Введение

Импульсный индуктивный двигатель (PIT) — это разновидность ионного двигателя, применяемый для движения космических аппаратов. Это плазменный двигатель, использующий взаимно перпендикулярные электрические и магнитные поля для ускорения рабочего тела без использования электродов.

Операция

Сопло выпускает облако газа, которое распространяется по плоской спиральной индукционной катушке проволоки диаметром около 1 метра. Банк конденсаторов генерирует импульс высоковольтного электрического тока напряжением в десятки киловольт длительностью 10 микросекунд, направляя его в катушку и создавая радиальное магнитное поле. Это индуцирует круговое электрическое поле в газе, ионизируя его и заставляя заряженные частицы (свободные электроны и ионы) вращаться в направлении, противоположном исходному импульсу тока. Поскольку движение этого индуцированного тока перпендикулярно магнитному полю, плазма ускоряется в пространство силой Лоренца с высокой скоростью истечения (10–100 км/с).

Преимущества

В отличие от электростатического ионного двигателя, который использует электрическое поле для ускорения только одного вида частиц (положительных ионов), PIT использует силу Лоренца, действующую на все заряженные частицы в квазинейтральной плазме. В отличие от большинства других ионных и плазменных двигателей, он также не требует электродов (подверженных эрозии), и его мощность можно масштабировать, просто увеличивая число импульсов в секунду. Система мощностью 1 мегаватт будет генерировать 200 импульсов в секунду. Импульсные индуктивные двигатели способны поддерживать постоянный удельный импульс и эффективность тяги в широком диапазоне входной мощности, регулируя частоту импульсов для поддержания постоянной энергии разряда на импульс. Достигнута эффективность более 50%. Импульсные индуктивные двигатели могут использовать в качестве рабочего тела широкий спектр газов, таких как вода, гидразин, аммиак, аргон или ксенон, и многие другие. Благодаря этому, было предложено использовать PIT для марсианских миссий: орбитальный аппарат мог бы дозаправляться, забирая CO2 из атмосферы Марса, сжимая газ и конденсируя его в накопительные баки для обратного пути или другой межпланетной миссии, находясь на орбите планеты.

События

Ранняя разработка началась с фундаментальных опытных исследований, проведенных в середине 1960-х годов. NASA проводит эксперименты с этим устройством с начала 1980-х годов.

PIT Mk V, VI и VII

NGST (Northrop Grumman Space Technology), как подрядчик NASA, построила несколько экспериментальных PIT. Исследовательские усилия в течение первого периода (1965–1973 гг.) были направлены на понимание структуры индуктивного токового слоя и оценку различных концепций впрыска рабочего тела и предварительной ионизации. Во второй период (1979–1988 гг.) основное внимание сместилось на разработку полноценной двигательной системы и повышение эффективности базовой конструкции путем поэтапных изменений, с созданием прототипов Mk I и Mk IV. Третий период (с 1991 г. по настоящее время) начался с внедрения новой конструкции двигателя PIT, известной как Mk V. Она эволюционировала в Mk VI, разработанную для воспроизведения одноимпульсных испытаний Mk V, которые полностью характеризуют характеристики двигателя. В ней используется улучшенная катушка из полых медных труб и улучшенный клапан подачи рабочего тела, но она электрически идентична Mk V, используя те же конденсаторы и переключатели. Mk VII (начало 2000-х годов) имеет ту же геометрию, что и Mk VI, но предназначена для высокой частоты импульсов и длительной работы с жидкостно-охлаждаемой катушкой, конденсаторами увеличенного срока службы и быстрыми мощными твердотельными переключателями. Цель разработки Mk VII – демонстрация до 50 импульсов в секунду при номинальной эффективности и импульсном моменте при входной мощности 200 кВт в одном двигателе. Конструкция Mk VII является базой для новейшей разработки NuPIT (Nuclear electric PIT). В PIT и ионизация, и ускорение рабочего тела осуществляются высоким напряженным импульсом тока в индукционной катушке, в то время как FARAD использует отдельный индуктивный радиочастотный разряд для предварительной ионизации рабочего тела перед его ускорением импульсом тока. Эта предварительная ионизация позволяет FARAD работать при значительно более низких энергиях разряда, чем PIT (100 джоулей на импульс против 4 килоджоулей на импульс), и уменьшить размеры двигателя.