격자 이온 추진기

Gridded ion thruster
Electrostatic ion thruster-en.svg

격자형 이온 추진기는 전력으로 작동하는 매우 효율적인 저추진 우주선인 이온 추진기의 일반적인 설계입니다.이러한 설계에서는 고전압 그리드 전극을 사용하여 정전력으로 이온을 가속합니다.

역사

이온 엔진은 독일 태생의 NASA 과학자 Ernst Stuhlinger에 [1]의해 처음 시연되었고 1957년부터 1960년대 초까지 NASA Lewis(현 글렌) 연구 센터의 Harold R. Kaufman에 의해 실용적인 형태로 개발되었습니다.

이온 추진 시스템의 사용은 NASA 루이스 "우주 전기 로켓 시험" I과 [2]II에 의해 우주에서 처음 입증되었다.이 추진기들은 반응 덩어리로 수은을 사용했다.첫 번째는 1964년 7월 20일 발사된 SERT-1로, 이 기술은 우주에서 예측대로 작동한다는 것을 성공적으로 증명했다.1970년 [3][4]2월 3일 발사된 두 번째 시험인 SERT-II는 두 개의 수은 이온 엔진이 수천 [5]시간 동안 작동하는 것을 확인했습니다.그러나 1960년대와 70년대의 시위에도 불구하고, 그것들은 1990년대 후반 이전에는 거의 사용되지 않았다.

NASA 글렌은 1980년대까지 전기 추진력을 사용하여 행성간 궤도를 비행하는 첫 번째 임무인 딥 스페이스 1 탐사선에 성공적으로 사용된 NASA 솔라 테크놀로지 애플리케이션 레디니스(NSTAR) 엔진을 개발하면서 정전기 격자형 이온 추진기를 계속 개발했다.그것은 현재 여명 소행성 임무를 수행하고 있다.

Hughes Aircraft Company(현 L-3 ETI)는 지동 위성(비행하는 [citation needed]엔진 100개 이상)에서 스테이션 유지를 수행하기 위해 XIPS(Xenon Ion Propulation System)를 개발했다.미 항공우주국([citation needed]NASA)은 현재 NSTAR보다 더 높은 효율과 특정 임펄스, 더 긴 수명을 가진 20~50kW 정전식 이온 추진기 HiPEP를 개발[clarification needed] 중이다.

2006년 에어로젯은 NEXT 이온 추진기 [6]시제품 테스트를 완료했다.

1970년대부터 Giessen University와 Ariane Group에서 무선주파수 이온 스러스터가 개발되었습니다.RIT-10 엔진은 EURECA와 Artemis를 통해 비행하고 있습니다.Qinetiq(영국)는 GOCE 미션(T5), Mission Becolmbo(T)에 사용되는 T5 및 T6 엔진(Kaufman 타입)을 개발했습니다.일본에서 온 10엔은 전자레인지로 하야부사 [citation needed]미션을 날랐다.

2021년, DART는 NEXT-C 이온 추진기를 탑재하여 출시되었습니다.

2021년 ThrustMe는 NPT30-I2 요오드 이온 추진기를 [7][8][9]사용하여 위성 궤도 변화를 보고했다.

조작방법

추진제 원자를 방전실에 주입하고 전자폭격에 의해 이온화시켜 플라즈마를 형성한다.방전을 위해 에너지 전자를 생성하는 방법에는 여러 가지가 있습니다: 전자는 중공 음극에서 방출될 수 있고 양극과의 전위차에 의해 가속될 수 있습니다. 전자는 교류 전자석에 의해 유도되는 진동 전계에 의해 가속될 수 있으며, 이는 자급자족 방전을 초래하고 모든 c를 생략합니다.애소드(무선 주파수 이온 스러스터) 및 마이크로파 가열.양전하를 띤 이온은 챔버의 추출 시스템(2 또는 3개의 멀티 어터처 그리드)으로 확산됩니다.이온은 그리드 구멍의 플라즈마 피복에 들어간 후 첫 번째 및 두 번째 그리드(각각 스크린 및 가속기 그리드) 사이의 전위차에 의해 가속됩니다.이온은 강력한 전기장에 의해 추출 구멍을 통해 유도됩니다.최종 이온 에너지는 일반적으로 스크린 그리드의 전압보다 약간 높은 플라즈마의 전위에 의해 결정됩니다.

가속 그리드의 음전압은 스러스터 외부의 빔 플라즈마 전자가 방전 플라즈마로 역류하는 것을 방지합니다.이는 그리드의 음전위 부족으로 인해 실패할 수 있으며, 이는 이온 추진기의 작동 수명에 대한 공통적인 종료이다.방출된 이온은 뉴턴의 제3법칙에 따라 우주선을 반대 방향으로 이동시킨다.저에너지 전자는 중성자라고 불리는 별도의 음극에서 이온 빔으로 방출되어 동일한 양의 양전하와 음전하가 방출되도록 합니다.중성화는 우주선이 순 음전하를 얻는 것을 막기 위해 필요하며, 이는 이온을 우주선 쪽으로 끌어당겨 추력을 상쇄시킬 것이다.

성능

수명

이온 광학은 소량의 2차 이온에 의해 지속적으로 충격을 받아 부식되거나 마모되므로 엔진 효율과 수명이 감소합니다.이온 엔진은 몇 년 동안 효율적이고 지속적으로 작동할 수 있어야 합니다.침식을 줄이기 위해 몇 가지 기술이 사용되었는데, 가장 주목할 만한 것은 다른 추진체로 바꾸는 것이었다.수은이나 세슘 원자는 1960년대와 1970년대에 실험할 때 추진제로 사용되었지만, 이 추진제는 그리드에 달라붙어 침식되었다.반면 제논 원자는 부식성이 훨씬 낮으며 사실상 모든 이온 추진체 유형에서 선택되는 추진제가 되었습니다.NASA는 16,000시간(1.8년) 이상 NSTAR 엔진의 지속적인 작동을 입증했으며, 테스트는 여전히 두 배 동안 진행 중입니다.

특정 임펄스

정전 이온 추진기는 또한 30–100 kN/s/kg의 특정 임펄스를 달성하여 대부분의 다른 이온 추진기 유형보다 우수하다.정전 이온 스러스터는 속도가 100km/s에 이를 때까지 가속 이온을 가지고 있습니다.

4개의 그리드의 이점

2006년 1월, 유럽우주국은 호주 국립대학과 함께, 4배 이상의 특정한 임펄스를 허용하는 210 km/s의 배기 속도를 보인 개량된 정전 이온 엔진인 Dual-Stage 4-Grid(DS4G)의 실험에 성공했다고 발표했다.기존의 정전식 이온 추진기는 이온 추출과 가속 기능을 모두 수행하는 고전압과 저전압 두 개의 그리드만 가지고 있습니다.그러나 이들 그리드 간의 전하 차이가 약 5kV에 이르면 챔버에서 추출된 입자가 저전압 그리드와 충돌하여 저전압 그리드를 침식하고 엔진의 수명을 저하시킵니다.두 쌍의 그리드를 사용하면 이 제한이 성공적으로 무시됩니다.첫 번째 쌍은 고전압에서 작동하며, 이들 쌍 사이에 약 3kV의 전압 차이가 있습니다. 이 그리드 쌍은 가스 챔버에서 대전된 추진제 입자를 추출하는 역할을 합니다.저전압으로 작동하는 두 번째 쌍은 입자를 바깥쪽으로 가속시켜 추력을 생성하는 전장을 제공합니다.새로운 엔진의 또 다른 장점으로는 보다 콤팩트한 설계로 더 높은 추력까지 확장할 수 있으며, 이전에 달성한 것보다 5배 더 좁혀진 3도의 좁고 덜 발산된 배기 플룸이 있습니다.이는 추력 벡터 [10]방향의 불확실성이 작기 때문에 우주선의 방향을 수정하는 데 필요한 추진제를 감소시킨다.

변종

많은 정전 이온 스러스터에서 가장 큰 차이는 추진제 원자를 이온화하는 방법 - 전자 충격(NSTAR, NEXT, T5, T6), 무선 주파수(rf) 들뜸(RIT 10, RIT 22, δN-RIT), 마이크로파 들뜸(δ10, δ20)이다.이와 관련된 것은 캐소드의 필요성과 전원 장치에 필요한 노력입니다.카우프만형 엔진은 최소한 음극, 양극 및 챔버에 공급해야 한다.RF 및 마이크로파 타입에는 추가 RF 발생기가 필요하지만 양극 또는 음극 공급 장치는 필요하지 않습니다.

추출 그리드 시스템에서는 그리드 지오메트리와 사용된 재료에 사소한 차이가 발생합니다.이는 그리드 시스템의 작동 수명에 영향을 미칠 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

추가 정보

레퍼런스

  1. ^ Ernst Stuhlinger, 우주 비행 이온 추진관(McGrow-Hill, New York, 1964).
  2. ^ J. S. S. Sobey, V. K. Rawlin 및 M. J. Patterson, "미국의 이온 추진 개발 프로젝트: 우주 전기 로켓 테스트 1 대 딥 스페이스 1", 추진 및 동력 저널, Vol.17, No.3, 2001년 5월-5 페이지.
  3. ^ NASA 글렌, "스페이스 전기 로켓 테스트 II(SERT II)" 웨이백 머신에 2011-09-27 아카이브 완료(2010년 7월 1일 액세스 완료)
  4. ^ Austomerix의 Wayback Machine 페이지에서 SERT Archived 2010-10-25(2010년 7월 1일 액세스)
  5. ^ "Space Electric Rocket Test". Archived from the original on 2011-09-27. Retrieved 2010-07-01.
  6. ^ Aerojet이 2006년 5월 30일 웨이백 머신에서 아카이브된 NASA의 차세대 이온 엔진 개발 프로그램의 제조 및 시스템 통합 마일스톤을 성공적으로 완료
  7. ^ "In a space first, scientists test ion thrusters powered by iodine".
  8. ^ Rafalskyi, Dmytro; Martínez Martínez, Javier; Habl, Lui; Zorzoli Rossi, Elena; Proynov, Plamen; Boré, Antoine; Baret, Thomas; Poyet, Antoine; Lafleur, Trevor; Dudin, Stanislav; Aanesland, Ane (17 November 2021). "In-orbit demonstration of an iodine electric propulsion system". Nature. 599 (7885): 411–415. Bibcode:2021Natur.599..411R. doi:10.1038/s41586-021-04015-y. PMC 8599014. PMID 34789903. Both atomic and molecular iodine ions are accelerated by high-voltage grids to generate thrust, and a highly collimated beam can be produced with substantial iodine dissociation.
  9. ^ "Iodine thruster used to change the orbit of a small satellite for the first time ever". www.esa.int. The European Space Agency. 22 January 2021. Retrieved 2021-11-29. For the first time ever, a telecommunications satellite has used an iodine propellant to change its orbit around Earth. The small but potentially disruptive innovation could help to clear the skies of space junk, by enabling tiny satellites to self-destruct cheaply and easily at the end of their missions, by steering themselves into the atmosphere where they would burn up.
  10. ^ ESA Portal – ESA와 ANU가 우주 추진의 비약적 발전

외부 링크