Введение
Полевая электрическая двигательная установка (FEEP) – это передовая электростатическая концепция космической двигательной установки, являющаяся формой ионного двигателя, использующего жидкий металл в качестве рабочего тела – обычно цезий, индий или ртуть. Устройство FEEP состоит из излучателя и ускоряющего электрода. Между ними создается разность потенциалов порядка 10 кВ, что генерирует сильное электрическое поле на вершине металлической поверхности. Взаимодействие электрической силы и поверхностного натяжения жидкого металла вызывает поверхностные неустойчивости, приводящие к образованию конусов Тейлора на поверхности жидкости. При достаточно высоких значениях приложенного поля ионы извлекаются из вершины конуса посредством полевой эмиссии или аналогичных механизмов, после чего электрически ускоряются до высоких скоростей – обычно 100 км/с и более. Несмотря на высокую скорость ионного потока, их масса очень мала, что приводит к очень слабым силам ускорения. Их преимущество заключается в поддержании ускоряющих сил в течение длительных периодов времени. Ввиду крайне низкой тяги (в диапазоне от микроньютона (μН) до миллиньютона (мН)), двигатели FEEP в основном используются для прецизионного управления ориентацией космических аппаратов с точностью до микрорадианов, например, на научном космическом аппарате ESA/NASA LISA Pathfinder. Установка FEEP также планировалась для космического аппарата Gravity Field and Steady State Ocean Circulation Explorer, но вместо неё был использован ионный двигатель с сеткой. Первым FEEP-двигателем, успешно испытанным в космосе, стал IFM Nano Thruster, запущенный в эксплуатацию на низкой околоземной орбите в 2018 году.
Основная концепция
Полевая электрическая двигательная установка (FEEP) – это метод электростатической тяги, основанный на полевой ионизации жидкого металла и последующем ускорении ионов сильным электрическим полем. Для усиления и концентрации этого электрического поля используются острые элементы, такие как иглы. Игла покрыта жидким металлом, что обеспечивает максимальное ускорение ионов. В настоящее время FEEP представляет интерес для научного сообщества благодаря своим уникальным характеристикам: диапазон тяги от менее микроньютона до миллиньютона, почти мгновенное включение/выключение и высокая точность регулирования (лучше, чем одна часть на 10⁴), позволяющая точно модулировать тягу как в непрерывном, так и в импульсном режимах. В настоящее время эта двигательная система является базовой для научных миссий на борту спутников с компенсацией сопротивления, а также предлагается для управления ориентацией и поддержания орбиты на коммерческих малых спутниках и группировках. Для поддержания электрической нейтральности космического аппарата необходим отдельный источник электронов.
Двигательные материалы из жидких металлов
Этот тип двигателя может ускорять большое количество различных жидких металлов или сплавов. Наилучшие характеристики (с точки зрения эффективности тяги и отношения мощности к тяге) достигаются при использовании щелочных металлов с высокой атомной массой, таких как цезий (Cs, 133 а.е.м.) и рубидий (Rb, 85,5 а.е.м.). Эти рабочие тела имеют низкий потенциал ионизации (3,87 эВ для Cs и 4,16 эВ для Rb), низкую температуру плавления (28,7 °C для Cs и 38,9 °C для Rb) и очень хорошие смачивающие свойства. Эти особенности приводят к низким потерям энергии на ионизацию и нагрев, а также к возможности использования капиллярных сил для подачи, то есть не требуются резервуары под давлением или клапаны. Кроме того, щелочные металлы наименее склонны к образованию ионизированных капель или многозарядных ионов, что обеспечивает наилучшую достижимую массовую эффективность. Фактическая тяга создается за счет истечения пучка, состоящего в основном из одинаково ионизированных атомов цезия или рубидия, образующихся в результате полевой эмиссии на кончике излучателя. Ускоряющий электрод (ускоритель) расположен непосредственно перед излучателем. Этот электрод состоит из металлической (обычно из нержавеющей стали) пластины, на которой обработаны два острых лезвия. При необходимости создания тяги сильное электрическое поле генерируется путем приложения высокого разностного напряжения между излучателем и ускорителем. В этих условиях свободная поверхность жидкого металла переходит в режим локальной неустойчивости из-за совместного действия электростатической силы и поверхностного натяжения. Таким образом, формируется ряд заостренных выступов, или "конусов Тейлора". Когда электрическое поле достигает значения порядка 109 В/м, атомы на вершинах выступов спонтанно ионизируются, и ионный поток извлекается электрическим полем, в то время как электроны отталкиваются в объем жидкости. Внешний источник электронов (нейтрализатор) обеспечивает отрицательные заряды для поддержания глобальной электрической нейтральности всей установки.
Стрелочный излучатель
Источники жидких металлических ионов (LMIS), основанные на полевой ионизации или полевом испарении, были разработаны в конце 1960-х годов и быстро получили широкое распространение как простые и недорогие источники ионов для различных применений. В 1972 году Европейское космическое агентство начало разработку электрической ракетной системы, основанной на принципе полевой эмиссии с использованием источников жидких металлических ионов. Использование LMIS, работающих на галлии, индии, щелочных металлах или сплавах, также стало стандартной практикой в вторичной ионной масс-спектрометрии (SIMS) с 1970-х годов. Существуют различные конфигурации полевых излучателей, такие как игольчатые, капиллярные и щелевые, но принцип их работы одинаков. В щелевом излучателе, например, жидкий металлический рабочий агент подается капиллярными силами через узкий канал. Излучатель состоит из двух идентичных половинок, изготовленных из нержавеющей стали, которые скрепляются или привинчиваются друг к другу. Никелевый слой, нанесенный методом магнетронного распыления на одну из половинок излучателя, формирует желаемый контур канала и определяет высоту канала (также известную как высота щели, обычно 1–2 мкм) и ширину канала (также известную как длина щели, которая варьируется от 1 мм до примерно 7 см). Разработка его многоэлементной версии приближается к завершению, как было заявлено в 2018 году.