligere oppnådd, og tillater en spesifikk impuls som er fire ganger høyere. Konvensjonelle elektrostatiske ionepropeller har bare to nett, en høyspenning og en lavspenning, som utfører både ionekstraksjon og akselerasjonsfunksjoner. Imidlertid når ladningsdifferansen mellom disse nettene når rundt 5 kV, kolliderer noen av partiklene som ekstraheres fra kammeret med lavspenningsnettet, og eroderer det og kompromitterer motorens levetid. Denne begrensningen forbigås vellykket når to par rutenett brukes. Det første paret opererer med høyspenning, og har en spenningsforskjell på rundt 3 kV mellom dem; dette rutenettet er ansvarlig for å trekke ut de ladede drivstoffpartiklene fra gasskammeret. Det andre paret, som opererer ved lav spenning, gir det elektriske feltet som akselererer partiklene utover, og skaper trykk. Andre fordeler med den nye motoren inkluderer en mer kompakt design, slik at den kan skaleres opp til høyere trykk, og en smalere, mindre divergerende eksosfluke på 3 grader, som angivelig er fem ganger smalere enn tidligere oppnådd. Dette reduserer drivstoffet som trengs for å korrigere romfartøyets orientering på grunn av små usikkerheter i skyvevektorretningen.

Varianter

Den største forskjellen i de mange elektrostatiske ionepropellene er metoden for ionisering av drivstoffatomer - elektronbombardement (NSTAR, NEXT, T5, T6), radiofrekvens (rf) eksitasjon (RIT 10, RIT 22, µN-RIT), mikrobølgeovn eksitasjon ( µ10, µ20). Relatert til dette er behovet for en katode og en nødvendig innsats for strømforsyningene. Kaufman-motorer krever i det minste forsyninger til katoden, anoden og kammeret. RF- og mikrobølgetypene krever en ekstra RF-generator, men ingen anode- eller katodeforsyninger.

I utvinningssystemene oppstår det mindre forskjeller i rutenettgeometrien og materialene som brukes. Dette kan ha implikasjoner for nettets levetid.

Se også

Referanser

Eksterne linker