Éjecteur d\'ion
Un éjecteur d'ion de est une forme de la propulsion électrique utilisée pour la propulsion de vaisseau spatial de qui crée la poussée par l'accélération des ions. Des éjecteurs d'ion peuvent être caractérisés par la façon dont ils accélèrent les ions, avec les forces électrostatiques ou électromagnétiques étant employées. Les éjecteurs électrostatiques d'ion emploient la force de coulomb et accélèrent les ions dans la direction du champ électrique. Les éjecteurs électromagnétiques d'ion emploient la force de Lorentz pour accélérer les ions.
La poussée créée dans des éjecteurs d'ion est très petite comparée aux fusées chimiques conventionnelles , mais une impulsion spécifique très élevé, ou l'efficacité de propulseur, est obtenue.
En raison de leur puissance relativement élevée a besoin, donné la puissance spécifique des alimentations d'énergie, des éjecteurs d'ion sont actuellement seulement pratiques pour des applications de propulsion du dans-espace.
Origines
Les principes des éjecteurs d'ion retournent aux concepts développés par le autrichien allemand Hermann Oberth du physicien de / qui ont été édités dans son " célèbre de 1929 travaux ; Zur Raumschiffahrt de Wege » (manières au vol spatial). Un chapitre entier a été consacré à la puissance et à la propulsion électrique. Là il a expliqué ses pensées sur l'épargne de masse de la propulsion électrique, a prévu son utilisation dans la propulsion de vaisseau spatial de et le pilotage , et l'accélération électrostatique préconisée des gaz chargés.
Le premier éjecteur travaillant d'ion a été construit par le Harold R. Kaufman en 1959 aux équipements de la NASA Glenn. Il était semblable à la conception générale d'un éjecteur électrostatique quadrillé d'ion avec le mercure en tant que son carburant. Des essais suborbitaux du moteur suivi pendant les années 60 et dans 1964 le moteur ont été envoyés dans un vol suborbital à bord de l'essai de Rocket électrique de l'espace de 1 (SERT 1). Il a avec succès fonctionné pour les 31 minutes prévues avant de retomber à la terre.
Description générale
Les éjecteurs d'ion utilisent des faisceaux des ions (les atomes ou les molécules électriquement chargés) pour créer la poussée selon loi de Newton de la troisième. La méthode d'accélérer les ions varie, mais toutes les conceptions tirent profit de rapport de masse du / de charge de des ions. Ce rapport signifie que les différences potentielles relativement petites peuvent créer des vitesses très élevées d'échappement. Ceci réduit la quantité de la masse de réaction de ou de carburant exigé, mais les augmentations la quantité de puissance spécifique exigé comparée aux éjecteurs d'ion des fusées de produit chimique de peuvent donc réaliser les impulsions spécifiques extrêmement élevé que l'inconvénient de la basse poussée est basse accélération de vaisseau spatial parce que la masse des unités courantes de courant électrique est directement corrélée avec la quantité de puissance donnée. Cette basse poussée transforme des éjecteurs d'ion peu adaptés pour le vaisseau spatial de lancement en orbite, mais ils sont idéaux pour des applications de propulsion du dans-espace.De divers éjecteurs d'ion ont été conçus et ils tous généralement adaptés au-dessous de deux catégories. Les éjecteurs sont classés par catégorie en tant que le électrostatique ou électromagnétique. La différence principale est comment les ions sont accélérés. Les éjecteurs électrostatiques d'ion emploient la force de coulomb et sont classés par catégorie en tant qu'accélération des ions dans la direction du champ électrique. Les éjecteurs électromagnétiques d'ion emploient la force de Lorentz pour accélérer les ions.
Éjecteurs électrostatiques d'ion
Éjecteurs électrostatiques quadrillés d'ion
Les éjecteurs électrostatiques quadrillés d'ion de utilisent généralement le gaz de xénon. Ce gaz n'a aucune charge et est ionisé par en le bombardant avec des électrons d'un filament chaud de la cathode . Ce bombardement crée franchement - les ions chargés dus à la perte d'un électron. Ceux-ci franchement - les ions chargés alors répandent par la grille positive et écrivent une différence potentielle entre les grilles positives et négatives (anode et cathode). Cette différence potentielle accélère les ions de la grille positive à la grille négative aux vitesses élevées, qui laissent alors le moteur pour créer la poussée. Une autre cathode , sur l'extérieur du moteur, émet plus d'électrons qui combinent avec les ions pour les neutraliser. Ceci empêche le faisceau des ions de retourner au vaisseau spatial et de décommander de ce fait la poussée.
Recherche électrostatique quadrillée d'éjecteur d'ion (passé/présent) : -
solaire électrique de la promptitude d'application de technologie de propulsion de la NASA (NSTAR) -
évolutionnaire d'éjecteur du xénon (NEXT) de la NASA -
électrique nucléaire de système d'ion (NEXIS) de xénon -
électrique de propulsion de puissance élevée (HiPEP) - Duel-Étape 4-Grid (DS4G)
Éjecteurs à effet Hall
le à effet Hall des éjecteurs de accélèrent des ions avec l'utilisation d'un potentiel électrique maintenu entre une anode cylindrique et un plasma chargé d'a négativement - qui forme la cathode. La partie du propulseur (typiquement gaz de xénon ou de bismuth) est présentée près de l'anode, où elle devient ionisée, et des ions sont attirées vers la cathode gazeuse, ils accélèrent vers et par elle, prenant des électrons pendant qu'ils partent pour neutraliser le faisceau et laisser l'éjecteur à la vitesse élevée.L'anode et la cathode sont dans un tube cylindrique, et au centre est une transitoire qui est blessée pour produire un champ magnétique radial entre lui et le tube environnant. Les ions sont en grande partie inchangés par le champ magnétique, puisqu'ils sont trop massifs. Cependant, des électrons sont produits près de l'extrémité de la transitoire pour créer la cathode et sont bien plus affectés et sont emprisonnés par le champ magnétique, et tenus en place par leur attraction à l'anode. Certains des électrons se développent en spirales vers le bas vers l'anode, circulant autour de la transitoire dans un courant de Hall. Quand ils atteignent l'anode qu'ils effectuent le propulseur uncharged et la causent d'être ionisée, avant d'atteindre finalement l'anode et la fermeture le circuit.
Propulsion électrique d'émission de champ (FEEP)
les éjecteurs électriques de la propulsion (FEEP) d'émission de champ de de emploient un système très simple d'accélérer les ions liquides en métal pour créer la poussée. La plupart des conceptions emploient le césium ou l'indium comme propulseur. La conception se compose d'un petit réservoir de propulseur qui stocke le métal liquide, d'une fente très petite que le liquide traverse, et puis de l'anneau d'accélérateur. Le césium et l'indium sont dus utilisé à leurs poids atomiques élevés, bas potentiels d'ionisation, et bas points de fusion. Une fois que le métal liquide atteint l'intérieur de la fente dans l'émetteur, un champ électrique appliqué entre l'émetteur et l'anneau d'accélérateur fait devenir instable et ioniser le métal liquide. Ceci crée un ion positif, qui peut alors être accéléré dans le champ électrique créé par l'émetteur et l'anneau d'accélérateur. Ceux-ci franchement - des ions chargés sont alors neutralisés par une source extérieure des électrons afin d'empêcher le remplissage de la coque de vaisseau spatial.
Éjecteurs électromagnétiques d'ion
Éjecteurs inductifs pulsés (PIT)
Le a palpité des impulsions inductives d'utilisation des éjecteurs (PUITS) de poussée au lieu d'une poussée continue, et a la capacité de courir aux niveaux de puissance dans l'ordre de mégawatts (MW). Les puits se composent d'un grand enroulement encerclant un tube en forme de cône qui émet le gaz de propulseur suivant les indications du diagramme. L'ammoniaque est le gaz utilisé généralement dans des moteurs de MINE. Pour chaque impulsion de poussée le PUITS donne, une grande charge s'accumule d'abord dans un groupe de condensateurs derrière l'enroulement et est ensuite libérée. Ceci crée un courant qui se déplace circulairement la direction du jθ comme vu dans le diagramme. Le courant crée alors un champ magnétique dans la direction radiale extérieure (Br), qui crée alors un courant dans le gaz d'ammoniaque qui a été juste libéré dans la direction opposée du courant original. Ce courant opposé ionise l'ammoniaque et ces derniers franchement - des ions chargés sont accélérés à partir du moteur de MINE dû au croisement de jθ de champ électrique avec du Br de champ magnétique, qui est dû à la force de Lorentz .
Magnetoplasmadynamic (MPD)/accélérateur de force Lorentz de lithium (LiLFA)
Utilisation d'éjecteurs de Magnetoplasmadynamic (MPD) de et d'éjecteurs d'accélérateur de force de Lorentz de lithium (LiLFA) rudement la même idée avec l'éjecteur de LiLFA construisant au loin de l'éjecteur de MPD. De l'hydrogène, l'argon, l'ammoniaque, et le gaz d'azote peuvent être employés comme propulseur. Le gaz entre dans d'abord la chambre principale où il est ionisé dans le plasma par le champ électrique entre l'anode et la cathode. Ce plasma conduit alors l'électricité entre l'anode et la cathode. Ce nouveau courant crée un champ magnétique autour de la cathode qui croise avec le champ électrique, accélérant de ce fait le plasma dû à la force de Lorentz. L'éjecteur de LiLFA emploie la même idée générale que l'éjecteur de MPD, excepté deux différences principales. La première différence est que le LiLFA emploie la vapeur de lithium, qui a l'avantage de pouvoir être stocké comme solide. L'autre différence est que la cathode est remplacée par de plus petites tiges multiples de cathode emballées dans un tube creux de cathode. La cathode dans l'éjecteur de MPD est due facilement corrodé au contact constant avec le plasma. Dans l'éjecteur de LiLFA la vapeur de lithium est injectée dans la cathode creuse et n'est pas ionisée à sa forme de plasma/corrode les tiges de cathode jusqu'à ce qu'elle sorte le tube. Le plasma est alors accéléré using la même force de Lorentz.
Éjecteurs de plasma d'Electrodeless
Les éjecteurs de plasma d'Electrodeless de ont deux dispositifs uniques, le déplacement des électrodes d'anode et de cathode et la capacité d'étrangler le moteur. Le déplacement des électrodes emporte le facteur de l'érosion qui interdit la vie sur d'autres moteurs à ions. Le gaz neutre est d'abord ionisé par les ondes électromagnétiques électromagnétiques et ensuite transféré à une autre chambre où il est accéléré par une oscillation champ électrique et magnétique, également connue sous le nom de force de Ponderomotive de . Cette séparation de l'étape d'ionisation et d'accélération donnent au moteur la capacité d'étrangler la vitesse de l'écoulement de propulseur, qui change alors les valeurs de grandeur de poussée et d'impulsion spécifique.
Comparaisons
La table suivante compare des essais réels de quelques éjecteurs d'ion :
Durée de vie
Un facteur de limitation important des éjecteurs d'ion est leur petite force de la poussée . La petite poussée vient de la vitesse élevée d'échappement, qui exige alternativement beaucoup d'énergie, et l'exécution est finalement limitée par la puissance spécifique des sources d'énergie. En outre, beaucoup d'éjecteurs peuvent seulement manipuler de petits débits de propulseur, par exemple les conceptions quadrillées peuvent souffrir des effets « de charges spatiales » à des écoulements plus élevés.Éjecteurs de ce les bas de poussée ion de moyens doivent fournir la poussée continue pendant un temps très long afin de réaliser un changement raisonnable de vitesse (Delta-v ). Pour réaliser ces derniers delta-contre, des éjecteurs d'ion sont conçus durent pendant des périodes des semaines aux années.
Dans la pratique la durée de vie des éjecteurs d'ion ne sont pas infinie, en particulier les ions et les électrons à grande vitesse impliqués peuvent faire produire l'érosion et ceci peut être une issue.
Dans la conception électrostatique de base originale d'éjecteur d'ion, les ions se déplaçant par les grilles chargées mènent à l'érosion des grilles et de leur échec certain. Bien que cette érosion soit un facteur important dans la durée de vie d'un éjecteur d'ion, le moment nécessaire pour l'érosion principale des grilles à se produire est bien au-delà de la durée de vie nécessaire. Un essai de l'éjecteur électrostatique solaire électrique d'ion de la promptitude d'application de technologie de propulsion de la NASA (NSTAR) a eu comme conséquence 30.472 heures (approximativement 3.5 ans) de poussée continue à la puissance maximum. L'essai a été conclu avant n'importe quel échec et les résultats d'essai ont montré que le moteur n'approchait pas l'échec non plus.
Applications
Les éjecteurs d'ion ont beaucoup de demandes de propulsion du dans-espace. Les meilleures demandes des éjecteurs se servent de la longue vie où la poussée significative n'est pas nécessaire. Les exemples de ceci incluent des transferts d'orbite, des ajustements de l'attitude , la compensation de la drague pour les basses orbites terrestres , et ultra des ajustements précis pour des missions plus scientifiques. Des éjecteurs d'ion peuvent également être employés pour des missions spatiales interplanétaires et profondes où le temps n'est pas crucial. La poussée continue au-dessus d'un temps très long peut potentiellement accumuler une plus grande vitesse que les fusées chimiques traditionnelles.
Missions
De tous les éjecteurs électriques, les éjecteurs d'ion ont été le plus sérieusement considérés commercialement et académiquement à la recherche pour les missions interplanétaires et à l'orbite soulevant des manoeuvres. Des éjecteurs d'ion sont vus comme meilleure solution pour ces missions pendant qu'ils ont besoin du changement très élevé de la combinaison de vitesse qui peut être accumulée au-dessus de longues périodes. Plusieurs le vaisseau spatial ont fonctionné avec cette technologie.
SERT
Le premier était SERT (essai de Rocket électrique de l'espace de ) qui a examiné deux moteurs à ions de mercure pour des milliers d'heures courantes dans les années 70.
Espace lointain 1
la NASA a développé un éjecteur d'ion appelé le NSTAR pour l'usage dans leurs missions interplanétaires. Cet éjecteur a été examiné dans fortement - l'espace lointain 1 d'espace de réussi de sonde, a lancé en 1998. Hughes que a développé le XIPS (système de propulsion d'ion de xénon) pour exécuter le maintien en position sur les satellites géosynchrones ce sont les éjecteurs électrostatiques d'ion de et travaillent à côté d'un principe différent que les éjecteurs à effet Hall.
Artemis
Sur le le 2001 du 12 juillet , l'agence spatiale européenne pour lancer leur satellite de télécommunication d'Artemis , et l'a laissé dans une orbite de décomposition. L'offre chimique du propulseur du satellite était suffisante pour le transférer à une orbite semi-stable, et au cours des 18 mois suivants le système de propulsion à bord expérimental d'ion (destiné au maintien en position secondaire et à la manoeuvre) a été utilisé pour la transférer à une orbite géostationnaire.
Hayabusa
Le Hayabusa de l'agence spatiale japonaise, qui a été lancé en 2003 et avec succès rendezvoused avec le en forme d'étoile 25143 Itokawa et resté dans la grande proximité pendant beaucoup de mois pour collecter des échantillons et des informations, est actionné par quatre moteurs à ions de xénon. Il emploie des ions de xénon produits par microwave ECR, et un carbone/matériel Carbone-composé pour la grille d'accélération qui est résistante à l'érosion.
1 futé
L'éjecteur à effet Hall est un type d'éjecteur d'ion qui a été employé pendant des décennies pour la station de gardant par l'Union Soviétique et est maintenant également appliqué dans l'ouest : le le satellite 1 futé de s d'agence spatiale le européen ', lancé en 2003, l'a employé ( PPS-1350 - G de Snecma). Ce satellite a accompli sa mission sur le du 3 septembre 2006 , dans une collision commandée par sur le surface de s de lune le ', après qu'une déviation de trajectoire à pouvoir voir le cratère de 3 mètres que l'impact a créé du côté évident de la lune.
Aube
L'aube a été lancée sur le 2007 du 27 septembre pour explorer le nain de planète Ceres et le en forme d'étoile Vesta . Pour croiser de la terre à ses cibles elle emploiera trois éjecteurs d'ion de xénon d'héritage de l'espace lointain 1 (mise à feu seulement un par un) pour la prendre dans une longue spirale extérieure. Une mission prolongée dans laquelle l'aube explore d'autres asteroïdes après que Ceres est également possible. La commande de l'ion de l'aube est capable de l'accélération de 0 à 60 M/H en 4 jours.
Orienteur de LISA
L'orienteur de LISA de est un vaisseau spatial d'ESA à lancer en 2009. Il n'emploiera pas des éjecteurs d'ion en tant que son système de propulsion primaire, mais emploiera les éjecteurs colloïdaux et FEEP pour de basses poussées de commande-le très précise d'attitude de ces dispositifs de propulsion permettent pour déplacer les distances par accroissement de vaisseau spatial très exactement. C'est un essai pour la mission possible de LISA.
Voir également
Propulsion électrique
Éjecteurs colloïdaux
Propulsion de vaisseau spatial de
Fusée électrique nucléaire
Éjecteur à effet Hall
Éjecteur de Magnetoplasmadynamic de
Éjecteur de plasma d'Electrodeless de
Propulsion électrique d'émission de champ de
Le a palpité l'éjecteur inductif
VASIMR
EmDrive
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