Раскрываем потенциал кольцевых ионных двигателей

Технический перевод статьи журнала ROOM, № 3(9) 2016

Мнение о том, что «мы не будем нуждаться в этом, по крайней мере 20 лет, так к чему работать в этом направлении», ошибочно, по крайней мере, с двух точек зрения. Во-первых, оно означает, что «ничто» открытое будет иметь значение производной в решении насущной проблемы или необходимости; и во-вторых, «ничто» может быть открыто или усвоено, что может повлиять на темпы реализации. В данной статье представлен краткий обзор состояния развития технологий кольцевых ионных двигателей (КИД) и прямых потенциальных способов дальнейшего развития концепции до уровня полной технологической готовности.

Концепция кольцевых ионных двигателей (КИД) представляет собой эволюционное развитие в сеточной технологии ионных ракетных двигателей малой тяги с потенциалом для формирования революционных возможностей. Такой потенциал концепции КИД объясняется следующими факторами: (а) обеспечивает масштабирование технологии ионных ракетных двигателей малой тяги до высокомощных при значениях удельного импульса (Isp), представляющих интерес для космических применений в ближайшей перспективе, ≤5000 сек; и (б) позволяет повысить как плотность тяги, так и соотношение тяги к мощности (F/P), превышающие обычные ионные двигатели малой тяги и другие технологические опции электрических движителей (ЭД), тем самым вырабатывая самые высокие эксплуатационные показатели в широком диапазоне Isp.

Концепция КИД представляет собой естественное развитие сеточной технологии ионных ракетных двигателей малой тяги за пределами возможностей, воплощённых в Эволюционном ксеноновом движителе малой тяги НАСА (NEXT). КИД целесообразно использовать для: (а) приложений, требующих уровней мощности, превышающих возможности NEXT (в 14 кВт ), с потенциальной расширяемостью до 100 кВт; и / или (б) приложений, для которых требуется соотношение F/P превосходящие возможности NEXT.

Концепция КИД состоит из кольцевой разрядной камеры с набором кольцевой ионной оптики, образующими потенциальную конфигурацию с центрально смонтированным катодным узлом нейтрализатора. Эта концепция представлена на рисунке 1. Разработанный НАСА полномасштабный КИД второго поколения ('GEN2'), проходящий испытания с выводом пучка из ускорителя частиц, показан на рисунке 2 .

КИД имеет значительные потенциальные преимущества по сравнению с обычными ионными двигателями и другими концепциями электрических силовых установок (ЭД) . Характерные особенности и техническое описание КИД приведены в табл. 1 и включают в себя: очень высокую плотность тяги; возможности расширения до высокой мощности; улучшение эффективности и коэффициента тяговое усилие/мощность (F/P); повышение срока службы; и улучшение компоновки по сравнению с самыми современными электрическими силовыми установками (ЭД).

Возможности самой современной технологии ионных двигателей, а также заданные параметры эксплуатационных качеств и развития КИД перечислены в таблице 2. Последние достижения ионной технологии представляют функциональные возможности высококачественного ионного двигателя NEXT НАСА, который имеет превосходный продемонстрированный коэффициент F/P и эффективность по сравнению со всеми другими технологическими опциями электрических силовых установок (ЭД) свыше около 2600 секунд удельного импульса (Isp) .

Таблица 1. Характерные особенности и техническое описание концепции КИД

Таблица 2. I Возможности технологии ионных двигателей, а также заданные параметры КИД.           

*NEXT относится к категории до 7 kW, тем не менее продемонстрировал потенциал до 14 kW               

Менее 2600 секунд движители, работающие на эффекте Холла [HET], воплощённые в промышленном HET (BPT -4000) , и HET 12,5 кВт (ракета на эффекте Холла с магнитным экранированием, или HERMeS), совместная разработка НАСА и Лаборатории реактивного движения для проекта SEP TDM – полёта в целях демонстрации технологии гелиотермического электроракетного двигателя (ЭРД), обладают более высокой производительностью по сравнению со всеми другими вариантами технологии электрических силовых установок, в том числе обычными ионными двигателями (примечание: потенциальные потери тяги из-за требований к углу наклона для увеличения расходимости пучка HET игнорируются).

Рисунок 3 представляет в количественной форме соотношение тяги-мощности (F/P), в качестве функции удельного импульса (Isp), передового внедрённого HET [5, 6] и передового внедрённого Ion. Эти две технологии представляют собой опции электрических силовых установок (EP) с самыми высокими показателями производительности, имеющиеся в США.

КИД с улучшенной тягой и электрической эффективностью, обусловленные плоскими электродами и увеличенной плотностью тяги, обладает потенциалом для повышения до современного уровня эффективности ионов и соотношения F/P по всему рабочему диапазону удельного импульса. Это позволит снизить точку пересечения продуктивности между ионными и HET системами ниже 2600 секунд, в результате получаем превосходную производительность по всему диапазону удельного импульса (Isp).

Рисунок 3 также включает данные по проектной производительности для КИД: тяговая характеристика на ближайшую перспективу («минимум»), принимая во внимание снижение потерь тяги с помощью реализации плоской ионной оптики, но с электрическим коэффициентом полезного действия разряд, сопоставимого с движителем NEXT; и оптимизированная тяговая характеристика («максимум»), которая учитывает как уменьшенные потери тяги, так и превосходный электрический КПД разряда по сравнению с движителем NEXT.

Как уже отмечалось, кривая на ближайшую перспективу ведёт к снижению точки пересечения удельного импульса до приблизительно 1800 секунд, а оптимизированная кривая показывает высокую эффективность по всему диапазону удельного импульса. Рисунок 4 повторяет данные и проекции на рисунке 3 и отображает эффективность движителя в сравнении с удельным импульсом.

Что касается таблицы 2, концепция КИД также допускает изготовление ионной оптики с большой контактной поверхностью с высокой постоянной пространственного заряда, что, в свою очередь, повышает способность каждого двигателя работать при заданной мощности при соответствующих уровнях удельного импульса (≤5000 сек., обычно). Целесообразными к реализации должны быть проектные решения КИД, способные вырабатывать сотни кВт.

Кроме того, КИД должен создавать возможность для операций при существенно более высокой плотности, чем современные ионные двигатели, – до 8 N/м² и более. Это объясняется тем фактом, что кольцевая разрядная камера увеличивает эффективную площадь поверхности анода для сбора электронов по сравнению с обычным ионным двигателем цилиндрической формы с эквивалентной площадью поперечного сечения пучка. Такой подход должен обеспечивать работу при более высоких токах разряда и, следовательно, высоких токах пучка, дающих увеличение плотности тяги и, при правильном применении, обеспечивает способность ионной оптики функционировать на или вблизи предела Чайлда-Ленгмюра.

Приложения

КИД представляет собой естественное развитие сеточной ионной технологии, помимо этого являясь составной частью ионной силовой установки (IPS) NEXT, а его воплощение до более высокого уровня технологической готовности (TRL) может стать движущей силой, чтобы использовать значительные наработки, полученные на сегодняшний день в опции NEXT. Для продвижения концепции КИД TRL необходимы весьма скромные ресурсы, принимая во внимание производство мультипродуктных вариантов, поддерживающих приложения «Космическое пространство для национальной безопасности (NSS)» и «Коммерческое космическое пространство (CS)» НАСА.

Значительное количество компонентов ракетного двигателя малой тяги одни и те же (идентичные или аналогичные) как для движителя NEXT, так и для КИД в том числе: проводка; магнитный материал; материалы разрядной камеры; катоды разряда и нейтрализатора; разграничение реактивного топлива высокого напряжения, а также высоковольтные изоляторы и тому подобное.

Кроме того, в зависимости от максимальной входной мощности для КИД, силовые модули низкого напряжения (катод разряда и подогреватели катода нейтрализатора и разряд) и высоковольтные силовые модули ускорителя, используемые в модуле питания процессора NEXT, можно использовать в том виде, в котором они есть, или топологии для модулей (например, разряд) можно расширить по мере необходимости до более высокой мощности.

Лучевой источник питания в модуле питания процессора NEXT, который обрабатывает большую часть входной мощности, был разработан специально для расширения с помощью добавления модулей (по мере необходимости) для обработки максимального тока луча. Такой подход является весьма целесообразным для разработки модуля питания процессора КИД.

Сложность модуля питания процессора КИД обусловлена предполагаемым применением. В приложениях, для которых требуется либо высокое соотношение F/P, или высокая мощность, можно предположить ограниченный диапазон входного напряжения в модуле питания процессора (ограничение обусловлено требованием 80-160 V в модуле питания процессора NEXT), и, возможно, две или несколько дроссельных установок (в отличие от условий NEXT 70+).

Если технические характеристики, как это отражено на рисунках 3 и 4, в состоянии быть реализованными, вариант КИД вполне может стать превосходным решением для существующих ионных систем и систем, работающих на эффекте Холла [HET], которые в настоящее время используются в объектах NSS и CS на орбите Земли. Бимодальная система, в которой КИД функционирует при высокой мощности, высоком соотношении тяги-мощности (F/P), низком удельном импульсе для перелёта с одной орбиты на другую, а затем функционирует при ограниченной мощности, высоком удельном импульсе для поддержания станции, то есть функционирует на максимальных уровнях входной мощности в диапазоне 10-20 кВт на цепочку, может стать желанным, с низким технологическим риском, вариантом.

КИД обладает значительным потенциалом, чтобы найти применение в научных миссиях НАСА через Дирекцию научных миссий (SMD), которая поддерживала и продолжает оказывать поддержку до полного развития и перехода к полётам системы ионной тяги NEXT IPS.

В то время как научные миссии, возможно, менее восприимчивы к получению высокого соотношения F/P, а в ближайшей перспективе могут и вовсе не извлечь пользы из значительного повышения способности работать при заданной мощности (более чем 10-20 кВт на цепочку), улучшение пропускной мощности ракетного топлива посредством практического применения углеродной ионной оптики, которую концепция КИД предусматривает, в состоянии, по существу, не допустить режим предвкушаемого первого отказа ионных двигателей малой тяги, что даёт ~ 10x увеличение времени жизни.

Такую возможность можно задействовать несколькими способами: путём выполнения космических полётов, требующих более длительного срока службы ракетного двигателя; за счёт уменьшения числа цепочек модуля питания процессора двигателя, необходимых для переработки требуемого пропеллента; путём сокращения или устранения применения резервных цепочек; и путём сокращения продолжительности испытаний для подтверждения срока службы.

При этом КИД может играть важную роль в применениях в поддержку человеческих архитектур через Дирекцию освоения космического пространства человеком и пилотируемых космических полётов НАСА (HEOMD) в качестве потенциально-пригодной опции ракетной тяги для космических аппаратов с гелиотермическими электроракетными двигателями (ЭРД) класса 150 кВт и 300 кВт. КИД в состоянии продлить работу ионного двигателя до сотен киловатт, используя для этого заданные значения удельного импульса, на высочайшем уровне эффективности по сравнению с другими технологическими вариантами, что делает его весьма привлекательной опцией.

Кроме того, механизм ускорения почти без потерь, сопряжённый с сетчатыми ионными двигателями, обеспечивает электрический КПД более 90 процентов, что является важным фактором по отношению к двигателю малой тяги и управлению температурным режимом системы при выработке высокой мощности. В свою очередь, по мере того как отношение мощности к массе космических аппаратов с гелиотермическими ЭРД будет увеличиваться с развитием технологии, оптимальный для программы полёта удельный импульс продолжит стремиться вверх. Адаптация технологии ионных двигателей к восходящему тренду оптимального удельного импульса является неотъемлемым преимуществом технологии.

Состояние развития технологии

Несмотря на ограниченные ресурсы, на сегодняшний день был достигнут значительный прогресс в разработке концепции КИД после зарождения идеи в 2011 году, в том числе подтверждение работоспособности концепции и демонстрация расширения (ссылка на рис. 5):

• В 2011 году мы разработали суб-оболочку разрядной камеры КИД (внешний диаметр 40 см), изготовили и испытали в условиях, моделирующих вывод пучка. Высокооднородный (в пределах 10% от среднего значения) азимутальный и радиальный плазменный разряд наблюдался в любых условиях, с использованием одной полой конструкции катода.
• В 2012 году мы завершили создание суб-оболочки первого поколения КИД ('GEN1') и успешно провели испытания с извлечением пучка с использованием обычной ионной оптики. Показатели чрезвычайно высокой плоскостности пучка были задокументированы при функционировании до 6,3 кВт; 0,85-0,95 – самые высокие когда-либо наблюдаемые у ионного двигателя малой тяги. Кроме того, мы успешным образом изготовили плоские графитовые электроды кольцевой ионной оптики.
• В 2013 году суб-оболочка КИД успешно функционировала с плоскими электродами углеродной ионной оптики. Были задокументированы чрезвычайно высокие коллимации пучка; поправочный коэффициент потери тяги 0,997 – самый высокий когда-либо наблюдаемый у ионного двигателя малой тяги.
• В 2014 году мы разработали полномасштабную разрядную камеру КИД второго поколения ('GEN2') (внешний диаметр 65 см), изготовили и провели испытания в условиях, моделирующих вывод пучка. Как и в случае с меньшей суб-оболочкой КИД, высокооднородный (в пределах 10 процентов от среднего значения) азимутальный и радиальный плазменный разряд наблюдался в любых условиях с использованием одной полой конструкции катода. Более того, нам удалось изготовить полноценные плоские графитовые электроды кольцевой ионной оптики. Готовые пиролитические графитовые электроды обеспечивали все необходимые допуски на размеры с нулевыми дефектами.
• В 2015 году была завершена сборка КИД второго поколения GEN2, включая высококачественную кольцевую ионную оптику. Блок ионной оптики, изготовленный из пиролитических графитовых электродов и графитовая система базовых поверхностей, армированная углеволокном, являют конструкцию с самой большой поверхностью высокой постоянной пространственного заряда, изготовленную когда-либо. Были проведены предварительные испытания с извлечением пучка и выявлены незначительные модификации оптики и разрядной камеры.

Что касается 2016 года:

• Мы определили обновления конструкции ионной оптики КИД GEN1. В том числе поставили перед собой инженерную задачу завершить разработку более высококачественной конструкции КИД GEN1, которая могла быть функционально совместимой с уровнями входной мощности ~4-20 кВт при высоком соотношении тяга-мощность (F/P).
• Мы внесли некоторые изменения в конструкции блоков ионной оптики и разрядной камеры КИД GEN2 и подготовили КИД для испытаний. Мы намерены продемонстрировать работу двигателя на максимальном режиме до 60 кВт.

Предстоящие работы, в том числе повторное тестирование аппаратного обеспечения КИД GEN1 и GEN 2, основаны на привлечении дополнительных ресурсов.

План будущего развития

В обозримом будущем, в том, что касается почти всех электрических силовых установок (EP) с базовым реактивным движением, полётные функциональные возможности, по всей вероятности, ~ 10 раз больше и ~ 100x больше для приложений «Космическое пространство для национальной безопасности (NSS)» и «Коммерческое космическое пространство (CS)» НАСА, соответственно, по сравнению с миссиями НАСА на основе исторической интенсивности операций.

Несмотря на эти возможности, инвестиционные ресурсы в космические реактивные двигатели в НАСА представляются ограниченными развитием технологий, которые имеют конкретное и непосредственное применение в ожидаемых / плановых миссиях НАСА. Когда дело касается технологий, которые также включают приложения вне НАСА, изыскиваются ресурсы с внешним финансированием.

В данном качестве и за исключением случаев, когда технология не будет утверждена для дальнейшего развития американскими потребителями вне НАСА, вариант НАСА развития концепции КИД будет поддерживаться в той степени, чтобы он сочетался с ожидаемым набором миссий НАСА. Допускается возможность для продуктов «вне пересечения» в рамках этих мероприятий в области развития, которые могут иметь показатели производительности, в большей степени напрямую поддерживаемые потребителями вне НАСА.

Концепция КИД имеет потенциал в корне изменить реализацию ЭРД при разработке технологической опции с самой высокой производительностью, в то же время с использованием подхода, основанного на широко распространённый в физике и наследии ионных двигателей. Такая «доморощенная» интеллектуальная собственность НАСА, с патентами, выданными и ожидающими решения.

Технология обладает потенциальными возможностями на уровнях мощности ~ 10-20 кВт для научных миссий НАСА (а что последует после «следующего» (NEXT)?) и для применений в области национальной безопасности и коммерческих приложений на орбите вокруг Земли. Она, в свою очередь, хорошо соотносится с приложениями для освоения космоса человеком и пилотируемых космических полётов с расширением до 300 кВт и более.

За последнее десятилетие сумма средств, используемых для развития концепции КИД, в инвестициях НАСА в ионные технологии составила около $ 100 миллионов долларов США. Для продвижения технологии КИД до уровня готовности необходимы весьма скромные ресурсы, принимая во внимание производство мультипродуктных вариантов, поддерживающих приложения «Космическое пространство для национальной безопасности (NSS)» и «Коммерческое космическое пространство (CS)» НАСА.

Примечание автора

Все концепции, представленные в публикации, подпадают под действие: патент США № 8468794 («Прибор электрической силовой  установки», 25 июня 2013 г.), патент США № 9279368 («Реактивный мульти-двигатель малой тяги», 29 марта 2016 г.), а также патенты на рассмотрении – в соответствии с заявками США и международными патентными заявками. Правопреемник: Правительство Соединённых Штатов Америки.

Автор материала:

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
Unlocking the potential of annular ion engines
 журнал ROOM №3 (9) 2016