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.

К недостаткам таких двигателей относятся требования к большой мощности (из-за высокого удельного импульса), к длительному сроку службы (из-за низкой тяги) и к сложному энергообеспечению.

Телекоммуникационный спутник Artemis

В последние годы ионные двигатели устанавливались на спутниках связи, в частности на исследовательской станции НАСА Deep Space 1 (DS 1) и на экспериментальном геостационарном спутнике связи ESA Artemis. В последнем случае, благодаря наличию на борту ионных двигателей, удалось спасти казавшийся окончательно утраченным спутник ценой в миллионы долларов.

Нештатная работа верхней ступени ракеты-носителя Ariane 5, выводившей на орбиту спутник Artemis, привела к тому, что орбита Artemis оказалась значительно ниже расчетной. Обычно это приводит к потере спутника. Если он несет в себе угрозу другим космическим аппаратам, его топят (тяжелые аппараты) или «сжигают» в атмосфере. Но Artemis избежал этой печальной участи.

Благодаря экстренно принятым мерам и ценой расходования практически всего запаса химического топлива, имевшегося на борту, спутник удалось перевести на круговую орбиту высотой 31 тыс. км. Но после этого надо было перевести Artemis на расчетную геостационарную (высотой около 36 тыс. км). Тогда и было принято решение воспользоваться четырьмя ионными двигателями, установленными на борту попарно. Они изначально предназначались для управления ориентацией (наклоном) спутника. Что бы осуществить переход вектор тяги двигателей был направлен перпендикулярно плоскости орбиты. Но для спасения аппарата ему необходимо было придать импульс в плоскости орбиты, и таким образом перевести на более высокую геостационарную орбиту. Artemis требовалось повернуть на 90 градусов по отношению к его нормальной ориентации.

Сложнейшая спасательная операция, потребовала выработки «на ходу» новой стратегии действий, новых режимов управления спутником и функционирования бортовой аппаратуры. Потребовалось модифицировать 20% всего бортового программного обеспечения. И все же операция прошла весьма успешно. О ее сложности свидетельствует тот факт, что только для перепрограммирования бортовой системы управления потребовалось подгрузить с Земли модифицированные блоки программного обеспечения общим объемом в 15 тыс. слов. Это была самая масштабная операция по перепрограммированию с Земли телекоммуникационного спутника.

Несмотря на скромную тягу (всего 15 миллиньютон) Artemis стал «карабкаться» на расчетную орбиту, поднимаясь на 15 км в день. Вся спасательная операция заняла 18 месяцев. 31 января 2003 года Artemis оказался именно там, где ему следовало бы оказаться еще полтора года назад. Первая в мире спасательная операция, исход которой целиком зависел от надежности ионных двигателей и слаженных действий людей на Земле, прошла успешно. Спутник, считавшийся безнадежно потерянным, приступил к нормальной работе