Жаңа буындық ғарыш қозғалтқыштары: Сұйық металл отыны бар FEEP технологиясы, иондық қозғалтқыш, жоғары жылдамдық, ғарыш саяхаты, электростатикалық қозғалыс.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Өрістік эмиссиялық электрлік қозғалтқыш (ӨЭЭЖ) – бұл жоғары дамыған электростатикалық ғарыш қозғалтқышының түрі, иондық қозғалтқыштың бір нұсқасы, ол қозғалтқыш ретінде сұйық металл қолданады – әдетте цезий, индий немесе сынап. FEEP құрылғысы эмитер мен үдеткіш электродтан тұрады. Екі электрод арасында 10 кВ шамасындағы потенциалдар айырмасы қолданылады, бұл металл бетінің ұшында күшті электр өрісін жасайды. Электр күші мен сұйық металдың беттік кернеуінің өзара әрекеттесуі беттік тұрақсыздықтарды тудырады, осыдан сұйық бетінде Тейлор конустары пайда болады. Қолданылатын өрістің жеткілікті жоғары мәндерінде иондар конус ұшынан өрістік булану немесе ұқсас механизмдер арқылы бөлінеді, содан кейін олар электрлік күшпен жоғары жылдамдыққа дейін үдетіледі – әдетте 100 км/с немесе одан да жоғары. Иондық шығарылымның жылдамдығы жоғары болғанымен, олардың массасы өте төмен, нәтижесінде өте әлсіз үдеу күштері пайда болады. Олардың артықшылығы ұзақ уақыт бойы тұрақты үдеу күштерінде. Өте төмен итермелеу күшіне (микроневтоннан (μN) милленьютонға (mN) дейін) байланысты, FEEP қозғалтқыштары негізінен ғарыш аппараттарында микрорадиандық, микроневтондық бағытталған басқару үшін қолданылады, мысалы, ESA/NASA LISA Pathfinder ғылыми ғарыш аппаратында. FEEP қозғалтқышы Gravity Field және Steady State Ocean Circulation Explorer ғарыш аппаратына орнату жоспарланған, бірақ оның орнына торлы иондық қозғалтқыш қолданылды. Ғарышта жұмыс істеген алғашқы FEEP қозғалтқышы IFM Nano Thruster болды, ол 2018 жылы Жердің төменгі орбитасында сәтті іске қосылды.
Field emission electric propulsion (FEEP) is an advanced electrostatic space propulsion concept, a form of ion thruster, that uses a liquid metal as a propellant – usually either caesium, indium, or mercury. A FEEP device consists of an emitter and an accelerator electrode. A potential difference of the order of 10 kV is applied between the two, which generates a strong electric field at the tip of the metal surface. The interplay of electric force and the liquid metal’s surface tension generates surface instabilities, which give rise to Taylor cones on the liquid surface. At sufficiently high values of the applied field, ions are extracted from the cone tip by field evaporation or similar mechanisms, which then are electrically accelerated to high velocities – typically 100 km/s or more. Although the ion exhaust velocity is high, their mass is very low, resulting in very weak acceleration forces. Their benefit comes from sustained acceleration forces over long time periods. Due to its very low thrust (in the micronewton (μN) to millinewton (mN) range), FEEP thrusters are primarily used for microradian, micronewton attitude control on spacecraft, such as in the ESA/NASA LISA Pathfinder scientific spacecraft. The FEEP thruster was also slated for installation on Gravity Field and Steady State Ocean Circulation Explorer spacecraft, but the Gridded ion thruster was used instead. The first FEEP thruster operated in space was the IFM Nano Thruster, successfully commissioned in Low Earth Orbit in 2018.
Негізгі түсінік
Өңдеулік эмиссиялық электрлік қозғалтқыш (ӨЭЭЖ) – сұйық металдың өрістік иондануына және одан кейін иондардың күшті электр өрісімен үдетілуіне негізделген электростатикалық қозғалтқыш әдісі. Осы электр өрісінің күшін күшейту және шоғырландыру үшін инелер сияқты өткір бұрыштар қолданылады. Ине сұйық металмен жабылады, бұл иондардың үдетілуін максималды деңгейге жеткізеді. FEEP қазіргі уақытта ғылыми қауымдастықтың қызығушылығын тудырады, себебі оның ерекше қасиеттері бар: суб-μN-ден mN-ге дейінгі итермелеу диапазоны, дерлік бірден қосу/өшіру қабілеті және жоғары дәлдіктегі реттелу мүмкіндігі (104-тен астам бөлікке дейін), бұл үздіксіз және импульстік режимдерде итермелеуді дәл модуляциялауға мүмкіндік береді. Қазіргі уақытта қозғалыс кедергісіз спутниктердегі ғылыми миссиялар үшін базалық деңгейде қолданылатын бұл қозғалтқыш жүйесі коммерциялық шағын спутниктер мен топтамаларында бағытты басқару және орбиталық күтім үшін де ұсынылған. Ғарыш кемесін электрлік жағынан бейтарап күйде ұстау үшін жеке электрон көзі қажет.
Field emission electric propulsion (FEEP) is an electrostatic propulsion method based on field ionization of a liquid metal, and subsequent acceleration of the ions by a strong electric field. Sharp features such as needles are used to enhance and concentrate the strength of this electric field. The needle is coated in the liquid metal, maximising the acceleration of the ions. FEEP is currently the object of interest in the scientific community, due to its unique features: sub μN to mN thrust range, near instantaneous switch on/switch off capability, and high resolution throttleability (better than one part in 104), which enables accurate thrust modulation in both continuous and pulsed modes. Presently baseline for scientific missions onboard drag free satellites, this propulsion system has also been proposed for attitude control and orbit maintenance on commercial small satellites and constellations. A separate electron source is required to keep the spacecraft electrically neutral.
Сұйық металл қозғалтқыштар
Бұл типтегі қозғалтқыш түрлі сұйық металдарды немесе қорытпаларды үдетуге қабілетті. Ең жақсы өнімділік (көтергіш тиімділігі және күш/көтергіш қатынасы тұрғысынан) жоғары атомдық салмақты сілті металдарын, мысалы цезийді (Cs, 133 а.б.б.) және рубидийді (Rb, 85,5 а.б.б.) пайдалану арқылы қол жеткізіледі. Бұл отынның иондану потенциалы төмен (Cs үшін 3,87 эВ және Rb үшін 4,16 эВ), балқу температурасы төмен (Cs үшін 28,7 °C және Rb үшін 38,9 °C) және ылғалдану қабілеті өте жақсы. Бұл мүмкіндіктер иондану мен қыздыруға байланысты қуат жоғалтуларын азайтады және капиллярлық күштерді отын беру үшін пайдалануға мүмкіндік береді, яғни қысымды ыдыстар мен клапандар қажет емес. Сонымен қатар, сілті металдар иондалған тамшылар немесе көп зарядталған иондар түзуге ең төмен бейімділікке ие, демек, ең жоғары массалық тиімділікке қол жеткізіледі. Шын көтергіш күш негізінен жеке иондалған цезий немесе рубидий атомдарынан тұратын сәуленің шығарылуы арқылы туындайды, ол эмиттер ұшындағы өрістік булану арқылы жасалады. Ылдамдатушы электрод (акселератор) эмиттердің тікелей алдына орналастырылады. Бұл электрод металлдан (әдетте тот баспайтын болаттан) жасалған тақтадан тұрады, онда екі өткір жиектері өңделген. Көтергіш күш қажет болған кезде, эмиттер мен акселератор арасындағы жоғары кернеу айырмасы қолданылып, күшті электр өрісі туындайды. Бұл жағдайда сұйық металдың бос беті электростатикалық күш пен беттік кернеудің бірлескен әсерінен жергілікті тұрақсыздық күйіне енеді. Осылайша, бір-біріне тіреліп тұрған немесе "Тейлор конустары" пайда болады. Электр өрісі 109 В/м шамасына жеткенде, конус ұшындағы атомдар өздігінен иондалады және иондық сәуле электр өрісімен шығарылады, ал электрондар сұйықтың көлемді бөлігіне кері қайтарылады. Электронның сыртқы көзі (нейтрализатор) қозғалтқыш жинағының жалпы электрлік бейтараптығын сақтау үшін теріс зарядтармен қамтамасыз етеді.
This type of thruster can accelerate a large number of different liquid metals or alloys. The best performance (in terms of thrust efficiency and power to thrust ratio) can be obtained using high atomic weight alkali metals, such as cesium (Cs, 133 amu) and rubidium (Rb, 85.5 amu). These propellants have a low ionization potential (3.87 eV for Cs and 4.16 eV for Rb), low melting point (28.7 °C for Cs and 38.9 °C for Rb) and very good wetting capabilities. These features lead to low power losses due to ionization and heating and the capability to use capillary forces for feeding purposes, i. e., neither pressurised tanks nor valves are required. Moreover, alkali metals have the lowest attitude to form ionized droplets or multiply charged ions, thus leading to the best attainable mass efficiency. The actual thrust is produced by exhausting a beam consisting mainly of singly ionized cesium or rubidium atoms, produced by field evaporation at the tip of the emitter. An accelerating electrode (accelerator) is placed directly in front of the emitter. This electrode consists of a metal (usually stainless steel) plate where two sharp blades are machined. When thrust is required, a strong electric field is generated by the application of a high voltage difference between the emitter and the accelerator. Under this condition, the free surface of the liquid metal enters a regime of local instability, due to the combined effects of the electrostatic force and the surface tension. A series of protruding cusps, or "Taylor cones" are thus created. When the electric field reaches a value in the order of 109 V/m, the atoms at the tip of the cusps spontaneously ionize and an ion jet is extracted by the electric field, while the electrons are rejected in the bulk of the liquid. An external source of electrons (neutralizer) provides negative charges to maintain global electrical neutrality of the thruster assembly.
Сырлы эмитер
Өрісті иондау немесе өрісті буландыруға негізделген сұйық металл иондық көздер (LMIS) 1960 жылдардың соңында енгізілді және көптеген қолданулар үшін қарапайым, арзан иондық көздер ретінде кеңінен таралды. 1972 жылы Еуропалық ғарыш агенттігі сұйық металл иондық көздерін пайдалана отырып, өрістік эмиссия принципіне негізделген электрлік қозғалту жүйесін әзірлеуді бастады. Галлий, индий, сілтілі металдар немесе қорытпалармен жұмыс істейтін LMIS 1970 жылдардан бері екінші иондық массалық спектрометрияда (SIMS) стандартты тәжірибе болып табылады. Инелі, капиллярлы және ойықты эмитерлер сияқты әртүрлі эмитер конфигурациялары бар болғанымен, олардың жұмыс істеу принципі барлық жағдайда бірдей. Мысалы, ойықты эмитерде сұйық металл отыны капиллярлық күштер арқылы тар арна арқылы беріледі. Эмиттердің өзі датбаспадайтын болаттан жасалған екі бірдей жартыдан тұрады және біріктіріледі немесе бұрандаланады. Эмиттер жартысының біріне шашырылған никель қабаты қалаған арна контурын белгілейді және арнаның биіктігін (әдетте 1-2 мкм) және арнаның енін (әдетте 1 мм-ден шамамен 7 см-ге дейін) анықтайды. Оның массивтік нұсқасын әзірлеу 2018 жылы аяқталуға жақын.
Liquid metal ion sources (LMIS) based on field ionization or field evaporation were introduced in the late '60s and quickly became widespread as simple, cheap ion sources for a number of applications, and in 1972 the European Space Agency started development on an electric propulsion system based on the field emission principle using liquid metal ion sources. The use of LMIS operated on gallium, indium, alkali metals or alloys has also been standard practice in secondary ion mass spectrometry (SIMS) since the 1970s. While there exist different field emitter configurations, such as the needle, the capillary and slit emitter types, the principle of operation is the same in all cases. In the slit emitter, for example, a liquid metal propellant is fed by capillary forces through a narrow channel. The emitter consists of two identical halves made from stainless steel, and clamped or screwed together. A nickel layer, sputter deposited onto one of the emitter halves, outlines the desired channel contour and determines channel height (a. k. a. slit height, typically 1–2 μm) and channel width (a. k. a. slit length, which ranges from 1 mm up to about 7 cm). and its arrayed version development is nearing completion as in 2018.