Новости

May 18, 2023

В

Том Nature 599, страницы 411–415 (2021 г.) Цитировать эту статью 43k Доступов 36 Цитирований 393 Подробности об альтернативных метриках Движение является важной подсистемой многих космических кораблей1,2,3,4. Для эффективного топлива

Nature, том 599, страницы 411–415 (2021 г.) Процитировать эту статью

43 тыс. доступов

36 цитат

393 Альтметрика

Подробности о метриках

Двигательная установка является важнейшей подсистемой многих космических кораблей1,2,3,4. Для эффективного использования топлива особенно привлекательны электрические двигательные установки, основанные на электростатическом ускорении ионов, образующихся при ионизации газа электронным ударом5,6. В настоящее время ксенон используется почти исключительно в качестве ионизируемого топлива для космических полетов2,3,4,5. Однако ксенон встречается редко, его необходимо хранить под высоким давлением, а коммерческое производство стоит дорого7,8,9. Здесь мы демонстрируем двигательную установку, в которой используется йодное топливо, и представляем результаты применения этой новой технологии на орбите. Двухатомный йод хранится в твердом виде и сублимируется при низких температурах. Затем с помощью радиочастотной индуктивной антенны создается плазма, и мы показываем, что эффективность ионизации повышается по сравнению с ксеноном. Как атомарные, так и молекулярные ионы йода ускоряются с помощью высоковольтных сеток для создания тяги, а высококоллимированный луч может быть создан при существенной диссоциации йода. Двигательная установка успешно эксплуатировалась в космосе на борту небольшого спутника, маневры подтверждены данными спутникового слежения. Мы ожидаем, что эти результаты ускорят внедрение альтернативных видов топлива в космической отрасли и продемонстрируют потенциал йода для широкого спектра космических миссий. Например, йод позволяет существенно миниатюризировать и упростить систему, что обеспечивает малым спутникам и спутниковым группировкам новые возможности для развертывания, предотвращения столкновений, утилизации по окончании срока службы и исследования космоса10,11,12,13,14.

Космическим кораблям требуется двигательная установка для выполнения маневров в космосе, таких как переход на орбиту, предотвращение столкновений, поддержание орбиты для компенсации аэродинамических или гравитационных возмущений, а также утилизация по окончании срока службы1. Выбор технологии двигательной установки, в частности скорости ее истечения, определяет необходимую массу топлива. Электрическая тяга5,15 использует электроэнергию для ускорения топлива (с помощью электрических и/или магнитных полей) и может достигать скоростей выхлопа, которые на порядок выше, чем химическая тяга (которая использует энергию химических реакций для ускорения топлива). Некоторые из наиболее успешных электрических двигательных систем включают в себя ионные двигатели с решеткой и двигатели Холла5, которые создают плазму посредством ионизации газа электронным ударом6 и электростатически ускоряют ионы для создания тяги. Помимо того, что такие двигательные установки используются многими коммерческими спутниками, вращающимися вокруг Земли, они также используются для исследования космоса. Примеры включают миссию SMART-1 Европейского космического агентства на Луну2, миссию НАСА Dawn, которая изучала протопланеты Цереру и Весту в поясе астероидов между Марсом и Юпитером16, а также миссии Японского агентства аэрокосмических исследований по возврату образцов Hayabusa1 и Hayabusa2 в ближнюю дальнюю дальность. Земные астероиды 25143 Итокава17 и 162173 Рюгу18.

Поскольку мощность космических аппаратов ограничена, электрические двигательные установки должны максимизировать соотношение тяги к мощности, что для электростатических ускорителей требует топлива с низким порогом ионизации и высокой атомной массой5. В настоящее время предпочтительным топливом является ксенон. Однако ксенон встречается очень редко (менее одной части на десять миллионов в атмосфере), а его коммерческое производство дорого и ограничено7,8,9. Существуют также конкурирующие приложения, в которых используется ксенон, включая освещение и визуализацию, анестезию в больницах9,19 и травление в полупроводниковой промышленности20. С появлением мегагруппировок спутников21,22,23 спрос на ксенон может превысить предложение в течение следующих десяти лет. Еще одним недостатком является то, что ксенон необходимо хранить при очень высоком давлении (обычно 10–20 МПа), что требует специального погрузочного оборудования и обученного персонала, что делает его несовместимым с парадигмой «нового космоса». Для долгосрочной устойчивости космической отрасли крайне важно найти замену топливу.