Ионный двигатель

Особенности

Профессии, которые напрямую связаны с морем, требуют множества профессиональных навыков и определенных личных качеств. Принимать решение следует со всей серьезностью, ведь реальность сильно отличается от представлений. На корабле человек должен проявлять не только физическую силу, но и психическую устойчивость.

Перечислим плюсы работы моряка.

1. Высокая зарплата. Моряки на отечественных судах получают большие деньги, а вот на иностранных – в разы больше. При этом во время плавания человек обеспечен всем необходимым и тратить деньги ему особо негде, разве что при коротких остановках в портах.
2. Путешествия. В море люди работают и имеют возможность посмотреть мир. В каждом порту можно посетить интересные места, попробовать экзотические блюда, приобрести сувениры.
3. Собственное дело. Рейсы позволяют накопить большую сумму, которой вполне достаточно для открытия личного дела. Так, моряк может заменить поездки на небольшую транспортную компанию или что-то подобное.

Работать в море сложно, это требует большой выдержки и устойчивости. Моряки долгое время не видят семью, что также откладывает свой отпечаток. Однако это не все минусы.

1. Сложные условия труда. На судне обычно деятельность построена по принципу 6 часов работы и 6 часов отдыха. Машинистов при этом всегда сопровождает шум. Нередко морякам приходится везти опасные грузы, например, нефть или химикаты. Это несет серьезный риск для здоровья и жизни. Любой рейс сопровождается постоянной качкой. Кроме того, на корабле довольно жарко, всегда есть много неприятных запахов и сильный шум. На корабле мало развлечений, нет свежих продуктов, некачественная вода. Также моряки сталкиваются с частой сменой часовых поясов.
2. Совмещение. В рейсе нет выходных дней. Также владельцы кораблей стараются экономить на дополнительных рабочих, перекладывая задачи на основной экипаж. Так, моряк часто занимается и погрузкой, выгрузкой товара.
3. Изоляция. Моряки длительное время проводят вдали от цивилизации, а для этого нужно иметь достаточное самообладание. На корабле можно общаться с членами экипажа. Вот только если кто-то не сошелся с кем-то характером, то могут возникнуть сложности.
4. Вдали от семьи. Моряки не видят, как растут их дети, не участвуют в решении бытовых домашних вопросов. Даже позвонить родственникам получается нечасто: в море нет мобильной сети.
5. Долгие рейсы. На судне обычно нет врача. Моряк должен иметь хорошее здоровье и иммунитет. После рейса обязательно нужно восстановиться. В противном случае могут возникнуть серьезные заболевания и хронический стресс.

После рейса длительностью 9 месяцев психике не хватает 2–3 месяцев на восстановление. Врачи заметили, что такие длительные рейсы накладывают серьезный отпечаток на личность и его психическое состояние. В Великобритании моряк, который пробыл в рейсе более 100 дней, не может принимать участие в выборах до конца своей реабилитации. После длительного плавания у человека стираются границы, он воспринимает мир как одну площадку. Также моряки теряют чувство тоски, пропадает привязанность к дому и людям.

Период реабилитации после рейса очень важен. За это время моряк вновь адаптируется к социуму, привыкает к распорядку дня и ритму обычной жизни.

Навигация по записям

Сущность, строение и принцип работы ионного двигателя:

Ионный двигатель – тип электрического ракетного двигателя, принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.

Впервые устройство ионного двигателя было предложено русским ученым К.Э. Циолковским в 1906 г. В дальнейшем осуществлялось теоретическая проработка данного вопроса. В настоящее время происходит его практическое воплощение.

Ионный двигатель работает, используя ионизированный газ и электричество.

Рабочим телом, как правило, является ионизированный инертный газ (аргон, ксенон и т. п.), но иногда и ртуть.

Инертный газ подается в ионизатор (газоразрядную, ионизирующую камеру) ионного двигателя.  Сам по себе газ нейтрален, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Зажигание двигателя инициируется кратковременной подачей электронов, эмитируемых в газоразрядную (ионизирующую) камеру.  В ионизаторе высокоэнергетические электроны производят ионизацию рабочего тела – газа. Таким образом в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов.

Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны. Положительные же ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2 или 3 сеток (положительно-заряженной и отрицательно-заряженной). Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против -225 на внешней).  В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя космический аппарат, согласно третьему закону Ньютона. Электроны, пойманные в катодную трубку (нейтрализатор), выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов.

Для выработки электричества используются солнечные батареи. Но в дальнейшем планируется использовать ядерные установки.

Использование внешнего магнитного поля в ионном двигателе позволяет повысить энергоэффективность системы.

Ионные двигатели характеризуются высоким импульсом. Они расходуют малое количество газа для совершения маневра.

Можно ли собрать плазменный двигатель своими руками

В качестве демонстрационного образца «ионного двигателя» используется достаточно простое устройство, известное среди радиолюбителей под названием «качер Бровина». С его помощью можно наблюдать эффектные коронные разряды, молнии, а также плазменные дуги. Устройство было изобретено в 1987 году советским радиоинженером Владимиром Бровиным. Оно настолько простое, что изготовить его своими руками сможет даже начинающий радиолюбитель.

Качер Бровина питается от модифицированного сетевого адаптера 12 В, 2 А, потребляет 20 Вт. Он преобразует электрический сигнал в поле частотой 1 Мгц с эффективностью 90%. Для сборки устройства также потребуется пластиковая труба 80х200 мм — на неё будут намотаны первичные и вторичные обмотки резонатора. Вся электронная часть устройства размещается в середине этой трубы. Эта схема полностью стабильна, она может работать сотни часов без перерыва.

Демонстрационный образец работы «ионного двигателя» достигается последовательным повышением напряжения, подаваемого на качер Бровина. Если схема была собрана на транзисторе КТ902А, то стример на конце иглы должен появиться на 4 вольтах. С повышением напряжения он будет возрастать. При достижении 16 вольт он превратится в визуальный аналог фантастического «репульсорного» луча, а при 18 В увеличится примерно до 17 мм. Далее под напряжением 20 В электрические разряды будут напоминать в работе настоящий ионный двигатель.

Реальная двигательная установка, обеспечивающая заметную реактивную тягу при истечении плазмы, более известна как СМОЛА (Спиральная Магнитная Открытая ЛовушкА). Фактически она представляет собой собранный своими руками плазменный двигатель с небольшими по мощности характеристиками. Установка СМОЛА в целом представляет собой трубу с винтовым магнитным полем, которая заканчивается парой расширителей. Оптимальной считается комбинация из общей длины устройства (6 метров), величины магнитного поля (до 0,3 Тесла) и плотности плазмы (10^19 частиц в кубометре).

Оптимизированная система СМОЛА (отмечены два винтовых проводника с током и пачка плоских катушек)

Реально действующая установка СМОЛА требует наличия достаточно серьёзной техники, в составе которой требуется:

• Вакуумная система (в том числе турбомолекулярные роторные насосы), обеспечивающая давление ниже 10^-4 Па (одна миллиардная атмосферы);
• Магнитная система, представляющая собой шину сечением 15 мм из твёрдой меди;
• Суперконденсаторные сборки, выдающие от 200 кДж накопленной энергии.

Получившаяся плазма растекается вдоль силовых линий магнитного поля, проходит через трубу с винтовым полем, после чего, расширяясь, попадает на плазмоприёмник из изолированных друг от друга молибденовых пластин. Между пластинами можно подавать любые желаемые напряжения, чтобы раскрутить плазму радиальным электрическим полем.

Литература

Поиск решения

Как уже упоминалось, основная проблема ионных двигателей заключается в очень малой тяге, однако у ученых уже есть некоторые идеи для ее увеличения.

Первая — значительно увеличить количество электричества и силу магнитного поля, используемого для ускорения ионов. Для этого, вместо солнечных панелей, НАСА рассматривало возможность создания ионного двигателя, работающего на ядерном реакторе. Агентство планировало миссию по изучению ледяных спутников Юпитера. Новый ионный двигатель «NEXIS», работающий на ядерном реакторе, должен был доставить аппарат по очереди: к Ганимеду, Каллисто и, затем, к Европе.

Ионный двигатель «NEXIS»

Космический аппарат планировалось вывести на орбиту Земли по частям, произвести сборку, после чего запустить к Юпитеру с помощью 8 ионных двигателей. Полет до точки назначения длился бы от 5 до 8 лет. На изучение Каллисто, а затем Ганимеда отводилось 6 месяцев, затем аппарат должен был выйти на орбиту Европы и через 30 дней покинуть место назначения. При удачном течении экспедиции, аппарат мог бы посетить еще орбиту Ио — еще одного спутника Юпитера. Миссия была отменена в 2005 году.

Галерея изображений

Новости

PoletPilot

В клубе можно не просто полетать на самолете. Вы приобретаете подарочный сертификат на полет, который позволит вам получить полноценный урок пилотирования самолета.

Перед полетом инструктор объяснит назначение органов управления самолетом и приборного оборудования. После получения по радио «добро» от руководителя полетов будет запущен двигатель, и вы будете делать следующее:

1. Руление на предварительный старт.
2. Взлет и набор высоты. Взлет выполняет инструктор, курсант мягко держится за управление.
3. Демонстрация принципов пилотирования. Инструктор демонстрирует управление самолетом по крену тангажу и рысканью, объясняет понятие скольжения, учит распределению внимания.
4. Горизонтальный полет.
5. Выполнение координированных разворотов с креном до 30 градусов.
6. Демонстрация набора высоты и снижения.
7. Снижение и заход на посадку. Выполняет инструктор, курсант мягко держится за управление.
8. Руление на стоянку. Курсант совместно с инструктором.

Стоимость:Sport Cruiser — от 6 500 руб.Zodiac — от 6 500 руб.Як-52 — от 9 000 руб.Як-18Т — от 9 000 руб.RV 12 — от 6 000 руб.Dragonfly — от 4 000 руб.

Миссии

Действующие миссии

• Starlink — проект компании Илона Маска SpaceX по выведению спутников на околоземную орбиту для создания глобальной сети интернет. Технология используется для маневрирования спутников и избежания их столкновения с космическим мусором[источник не указан 701 день].
• Artemis
• Хаябуса-2
• BepiColombo. Запущен 20 октября 2018 года. ЕКА использует ионный двигатель в этой меркурианской миссии, наряду с гравитационными манёврами и химическим двигателем для перехода на орбиту вокруг Меркурия в качестве искусственного спутника. На аппарате работают самые мощные на сегодняшний день 4 ионных двигателя суммарной тягой 290 мН.

Завершённые миссии

• SERT (англ. Space Electric Rocket Test, рус. Тест Космического Электрического Двигателя — программа NASA, в которой на спутниках впервые был использован ионный двигатель)
• Deep Space 1
• Hayabusa (вернулся на Землю 13 июня 2010 года)
• Smart 1 (завершил миссию 3 сентября 2006 года, после чего был сведён с орбиты)
• GOCE (после исчерпания запасов рабочего тела сошёл с орбиты)
• LISA Pathfinder (ЕКА) использовал ионные двигатели в качестве вспомогательных для точного контроля высоты; деактивирован 30 июня 2017.
• Dawn. 1 ноября 2018 года аппарат исчерпал все запасы топлива для маневрирования и ориентации, его миссия, длившаяся 11 лет, была официально завершена.

Планируемые миссии

• Международная космическая станция. По состоянию на март 2011 года планировалась доставка на МКС электромагнитного двигателя (VASIMR) Ad Astra VF-200 с мощностью в 200 кВт VASIMR. VF-200 представляет собой версию VX-200. Поскольку доступная электрическая мощность на МКС меньше 200 кВт, проект ISS VASIMR включал в себя систему батарей, которая накапливала энергию для 15 минут работы двигателя.
• Solar Orbiter.

Нереализованные миссии

Компьютерная модель Прометея-1

NASA ввело проект «Прометей», для которого разрабатывался мощный ионный двигатель, питающийся электричеством от бортового ядерного реактора. Предполагалось, что такие двигатели в количестве восьми штук могли бы разогнать аппарат до 90 км/с. Первый аппарат этого проекта Jupiter Icy Moons Explorer планировалось отправить к Юпитеру в 2017 году, однако разработка этого аппарата была приостановлена в 2005 году из-за технических сложностей. В 2005 году программа была закрыта. В настоящее время идёт поиск более простого проекта АМС для первого испытания по программе «Прометей».

Проект Джефри Лэндиса

Geoffrey A. Landisru_en предложил проект межзвёздного зонда с ионным двигателем, получающим энергию через лазер от базовой станции, что даёт некоторое преимущество по сравнению с чисто космическим парусом. В настоящее время данный проект неосуществим из-за технических ограничений — например, он потребует силы тяги от ионных двигателей в 1570 Н при нынешних 20—250 мН(по другим данным рекорд тяги у современных ионных двигателей 5,4 Н).

Системы видеонаблюдения

Ионный двигатель Мичиганского университета разрушает данные о мощности

— Новости от 13 марта 2018 года —

Ионные двигатели обещают блестящее будущее для освоения космоса. Их наибольшая сила заключается в низком потреблении топлива, а их самой большой слабостью является отсутствие у них силы. Таким образом, разработка мощного электродвигателя будет технологическим прорывом, который даст большое преимущество для изучения солнечной системы и, возможно, даже для ее колонизации. Команда Мичиганского университета работает с НАСА, чтобы разработать и испытать движок Холла под названием X3. Этот майнинг разрушил все рекорды власти и тяги. Он смог работать мощностью 102 киловатт для тяги 5,4 Ньютона. Он превосходит толчок рекордного движения Холла более чем на 60%.

Ионное движение является одной из возможностей, которые НАСА изучает для марсианского путешествия. В настоящее время X3 способен работать до ста киловатт. При использовании системы мощностью 500 киловатт или даже 1 мегаватта этот тип двигателей станет достаточно мощным, чтобы управлять жилыми миссиями за пределами лунной орбиты. Чтобы достичь большей мощности по сравнению с обычными двигателями Холла, Мичиганский университет разработал серию колец для направления плазмы. Рулевое управление довольно внушительное: почти метр в диаметре. Мы предполагаем, что если мы хотим умножить власть на десять, то мазут должен быть огромным. Чтобы X3 действительно проявил себя, он должен провести испытание на полную мощность в течение длительного времени. Ионное движение действительно интересно, только если низкая мощность компенсируется очень длинными длительностями. Таким образом, X3 будет проходить испытание в течение 100 часов в следующем году.

Следующим шагом будет интеграция X3 в дизайн, созданный компанией Aerojet Rocketdyne. Эта компания будет отвечать за проектирование системы электропитания и системы подачи ксенона для двигателя. В своей окончательной конструкции X3 должен иметь возможность работать до 200 киловатт и приводиться в действие солнечными батареями. Это основная трудность: 2500 квадратных метров солнечных панелей Международной космической станции (МКС) производят только 120 киловатт электроэнергии в наилучших условиях. Необходимая поверхность солнечной панели была бы огромной для космического корабля, чья двигательная система требует только 200 киловатт и к которой должны быть добавлены электрические потребности самой миссии.

Изображение NASA (Public Domain), Викискладе

источники

Примечания

История

Впервые ионный двигатель появился в фантастике в 1910 году — в романе Дональда В. Хорнера «Аэроплан к солнцу: приключения авиатора и его друзей». Ионный двигатель широко представлен в фантастической литературе, компьютерных играх и кинематографе (так в «Звёздных войнах» экономичный ионный двигатель развивает скорость до трети световой и используется для перемещения в обычном пространстве на небольшие по космическим меркам расстояния — например в пределах планетарной системы), но для практической космонавтики стал доступен только во второй половине XX века. Реальный ионный двигатель по своим техническим характеристикам (и в первую очередь по силе тяги) значительно уступает своим литературным прообразам (так Эдгард Чуэйри образно сравнивает ионный двигатель с автомобилем, которому нужно двое суток для разгона с 0 до 100 км/ч).

Ионный двигатель является первым хорошо отработанным на практике типом электрического ракетного двигателя. Концепция ионного двигателя была выдвинута в 1917 году Робертом Годдардом, а в 1954 году Эрнст Штулингерru_en детально описал эту технологию, сопроводив её необходимыми вычислениями.

В 1955 году Алексей Иванович Морозов написал, а в 1957 году опубликовал в ЖЭТФ статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». Это дало толчок к исследованиям, и уже в 1964 году на советском аппарате «Зонд-2» первым таким устройством, выведенным в космос, стал плазменно-эрозионный двигатель конструкции А. М. Андрианова. Он работал в качестве двигателя ориентации с питанием от солнечных батарей.

Первый американский функционирующий ионный электростатический двигатель (создан в США в НАСА John H. Glenn Research Center at Lewis Field) был построен под руководством Гарольда Кауфманаru_en в 1959 году.
В 1964 году прошла первая успешная демонстрация ионного двигателя в суборбитальном полёте (SERT I). Двигатель успешно работал в течение запланированной 31 минуты.
В 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II). Малая тяга и низкий КПД надолго отвадили американских конструкторов от применения электрических и ионных двигателей.

Тем временем в Советском Союзе продолжалась разработка и улучшались характеристики. Были разработаны и применялись различные типы ионных двигателей на различных типах космических аппаратов. Двигатели СПД-25 тягой 25 миллиньютон, СПД-100, и другие серийно устанавливались на советские спутники с 1982 года.

В качестве основного (маршевого) двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1 (первый запуск двигателя — 10 ноября г.). Следующими аппаратами стали европейский лунный зонд Смарт-1, запущенный 28 сентября 2003 года, и японский аппарат Хаябуса, запущенный к астероиду Итокава в мае 2003 года.

Следующим аппаратом НАСА, обладающим маршевыми ионными двигателями, стала (после ряда замораживаний и возобновления работ) АМС Dawn, которая стартовала 27 сентября 2007 года. Dawn предназначен для изучения Весты и Цереры и несёт три двигателя NSTAR, успешно испытанных на Deep Space 1.

Европейское Космическое Агентство установило ионный двигатель на борту спутника GOCE, запущенного 17 марта 2009 года на сверхнизкую околоземную орбиту высотой около 260 км. Ионный двигатель создаёт в постоянном режиме импульс, компенсирующий атмосферное трение и другие негравитационные воздействия на спутник.

Недостатки ионных двигателей

Возможность продолжительной работы ионного двигателя очень важна, так как он не способен развивать высокую тягу и моментально разгонять корабль до больших скоростей. В нынешних реализациях тяга ионных двигателей с трудом достигает 100 миллиньютонов.

Из-за такой конструктивной особенности, как минимум пока, такой двигатель не дает возможности стартовать с другой планеты, даже если у нее очень маленькая гравитация.

Получается, что использование таких двигателей для дальних путешествий пока невозможно без традиционных тяговых установок на химическом топливе. Зато, их совместное использование позволит гораздо более гибко пользоваться ускорением. Например, за счет обычного двигателя разгонять аппарат до более менее высокой скорости, а потом ускоряться еще больше за счет ионного двигателя.

Покорение дальнего космоса без новых технологий невозможно.

По сути, малая тяга на данный момент является главным недостатком таких двигателей, но ученые работают в этом направлении и в перспективе повысят его мощность, так как определенного прогресса удалось добиться уже сейчас.

Еще одной, пусть и не такой существенной, проблемой является надежность. В целом ионные двигатели достаточно надежны, но надо понимать, что их задача заключается в том, чтобы унести аппарат очень далеко и очень быстро. То есть работать он должен долго, чтобы не ставить под удар всю миссию. Поэтому, пока идут работы над увеличением мощности, разработчики стараются не забывать и о надежности.

Как работает плазменный ракетный двигатель

Преимущества ионного двигателя для космического корабля

Ионы на выходе из двигателя разгоняются до очень высоких скоростей. В своем максимуме они могут достигать 210 км/с. При этом, химические ракетные двигатели не способны достигать и 10 км/с, находясь в диапазоне 3-5 км/с.

В нашем Telegram-чате все говорят про варп-двигатель, но давайте сначала с ионным разберемся.

Возможность достижения большого удельного импульса позволяет очень сильно сократить расход реактивной массы ионизированного газа в сравнении с аналогичным показателем для традиционного химического топлива. А еще, ионный двигатель может непрерывно работать более трех лет. Энергия, которая нужна для ионизации топлива берется от солнечных батарей — в космосе с этим проблем нет.

Если спешить с ускорением некуда, то ионный двигатель станет отличным вариантом.

Принцип действия

Испытания ионного двигателя на ксеноне

Схема работы электростатического ионного двигателя с сеткой (многополюсные магнитные острия)

Принцип работы двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. При этом, благодаря высокому отношению заряда к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей (вплоть до 210 км/с, по сравнению с 3—4,5 км/с у химических ракетных двигателей). Таким образом, в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса. Это позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа по сравнению с расходом реактивной массы в химических ракетах, но требует больших затрат энергии.
Технические характеристики ионного двигателя: потребляемая мощность 1—7 кВт, скорость истечения ионов 20—50 км/с, тяга 20—250 мН, КПД 60—80 %, время непрерывной работы более трёх лет.
В существующих реализациях ионного двигателя в качестве источника энергии, необходимой для ионизации топлива, используются солнечные батареи.

Рабочим телом, как правило, является ионизированный инертный газ (аргон, ксенон и т. п.), но иногда и ртуть.
В ионизатор подаётся топливо, которое само по себе нейтрально, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом, в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны. Положительные ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из двух или трёх сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 Вольт на внутренней против -225 Вольт на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона. Электроны, пойманные в катодную трубку, выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается, во-первых, для того, чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным, а во-вторых, чтобы ионы, «нейтрализованные» таким образом, не притягивались обратно к кораблю.

Недостаток двигателя в его нынешних реализациях — очень слабая тяга (порядка 50—100 миллиньютонов). Таким образом, нет возможности использовать ионный двигатель для старта с планеты, но, с другой стороны, в условиях невесомости, при достаточно долгой работе двигателя, есть возможность разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих видов двигателей.

Культура

Впервые ионный двигатель появился в фантастике в 1910 году — в романе Дональда В. Хорнера «Аэроплан к солнцу: приключения авиатора и его друзей». Ионный двигатель широко представлен в фантастической литературе, компьютерных играх и кинематографе (так, в «Звёздных войнах» экономичный ионный двигатель развивает скорость до трети световой и используется для перемещения в обычном пространстве на небольшие по космическим меркам расстояния — например, в пределах планетарной системы), но для практической космонавтики стал доступен только во второй половине XX века. Реальный ионный двигатель по своим техническим характеристикам (и в первую очередь по силе тяги) значительно уступает своим литературным прообразам (так, Эдгард Чуэйри образно сравнивает ионный двигатель с автомобилем, которому нужно двое суток для разгона с 0 до 100 км/ч).