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.

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.

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.

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.