Điện lực đẩy

Chia sẻ: Nguyễn Ngọc Duy | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:20

Thêm vào BST

Báo xấu

77
lượt xem 18
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Điện lực đẩy Lời tựa Điện lực đẩy là một thay thế cho technolgy động cơ tên lửa hóa học nhằm giảm tiêu thụ nhiên liệu thông qua các thế hệ vận tốc khí thải rất cao. Kể từ khi các thí

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Điện lực đẩy

Điện lực đẩy Lời tựa Điện lực đẩy là một thay thế cho technolgy động cơ tên lửa hóa học nhằm giảm tiêu thụ nhiên liệu thông qua các thế hệ vận tốc khí thải rất cao. Kể từ khi các thí nghiệm đầu tiên của Nga và Mỹ trong vòng 60, nó đã phát triển thành một giải pháp đ ặc biệt âm thanh để định vị tàu vũ trụ, chuyển quỹ đạo và nhiệm vụ giữa các. Với hơn một trăm đẩy điện đã bay trên các vệ tinh thương mại giữa năm 1990 và 2000, trong thập kỷ cuối cùng đã được indisputably một mốc quan trọng trong lịch s ử của động cơ đẩy điện. Và trong khi động cơ đẩy điện vào thiên niên kỷ mới, sự chấp nhận của nó đối với nhiệm vụ thương mại không chỉ là dự kiến sẽ mở rộng hơn nữa, nhưng sự thành công của tàu thăm dò sâu-Space sao chổi vào năm 2001 cũng dự báo một kỷ nguyên thăm dò không gian nơi mà công nghệ này có nghĩa là đ ể đóng một to lớn vai trò. Phạm vi Có tồn tại nhiều cách để chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng động học đạo diễn, và một số lượng lớn phù hợp của khái niệm đẩy điện đã được đưa ra cho các ứng dụng khác nhau và yêu cầu thực hiện. Chỉ có ba trong số các công nghệ trưởng thành nhất, tuy nhiên, được trình bày trong các trang này. Trong electrojets Đặc biệt, về cơ bản cổ điển tên lửa động cơ đốt nóng điện bổ sung, không được thảo luận trong tài liệu này kể từ khi vật lý của họ thực sự là khá trực thuộc các công cụ hóa học. Thông tin về các công nghệ tiên tiến khác điện đẩy (trường đẩy cao hiệu lực, các bộ đẩy plasma xung, Vasimr, M2P2, ...) có thể được tìm thấy trong các liên kết phần. Cơ bản lý thuyết Điện lực đẩy: những gì cho? Ưu điểm của động cơ đẩy điện có thể được đánh giá từ phương trình Tsiolkowski, nói rằng khối lượng ban đầuM 0 của một cơ thể miễn phí với vận tốc ban đầu V 0 cần thiết để đạt vận tốc V 1 có khối lượng M 1 :
V sp là vận tốc cụ thể của nhiên liệu (một số mở rộng, vận tốc trung bình của khí thải) . Trong trường hợp lý tưởng hóa (rất), nơi khối lượng khô của tàu vũ trụ là không đáng kể, M 1 là khối lượng tải trọng . Ưu điểm của nhiên liệu đẩy ra với tốc độ cao sau đó trở nên rõ ràng: một khối lượng của nhiên liệu, khối lượng tải trọng deliverable của có thể được tự ý tăng thông qua một sự gia tăng đầy đ ủ của khí thảivận tốc V sp, mà là chính xác những gì điện lực đẩy cho phép. Hạn chế của các hệ thống động cơ đẩy thông thường Hiệu suất của vòi phun tên lửa cổ điển là bản chất giới hạn của nhiệt đ ộ tối đa của T noz bền vững của các thành phần của nó. Tốc độ rút khí lớn nhất đạt được với một mở rộng nhiệt động lực học trong một vòi phun thực sự là giới hạn thông qua một mối quan hệ của các loại: trong đó R là khí phổ liên tục và điện tử M là khối lượng khí thải trung bình phân tử.Trong thực tế, điều này đặt ra giới hạn ở V sp ≈ 10 km / s cho nhiên liệu hydro. Hạn chế này được áp dụng không chỉ để động cơ hóa học cổ điển, nhưng cũng để trao đổi nhiệt tên lửa hạt nhân và electrojets (động cơ tên lửa với điện trở hoặc sưởi ấm hồ quang điện). Trong trường hợp động cơ tên lửa hóa học, năng lượng từ nhiên liệu thiết lập một giới hạn thậm chí còn hạn chế hơn về tốc độ cụ thể thông qua: ΔH f là entanpy phản ứng của hỗn hợp nhiên liệu. Hỗn hợp nhiên liệu hiệu quả nhất thường được sử dụng oxy / hydro phát triển với tốc độ cụ thể của thứ tự của V sp≈ 4 km / s. Chỉ có những cải tiến nhỏ hơn con số này có thể đạt được với tri thức ngày nay, sử dụng hệ thống nhiên liệu như tri-. Động cơ đẩy điện để giải cứu Cả hai của những hạn chế nói trên được khắc phục với hệ thống động cơ đẩy điện tiên tiến, trong đó đẩy nhanh tiến độ các phương tiện làm việc với các lĩnh vực điện hoặc điện. Mặc dù có là hầu như không có giới hạn vận tốc cụ thể đạt được với động cơ đẩy điện, một số giới hạn thực tế phát sinh do chi phí năng lượng của vận tốc cụ thể: trong đó P là năng lượng điện cung cấp và F lực đẩy phát triển. Nói cách khác, vận tốc cụ thể là hạn chế bởi số lượng của quyền lực sẵn có và mức đ ộ của l ực đ ẩy cần thiết để cơ động trong một khoảng thời gian hợp lý. Kết quả là, mỗi loại nhiệm vụ xác định vận tốc của riêng của nó cụ thể "lý tưởng".Ví dụ, chuyển lưu giữ và quỹ đạo vệ tinh trạm yêu cầu tốc độ cụ thể trong phạm vi 15- 40 km / s theo quan điểm của số lượng hạn chế quyền lực có sẵn từ các tấm pin mặt trời. Nhiệm vụ liên hành với các máy phát điện hạt nhân, mặt khác sẽ có thể sử dụng cao hơn nhiều tốc độ cụ thể. Tương tự như vậy, chính xác vị trí tàu vũ trụ có thể được thực hiện với hệ thống lực đẩy rất thấp và do đó với vận tốc cao cụ thể. Buồng máy đẩy
Lịch sử Lịch sử của buồng máy đẩy ngày trở lại đầu những năm 1960 khi sự phát triển c ủa công nghệ đẩy hiệu ứng buồng máy được dùng đồng thời bắt đầu ở Liên Xô và Mỹ. Các thiết kế hiện đại của những động cơ này về cơ bản kế thừa, tuy nhiên, từ các nỗ lực nghiên cứu sâu rộng của Liên Xô từ đó cũng bắt nguồn của sự hiểu biết lý thuyết hiện tại của những động cơ này. Chương trình nghiên cứu của Liên Xô là chính nó mắc nợ đến công việc của nhà khoa học Nga AI Morozov, người đi tiên phong trong các biến thể Hall thruster phổ biến nhất trong sử dụng hiện tại, thường được gọi là Stationary thruster Plasma (SPT). Bộ đẩy plasma ổn định. Mặc dù sự phức tạp của quản lý quá trình vật lý của các thiết bị, công nghệ của họ là tương đối trưởng thành và được hưởng một trải nghiệm chuyến bay xuất sắc với hơn 100 đơn vị gửi về hội đồng quản trị của tàu vũ trụ Nga kể từ năm 1970. Sự thành công của Nga đã thúc đẩy trong mười năm qua một số phát triển nhanh chóng của các nỗ lực nghiên cứu và phát triển trên toàn thế giới, đặc biệt là ở Mỹ, Nhật Bản và Châu Âu đẩy Hội trường phương Tây đầu tiên đã bay vào năm 2003 trên tàu vũ trụ SMART-1. Nguyên tắc hoạt động Các hoạt động của buồng máy nguồn plasma loại dựa trên hiệu ứng giam giữ của một từ trường điện tử để đạt được ion hóa chất nổ đẩy. Được hưởng lợi từ thực tế là bán kính cyclotron electron nhỏ hơn nhiều hơn so với các ion, một từ trường B của sức mạnh thích hợp được áp dụng hành vi chọn lọc trên các điện tử mà không ảnh hưởng đáng kể chuyển động của các ion trong mở rộng của thiết bị. Giam giữ của các điện tử là tăng cường hơn nữa bằng cách sử dụng một kênh hình khuyên đóng cửa trôi dạt phương vị của họ trong hướng E × B. Một phần tương đối nhỏ của dòng điện tử phát ra từ cực âm đi vào các kênh và một phần bị chặn lại bởi từ trường xuyên tâm. Sự phổ biến của các điện tử đối với cực dương là như vậy, mạnh mẽ cản trở, và chủ yếu là đảm bảo bởi sự va chạm với trung tính và các bức tường hoặc bởi bất ổn của điện trường phương vị. Các điện tử ion hóa
lần lượt propelant (xenon nói chung) và các ion kết quả được gia tốc qua vùng từ trường cao nằm gần ống xả của các kênh. Ion bị trục xuất đang vô hiệu hóa bởi các electron còn lại phát ra từ cực âm. Khả năng và sử dụng tiêu biểu Vận tốc cụ thể điển hình cung cấp bởi Hội trường đẩy phạm vi từ 15 đ ến 25 km / s cho một hiệu quả gần 50%. Các lực đẩy phát triển nói chung theo thứ tự là 0,1 N, mặc dù đẩy cao như một vài Newton đã được chứng minh bởi một nguyên mẫu của NASA. Những thông số vận hành làm cho họ đặc biệt thích hợp cho các nhiệm vụ như gi ữ phía bắc-nam-ga (NSSK) của vệ tinh địa tĩnh, chuyển quỹ đạo vệ tinh hoặc đẩy thăm dò không gian. Đẩy hội trường đã được sử dụng rộng rãi cho các cơ quan NSSK tại Nga kể từ những năm 70. Hiện tại họ đang lên kế hoạch để bay trên vệ tinh của Mỹ và châu Âu, và đã thúc đẩy các SMART-1 đầu dò âm lịch châu Âu. SPT-100 loại sảnh thruster bên trong cơ sở Pivoine (Pháp)
Nghệ sĩ ấn tượng của đầu dò âm lịch-SMART I, đẩy thruster PPS-1350. Theo dạng lưới ion đẩy Lịch sử Đơn giản rõ ràng nguyên tắc hoạt động của họ đã đẩy ion được đặt theo dạng lưới tại tập trung của hầu hết các chương trình đẩy phía tây điện trong nhiều thập kỷ. Tại Mỹ, cuộc điều tra của công nghệ bắn phá ion đã được khởi xướng vào đầu những năm 60, theo hướng dẫn của nhà khoa học nhân sự Kaufman. Những nghiên cứu này đã được bổ sung bởi một vài chuyến bay thử nghiệm trong những năm 70 và cuối cùng dẫn đến thế hệ hiện tại của Mỹ đẩy ion, XIPS (thị trường của Boeing) và động c ơ NSTAR rằng hành vũ trụ sâu tôi thăm dò. Anh xây dựng Vương quốc Anh-10 (hay còn gọi là T5) và Vương quốc Anh-25 (T6) đẩy sử dụng một công nghệ tương tự, mặc dù giam giữ điện tử được đảm bảo bởi các nam châm điện thay vì nam châm vĩnh cửu. Tuy nhiên, ở Đức, một công nghệ khác nhau dựa trên một ionizer tần số vô tuyến được làm việc cho gia đình RIT của thruster ion. Nhật Bản cũng phát triển công nghệ ion hóa riêng của mình dựa trên lò vi sóng duy trì điện tử cộng hưởng cyclotron, và khánh thành việc sử dụng đầu tiên hoạt động của ion đẩy trên một vệ tinh vào năm 1994. Nguyên tắc hoạt động
Thể loại này đẩy ion phụ thuộc vào gia tốc tĩnh điện đơn giản của các ion thông qua một hệ thống lưới thiên vị tại các tiềm năng khác nhau. Trong động cơ bắn phá ion như một trong những đại diện ở đây, nhiên liệu (thường xenon) được giới thiệu trong một buồng ion hóa trong đó các electron được sản xuất bởi một cathode trung tâm bị hạn chế bởi các phương tiện ứng dụng từ trường. Trong khi di chuyển dọc theo quỹ đạo giả-cycloidal, các điện tử va chạm với trung tính và tạo ra các ion. Lưới điện đầu tiên (khai thác lưới điện) được đặt ở một tiềm năng hơi tiêu cực để để lọc ra các điện tử trong khi tại cùng một thời gian cho phép khai thác của các ion. Lưới tiếp theo là thiết lập một tiềm năng rất thấp (thường -1000 V) và tăng tốc các ion chiết xuất. RIT đẩy Đức và đẩy lò vi sóng Nhật Bản theo nguyên tắc điều hành tương tự, trừ các buồng ion hóa ion hóa tương ứng là đảm bảo bằng sóng RF và vi sóng. Khả năng và sử dụng tiêu biểu Đẩy Ion thường cung cấp tốc độ cụ thể trong phạm vi 25-40 km / s và đẩy dưới 0,1 N, cho một hiệu quả tổng thể gần 60%. Đẩy cao hơn về mặt lý thuyết có thể đạt được, nhưng phí không gian mạng được xây dựng giữa lưới do sự vắng mặt của các điện tử làm cho nó khó khăn để thiết kế động cơ lực đẩy kích thước hợp lý cao. Đẩy Ion thường được sử dụng cho trạm phía bắc-nam-giữ nhiệm vụ trên các vệ tinh địa tĩnh thương mại Mỹ từ năm 1997. Họ cũng đã xuất sắc chứng minh khả năng của mình để đẩy các tàu thăm dò không gian được chứng thực của cuộc gặp gỡ của NASA Space 1 tàu vũ trụ sâu với sao chổi Borrelly trong tháng 9 năm 2001.Ngay sau đó, đẩy ion bất ngờ thực hiện đẩy chuyển giao quỹ đạo điện đầu tiên hỗ trợ của một vệ tinh, sau tiêm quỹ đạo thất bại của nhiệm vụ Artemis của ESA. Năm 2003 đánh dấu việc sử dụng đầu tiên của một lò vi sóng ion thruster trên một tàu thăm dò không gian, tàu vũ trụ Muses-C Nhật Bản. Magnetoplasmadynamic đẩy
Lịch sử Magnetoplasmadynamic (MPD) đẩy được phát triển từ cuối những năm 1960 ở Nga và ở Mỹ, một số biến thể của khái niệm chính được điều tra (trạng thái ổn định vs bán ổn định, tự lĩnh vực vs áp dụng lĩnh vực). Nghiên cứu trên điện năng thấp và trung bình đẩy MPD đã dần dần bắt đầu ở các nước khác, đặc biệt là ở Đức, Nhật Bản và Italy. Nguyên tắc hoạt động Trong một lĩnh vực tự MPD thruster, dòng hồ quang được tạo ra giữa cathode và anode hình khuyên thiết bị ngoại vi trung tâm ion hóa nhiên liệu và gây ra một lĩnh vực góc phương vị từ.Trong một cách hơi gợi nhớ của các thiết bị tập trung dày đặc trong huyết tương,J × B Lorentz cơ thể lực nén và tăng tốc một plasma bán trung lập dọc theo trục trung tâm. Bởi vì từ trường tự do đáng kể duy nhất ở năng lượng rất cao, điện năng thấp MPD đẩy thường dùng một từ trường bên ngoài được áp dụng để tăng cường quá trình tăng tốc (áp dụng cho lĩnh vực đẩy MPD). MPD đẩy có thể hoạt động ở chế độ trạng thái ổn định hoặc ở chế độ xung, bán ổn định,. Chiến lược thứ hai là nhằm mục đích nâng cao hiệu quả của họ thông qua sự gia tăng về sức mạnh hoạt động tức thời, trong khi vẫn giữ một yêu cầu điện trung bình phù hợp với khả năng tàu vũ trụ truyền thống. Khả năng và sử dụng tiêu biểu Các khả năng mở rộng tuyệt vời đẩy MPD cho phép họ bao gồm một loạt các ấn tượng của các thông số hoạt động: từ một vài kW MW nhau của quyền lực, từ một vài mN đến vài trăm N của lực đẩy và từ 1.000 km / s đến 10000 km / s c ủa c ụ th ể vận tốc. MPD đẩy, đặc biệt là lĩnh vực đẩy tự, hiệu quả nhất ở công suất cao và có thể thực hiện lên đến 40% hiệu quả. Mặc dù có lợi thế tiềm năng của nó, sự phát triển của thrusters MPD vẫn còn cản tr ở bởi các vấn đề xói mòn lâu đời cathode hạn chế cuộc sống của họ một vài trăm giờ tốt nhất. Thruster chỉ MPD bao giờ được sử dụng trong không gian là EPEX, bán ổn đ ịnh 1kW động cơ thành công bay trên SFU vệ tinh Nhật Bản trong năm 1995. Kiểm tra và đánh giá điện thruster
Edward J. Beiting, Ronald B. Cohen, Mark W. Crofton, Kevin Diamant, James E. Pollard, Jun Qian, và Michael L. Garrett Đánh giá tại các cơ sở thử nghiệm mặt đất đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển và trình độ của các hệ thống thruster mới. Tàu vũ trụ điện đẩy trách nhiệm cho các chức năng quan trọng chuyển giao quỹ đ ạo, quỹ đạo trạm lưu giữ, và trong các ứng dụng gần đây, đẩy liên hành. Hệ thống điện tạo ra sức đẩy bằng cách sử dụng quá trình điện và từ nhiệt và / hoặc đ ẩy nhanh quá trình nhiên liệu hoặc huyết tương. Hệ thống hóa học tạo ra sức đẩy thông qua các phản ứng hóa học tạo ra khí thải mở rộng. Đẩy điện có tốc độ rút khí bình thường từ 2 đến 10 lần cao hơn so với đẩy hóa học, có nghĩa là hiệu quả của họ với sự tôn trọng đến việc sử dụng nhiên liệu lớn. Trọng tải do đó có thể được tăng cường, ra mắt vào xe nhỏ hơn, rẻ hơn. Mặt khác, thử nghiệm và đánh giá của thrusters điện là nhiều thách thức hơn cho các hệ thống hóa học.Lượng năng lượng trên mỗi hạt bị trục xuất, phức tạp tổng thể, và tuổi thọ các yêu cầu thường lớn hơn nhiều. Ngoài ra, tiềm năng đáng kể cho sputtered hạt lắng đọng, sự rung đông ion năng lượng, nhiễu điện từ, và các tương tác bất lợi có ̣ thể ảnh hưởng đến các tàu vũ trụ và các hệ thống con của nó phải được giải quyết. Khả năng tương tác bất lợi có xu hướng tăng cùng với đầu vào năng l ượng điện và nhiên liệu, tốc độ dòng chảy đã tăng lên như năng lượng có sẵn trên máy bay đã tăng lên. Ngoài ra, các cơ sở thử nghiệm mặt đất tương tác với đẩy điện theo những cách có thể kiểm tra kết quả nghiêng. Ví dụ, áp lực cơ sở nền tảng có thể ảnh hưởng đến nhiễu điện từ, xói mòn thruster, và các đặc điểm sự cố điện. Bề mặt tường gần các thruster sản xuất ô nhiễm, sự tương tác nhiệt, trung hoà chùm nhân tạo, và nhiễu loạn trên các lĩnh vực điện và di chuyển trong huyết tương. Nhiễm từ các bức tường là một trong những tác động ngấm ngầm nhất: lắng đọng của một lớp dẫn điện trên bề mặt thruster có thể gây ra sự mất mát của các chức năng cách điện, khó chịu đ ặc điểm khí thải, và sửa đổi các tiềm năng ô nhiễm rõ ràng của máy đẩy.
Ion công cụ T5 (Vương quốc Anh-10) hoạt động trong các thiết bị hàng không vũ trụ, tiết lộ các chùm tia ion huỳnh quang và tập trung vào tác động của lưới khai thác. Các chùm tia ion là reexpanding như chạm chùm dừng lại ở bên phải. Theo quan điểm của tất cả những cân nhắc, thử nghiệm động cơ đẩy điện và kỹ thuật đánh giá và các cơ sở đã bị buộc phải phát triển tinh vi và phạm vi. Hàng không vũ trụ có một lịch sử dài của thử nghiệm và đánh giá công nghệ thruster cho các chương trình không gian đa dạng và đã đóng một vai trò quan trọng trong vi ệc phát triển và trình độ của các thiết kế thruster mới. Sự nhấn mạnh gần đây trên động cơ đẩy điện năng lượng cao đang đẩy các phong bì trên hiệu năng hệ thống và tuổi thọ. Thông qua Cơ sở Propulsion Chẩn đoán của nó, hàng không vũ trụ đang làm việc để đảm bảo rằng các thế hệ tiếp theo của các hệ thống thruster điện sẽ đạt được quyền lực hình dung và hiệu quả mà không phải hy sinh độ tin cậy. Lịch sử của Propulsion điện Phát triển hệ thống động cơ đẩy điện đã kéo dài hơn bốn thập kỷ. Sau khi phát minh ra động cơ ion theo dạng lưới trong năm 1960, nhiều người bên trong và bên ngoài c ộng đồng không gian tin rằng những lợi ích của công nghệ này sẽ sớm được thực hiện. Với động cơ đẩy ion, các hạt tích điện được gia tốc bằng cách thông qua l ưới điện cực tích điện cao. Về lý thuyết, một xung động tương đối cao cụ thể có thể đạt được, nhưng tại các chi phí của nhu cầu năng lượng cao. Những năm đầu của hoạt động điên cuồng bao gồm không gian kiểm tra một điện thậm chí còn được sử dụng có nguồn gốc từ một lò phản ứng hạt nhân. Những thử nghiệm này không hoàn toàn thành công, và tiếp tục nghiên cứu vào những năm 1970 và 1980 với tốc độ chậm hơn. Đồng thời, nhiều hình thức của động cơ đẩy điện được phát triển.
Việc đầu tiên trong số này là resistojet, một hình thức tương đối đơn giản của thruster điện. Nó hoạt động bằng cách đi qua nhiên liệu khí, thường hydrazine, trên lò sưởi điện trở và mở rộng thông qua một vòi phun thông thường. Resistojet được theo sau bởi arcjet, mà vượt qua hydrazine thông qua một hồ quang điện làm nóng nó trước khi nó mở rộng qua một miệng vòi. Phát triển cho các ứng dụng chuyến bay trong những năm 1990, arcjet hydrazine cung cấp một tăng xung cụ thể đáng kể hơn so với đẩy hóa học tiêu chuẩn. Thruster xung huyết tương, mặc dù hiệu quả khiêm tốn của nó, được tìm thấy ứng dụng thích hợp trên tàu vũ trụ, nhờ vào sự linh hoạt và đơn giản của nó. Trong một thruster xung huyết tương, một xả tụ điện tạo ra một vòng cung xung trên khuôn mặt của một khối nhiên liệu đẩy rắn. Một số lượng nhỏ của vật liệu là ablated và ion hóa để tạo thành một plasma được tăng tốc trong một từ trường. Thruster hiệu ứng Hall trong buồng thử nghiệm sợi thủy tinh. Nghiên cứu bổ sung tập trung vào đẩy magnetoplasmadynamic, có chức năng bằng cách đi qua một lớn hiện nay thông qua một trung tính trong huyết tương từ một cathode trung ương đến một cực dương hình khuyên. Các dòng điện xuyên tâm gây ra một lĩnh vực vòng tròn từ đó làm tăng tốc độ dọc theo trục của cấu trúc điện cực trong huyết tương. Hoạt động hiệu quả là nghèo nếu quyền lực đầu vào là dưới 50 kW, nhưng tàu vũ trụ chạy bằng năng lượng hạt nhân có thể làm cho các nền tảng hấp dẫn nếu các vấn đề thiết kế khác có thể được giải quyết. Trong những năm 1990, làm việc trên các thiết bị ion như thruster hiệu ứng Hall đ ược tăng cường. Trong một thruster hiệu ứng Hall, các nguyên tử trung hòa từ một khí nặng như xenon ion hóa do va chạm với các electron năng lượng cao có phong trào b ị h ạn chế bởi một từ trường xuyên tâm. Các ion được phần lớn không bị ảnh hưởng bởi từ trường, nhưng được gia tốc bằng điện trường giữa anode và cathode. Phát triển của thruster hiệu ứng Hall đã dừng chân ở Hoa Kỳ, nhưng Liên Xô cũ đã dẫn đ ầu một chương trình phát triển chuyên sâu dẫn đến ứng dụng chuyến bay rộng lớn. Động cơ ion đã trở thành hoạt động như các thiết bị thương mại vào năm 1997, với sự ra mắt của vệ tinh Galaxy 11 thông tin liên lạc. Sự thành công của sứ mệnh sâu của NASA 1 không gian, lần đầu tiên vượt ra ngoài quỹ đạo Trái đất để sử dụng một động
cơ ion, tiếp tục thiết lập tính khả thi của công nghệ này.Động cơ đẩy ion sẽ được sử dụng trên Gapfiller băng rộng và EHF vệ tinh truyền thông quân sự nâng cao. Việc đầu tiên sẽ thực hiện một loại động cơ ion theo dạng lưới, và sau này sẽ sử dụng đẩy hiệu ứng Hall. Hàng không vũ trụ Vai trò Hàng không vũ trụ đã được một lực lượng trung tâm trong kiểm tra và đánh giá thruster điện từ năm 1989, khi Propulsion chẩn đoán nâng cao Cơ sở của công ty đã trở thành hoạt động. Buồng thử nghiệm hình trụ, 2,4 m đường kính 4,8 mét, dài, được dự định để xử lý các chất khí như hydro và nitơ (sản phẩm chính của sự phân hủy hydrazine) sẽ bị cạn kiệt bởi một resistojet hoặc arcjet. Phòng này được trang bị với một máy phân tích phân tử, tốc độ tích hợp mà có thể nhanh chóng có được sự phân bố vận tốc của loài chùm cá nhân. Đó là một công cụ duy nhất trong cộng đồng đẩy điện. Dự án quan trọng trong những năm đầu bao gồm một arcjet 1-kilowatt hydrazine mô phỏng được thiết kế bởi NASA. Các phép đo chi tiết được làm bằng lực đẩy, phần phân ly chùm, nhiệt độ quay và rung động, vận tốc phân tử, và các đặc tính phát thải. Những phép đo này được thực hiện với propellants khác nhau và cho các điểm hoạt động nhiều. Arcjet phát triển chương trình của NASA đã dẫn đến việc sử dụng hoạt động thành công arcjets, bắt đầu vào năm 1993. 1.5 mét đường kính 3,0 mét phòng thử nghiệm được sử dụng cho các nghiên cứu gần trường và hiệu suất. Cơ sở này được áp dụng để thử nghiệm hiệu suất đẩy ion nhỏ và phát triển chẩn đoán mới. Trong một khoảng thời gian ba năm bắt đầu từ năm 1992, hàng không vũ trụ tiến hành một thử nghiệm chuyên sâu và đánh giá của một động cơ ion của Anh, cuối cùng bay trên vệ tinh thông tin liên lạc Artemis. Dự án kéo một nâng cấp nhỏ của cơ sở, cùng
với việc giới thiệu các kỹ thuật chẩn đoán khác nhau, trong đó có một số đã được phát triển đặc biệt cho dự án. Ngoài ra việc xác định các thông số cơ bản và dòng điện, hàng không vũ trụ đã có thể để đánh giá hướng vector lực đẩy và cường độ, biến dạng lưới điện trong quá trình hoạt động, sự phân kỳ chùm tia, mật độ trong huyết tương, huyết tương tiềm năng, nhiệt độ điện tử, phân phối điện tích ion, phân phối vận tốc ion, xenon trung lập mật độ, tỷ lệ xói mòn kim loại, phát xạ tia cực tím và có thể nhìn thấy, tần số vô tuyến điện và khí thải lò vi sóng, phát xạ hồng ngoại, thành phần nhiệt độ, lò vi sóng giai đoạn thay đổi, và thay đổi bề mặt của vật liệu tàu vũ trụ.Đây là nỗ lực trong các thiết lập toàn diện nhất của công cụ đánh giá cho một động cơ ion bất cứ nơi nào trên thế giới và là một yếu tố quan trọng trong việc thiết lập một đường cơ sở cho động cơ đẩy ion trong các vệ tinh thông tin liên lạc quân sự. Những công cụ này đã được trực tiếp áp dụng cho việc thử nghiệm động cơ đẩy ion nhỏ và hiệu ứng Hall cho các chương trình quân sự và thương mại. Trong vài năm tới, Không gian vũ trụ thực hiện đánh giá chi tiết cho các chương trình khác nhau và cũng đ ược thiết kế, xây dựng và sử dụng năng lượng thấp trong phòng thí nghiệm mô hình hiệu ứng Hall thruster để đánh giá các ngành nghề kỹ thuật và hỗ trợ trong việc phát triển chẩn đoán. Trong cùng thời gian, Không gian vũ trụ đã bắt đầu đánh giá mức độ và thành phần, thành lập các cơ sở nhỏ hỗ trợ cho công việc thành phần và một chuyên về đo đạc. Vào giữa những năm 1990, ví dụ, mạch lạc anti-Stokes tán xạ Raman đã được sử dụng trong một buồng chân không nhỏ để đo vận tốc và nhiệt độ động học c ủa phân tử hydro bên trong và bên ngoài các vòi phun của một resistojet điều hành. Kể từ đó, hàng không vũ trụ đã lắp đặt một số phòng thử nghiệm nhỏ hơn cho các thành phần làm việc, nỗ lực thruster nhỏ, và thruster và phát triển chẩn đoán. Một cơ sở gần trường, ví dụ, được áp dụng để thử nghiệm hiệu suất đẩy ion nhỏ và phát triển chẩn đoán mới. Hàng không vũ trụ cũng đã nỗ lực đáng kể cathode rỗng thruster và các thành phần khai thác lưới điện và các nghiên cứu về các propellants thay thế và thiết kế thruster cuốn tiểu thuyết.
Cấu hình đo lường được sử dụng cho ô nhiễm và lưới đánh giá cuộc sống của T5 (Anh-10) động cơ ion. Một nâng cấp quan trọng của cơ sở chẩn đoán trong năm 1999 mà tăng gấp đôi chi ều dài của buồng thử nghiệm cho phép hàng không vũ trụ để thực hiện các phép đo đ ộ trung thực cao trên trung quyền lực đẩy. Kể từ đó, hàng không vũ trụ đã đánh giá hầu hết các hệ thống thruster điện tiên tiến trên thế giới.Phần lớn công việc này đã đ ược độc quyền cho khách hàng cá nhân. Trong một số trường hợp, đánh giá khá toàn diện, và trong một thái cực khác, giới hạn một kết quả đo lường cụ thể. Chẩn đoán khả năng Hiệu suất máy đẩy, cuộc sống hạn chế đặc điểm, và tương tác giữa luồng tàu vũ tr ụ và khí thải được hiểu thông qua một sự kết hợp của các phép đo và mô hình hóa. Trong trường hợp của arcjets đặc biệt, sự kết hợp đo lường và mô hình hóa đã dẫn đ ến một sự hiểu biết hoàn toàn bất thường của nhiều khía cạnh của thiết bị vật lý và hiệu suất. Mô hình hóa có thể giúp đỡ các dữ liệu đo lường diễn ra trong một khuôn khổ cho vay dự đoán tốt hơn cho những thay đổi trong các tham số hoặc thiết kế hệ thống. Những mô hình này rất phức tạp, và thông thường, tính chính xác của một mô hình có th ể có liên quan trực tiếp về tính chính xác của người khác. Ví dụ, mô hình tuyên truyền số chùm cần như đầu vào các thuộc tính dòng chảy tại các máy bay xuất cảnh, đ ược dự đoán bởi một mô hình riêng biệt của vùng tăng tốc, nhiên liệu đẩy. Các phép đo tài sản chùm gần trường là rất cần thiết để phê chuẩn mô hình tăng tốc khu vực và kiểm soát tỷ lệ xói mòn của các thành phần thruster. Phép đo trường xa là cần thiết để phê chuẩn
mô hình chùm-tuyên truyền và đánh giá sự tương tác với các vật liệu tàu vũ trụ và thiết bị cảm biến. Chất gây ô nhiễm lắng đọng tỷ lệ đo bằng một microbalance thạch anh tinh thể trong T5 (Vương quốc Anh-10) ion động cơ chùm. Những phép đo này có thể thu được thông qua các phương pháp khác nhau, tùy thuộc vào bản chất của các thruster và chùm. Mỗi loại thruster đã tập hợp của các hạt với tốc độ nội tại, mật độ, và phân phối nhiệt độ được xác định bởi các quá trình vật lý phức tạp. Khí động học hành vi sản xuất phân phối mật độ khuếch tán của các hạt nhẹ hơn, như trái ngược với những người lớn hơn, với một sự khác biệt rõ rệt trong nhi ều trường hợp. Plasma thiết bị tạo ion, thường nhanh chóng, và các hạt trung tính, thường chậm, tuy nhiên, hiệu ứng phân tán sản xuất một mức độ đồng nhất, một tỷ lệ phần trăm nhỏ của các ion nhanh chóng trở thành trung tính chậm và làm chậm trở nên nhanh chóng (như là một kết quả phí trao đổi). Tán xạ cũng sản xuất các ion và trung lập có vận tốc trung bình, và đây là những hướng đi từ đường trung tâm chùm, những c ần phải được xem xét trong mô hình tàu vũ trụ xói mòn và ô nhiễm. Ion chậm có thể tìm thấy chính mình trong khu vực chảy ngược thruster, nơi họ có thể ảnh hưởng đến bề mặt của tàu vũ trụ. Phí chuyển nhượng có thể xảy ra giữa các ion và các hạt trung tính của nhiên liệu, và giữa các ion nhiên liệu và các hạt gây ô nhiễm đã được sputtered từ các thành phần thruster. Mật độ là luôn luôn thấp ở các vùng chảy ngược, detectability thường là một xem xét trọng. Detectability của các loài khác nhau trong bất kỳ khu vực và đo lường của các thuộc tính chung, như một chức năng của máy đẩy và chẩn đoán sử dụng, là một xem xét quan trọng. Để giải quyết những quan ngại này, Không gian vũ trụ đã phát triển một mảng toàn diện về khả năng chẩn đoán, đại diện cho một đầu tư lớn trong thiết bị và chuyên môn ( xem bảng, khả năng chẩn đoán).Trong phòng thử nghiệm, một loạt các cấu hình thử nghiệm đã được thực hiện, bao gồm các thiết bị di chuyển chẩn đoán và chủ sở hữu mẫu cào gắn. Đầu dò nhỏ di chuyển bị đình chỉ vào một cánh tay quay mẫu chùm trên một phạm vi 360 độ ở khoảng cách lên đến 1,1 m, kéo dài đ ến một bán kính l ớn h ơn
nếu phạm vi góc giảm. Cổng cho phép truy cập laser gây ra huỳnh quang và máy quay video. Chùm hồ sơ, theo dõi vector lực đẩy, và không gian giải quyết laser gây ra huỳnh quang được thực hiện bằng cách gắn kết các thruster trên một hệ thống đ ịnh vị nhiều trục microstepper, đó là kiểm soát nhiệt độ để chống lại tác dụng làm mát bức xạ của cryopanels gần đó. Cấu hình điển hình cho chẩn đoán dựa trên laser. Chùm hồ sơ, theo dõi vector lực đẩy, và không gian giải quyết laser gây ra huỳnh quang được thực hiện bằng cách gắn kết các thruster trên một hệ thống định vị nhiều trục microstepper, đó là kiểm soát nhiệt độ để chống lại tác dụng làm mát bức xạ của cryopanels gần đó. Lĩnh vực đo chùm gần như được thực hiện với một tàu thăm dò xâm nhập nhanh gần chiếc máy bay xuất cảnh. Các ion hiện nay là thu thập với một sợi dây điện có thành kiến, vượt qua chùm. Các dữ liệu thu thập được chuyển đổi vào bản đồ thông lượng đường viền. Góc phân giải laser gây ra huỳnh quang được sử dụng để đo vận tốc theo chiều dọc và góc phương vị của các hạt trung tính và các ion. Huỳnh quang của đơn phí xenon ion hoặc các loài thích hợp khác cho phép xác định nhiệt độ tịnh và vector vận tốc có thể xảy ra nhất trên một mạng lưới các điểm đo gần với mặt phẳng xuất cảnh. Huỳnh quang của kim loại chùm, chẳng hạn như mạng lưới mật độ thấp sputtered molypden, tạo ra mật độ chất gây ô nhiễm và bản đồ tốc độ. Laser hấp thụ xác định mật độ cột trung bình tuyệt đối cho các loài thích hợp của sự phong phú đủ. Hai photon tia laser gây ra huỳnh quang đo lường bằng cách sử dụng một bước sóng kích thích 225 nm được sử dụng bản đồ mật độ trung lập xenon và các nguyên tử hydro, với mô hình hóa, xác định hiệu quả sử dụng nhiên liệu. Phép đo trường xa đã được thực hiện bằng cách sử dụng một thăm dò Faraday để xác định thông lượng so với góc và song song một thời gian của chuyến bay tấm l ệch tĩnh điện để xác định năng lượng và phân phối phụ trách xenon. Đo mật độ điện tử trong lĩnh vực xa được thực hiện bằng cách sử dụng các đầu dò Langmuir và đ ầu dò c ộng hưởng tần số vô tuyến. Các phép đo của chùm bức xạ quang học và khả năng tương thích điện từ có thể được thay đổi để hỗ trợ các yêu cầu cụ thể.
Góc phân giải laser gây ra huỳnh quang (LIF) được sử dụng để đo vận tốc theo chiều dọc và góc phương vị của các hạt trung tính và các ion. Huỳnh quang của đơn phí xenon ion hoặc các loài thích hợp khác cho phép xác định nhiệt độ tịnh và vector vận tốc có thể xảy ra nhất trên một mạng lưới các điểm đo gần với mặt phẳng xuất cảnh. Để bổ sung thông thường kiểm tra hiệu ứng bề mặt sử dụng phiếu giảm giá vật liệu tàu vũ trụ được dàn trận trong chùm trường xa, các nhà nghiên cứu hàng không vũ tr ụ xác định sự lắng đọng mẫu hoặc tỷ lệ xói mòn như là một chức năng của góc bằng cách sử dụng một số kiểm soát nhiệt độ chuẩn trực microbalances thạch anh tinh thể ở những khoảng cách nhất định. Một căn nhà khác số lượng lớn quan tâm là thông lượng nhiệt cung cấp chỗ ở do sự rung đông chùm, được đo bằng cách sử dụng một đĩa đồng ̣ instrumented phủ với một tài liệu tham khảo. Plume dòng nhiệt có thể được đánh giá là một chức năng của góc tới trên bề mặt đầu dò và như một chức năng c ủa vị trí thăm dò tương đối so với đường tâm thruster. Một nghiên cứu tình huống
Ion thông lượng so với góc cho thruster BPT-4000 Hall ở điều kiện trạng thái ổn định. Quét Flux bán kính 100 cm được đo với một phân tích tiềm năng làm chậm. Một mức độ cao của đối xứng rõ ràng về đường tâm vật lý của thruster ở 0 độ. Trong thời hạn 35 độ so với đường trung tâm, thông lượng chủ yếu là các ion nhanh. Ngoài 35 độ, sự đóng góp của tán xạ ion trung tính đàn hồi và trao đổi phí sản xuất của các ion chậm trở nên quan trọng hơn, sinh đôi cánh trên các đường cong thay đổiliên tục (xem hình ảnh lớn hơn). Các phi cơ BPT-4000 là 4,5 kilowatt xenon hiệu ứng Hall thruster sẽ được sử dụng để đưa vào quỹ đạo, quỹ đạo, bảo dưỡng và tái định vị các vệ tinh địa tĩnh, chẳng hạn như nâng cao EHF. Một yêu cầu của chương trình chuyến bay tuyển BPT-4000 là để chứng minh rằng thruster sẽ tồn tại các chu kỳ lặp đi lặp lại từ tối thiểu nhiệt độ trên quỹ đạo đến trạng thái ổn định nhiệt độ tối đa.Yêu cầu khác là đo góc vector lực đẩy từ đường trung tâm vật lý trong quá trình khởi động và ở trạng thái ổn định. Hàng không vũ trụ thực hiện đi xe đạp nhiệt và kiểm tra sự liên kết vector lực đẩy.Thruster được đặt trong một đồng tấm vải liệm làm lạnh bằng nitơ lỏng để mô phỏng môi trường quỹ đạo. Cửa tấm vải liệm đã được đóng cửa để làm mát máy đẩy và mở ra ngay trước khi bắt đầu của mỗi chu kỳ bắn. Một khung nhôm treo tường được trang bị với các máy sưởi mực duy trì nhiệt độ giao diện mong muốn. Thruster hoạt động trên danh nghĩa qua 10 chu kỳ nhiệt bắt đầu từ tối thiểu dự kiến nhiệt độ trên quỹ đạo và hoàn thiện trong 3,5-4 giờ ở điều kiện trạng thái ổn định nóng. Tấm khăn liệm đã quay trở lại các thruster trạng thái ổn định lạnh trong 9-10 giờ. Nhiệt độ thay đổi giữa chu kỳ là tối thiểu. Ion phụ thuộc vào góc quét dòng bán kính 100 cm được đo với một phân tích tiềm năng làm chậm. Tất cả quét hiển thị một mức độ cao của đối xứng về đường tâm vật lý của thruster ở 0 độ. Trong thời hạn 35 độ so với đường trung tâm, thông lượng ion chủ
yếu nhanh chóng. Vượt quá 35 độ, sự đóng góp của tán xạ ion trung tính đàn hồi và trao đổi phí sản xuất của các ion chậm trở nên quan trọng hơn, như hiển nhiên trong các đường cong thông lượng. Một mức độ cao đối xứng về centerline được quan sát thấy ở tất cả các điểm hoạt động, và không có các góc vector lực đẩy đo vượt quá 0,7 độ. Trạng thái ổn định góc độ khác nhau không quá 0,2 độ giữa các điểm điều hành, không phụ thuộc rõ ràng về năng lượng, xả điện áp. Chuyển động lực đẩy vector thường 0,25 độ trong suốt hai giờ hoạt động đầu tiên và 0,05 độ trong suốt hai giờ thứ hai. Căn cứ vào khả năng tái giữa chu kỳ, các lỗi ngẫu nhiên trong các phép đo vector thruster là cộng hoặc trừ đi 0,05 độ. EMC thử nghiệm và đánh giá Hàng không vũ trụ cũng đã thử nghiệm BPT-4000 thruster cho khả năng tương thích điện từ khu vực cụ thể của chuyên môn. Các phép đo tương thích điện từ xem xét bốn loại chung: bức xạ phát thải thông qua không gian, thực hiện phát thải lên xe buýt, nhạy cảm đối với các lĩnh vực bức xạ, và nhạy cảm đối với dòng tiêm. Đo lường mở rộng được thực hiện trong tất cả bốn lĩnh vực, theo tiêu chuẩn quân sự MIL-STD-461. Phát thải từ hoạt động BPT-4000 thruster hiệu ứng Hall ở mức 4,5 KW với điện áp xả 300 và 400 volt. Tuổi tần số được hiển thị (10 kilohertz đến 18 gigahertz) được đo bằng cách sử dụng bốn ăng-ten băng thông rộng và nhận một phổ phân tích dựa trên điều khiển bởi phần mềm phát triển hàng không vũ trụ. Tăng 20 decibel tương đương với mức tăng 10 X trong lĩnh vực điện đo.Tàu vũ trụ EMC giới hạn tải trọng cụ thể và thường độc quyền, hạn chế MIL-SPEC được hiển thị để so sánh (xem hình ảnh lớn hơn ).
Điện tử plasma tần số phát thải từ một BPT-4000 hiệu ứng Hall thruster (xem hình ảnh lớn hơn) . Đẩy hiệu ứng Hall và động cơ ion theo dạng lưới hỗ trợ dao động plasma phức tạp có thể phát ra bức xạ điện từ từ dc tần số trên 20 gigahertz. Những khí thải này có thể khá mạnh mẽ, thường vượt quá MIL-STD-461 thông số kỹ thuật cho các tần số dưới 4 GHz. Lượng khí thải tần số thấp có thể gây ra dòng điện trong các cấu trúc vệ tinh hoặc gây ra các vấn đề trực tiếp với các thành phần điện tử, trong khi lượng khí thải tần số cao có thể gây trở ngại với các kênh truyền thông. Ngoài ra, dc và ac từ trường có thể ảnh hưởng đến hoạt động của các công cụ nhạy cảm là một phần của tải trọng vệ tinh.Selective che chắn, tái định vị của ăng-ten, và sửa đổi các thủ tục hoạt động có thể được yêu cầu hội nhập thành công thruster và tàu vũ trụ. Cách tiếp cận hàng không vũ trụ để đo khí thải bức xạ liên quan đến một hình trụ khép kín của điện môi nguyên liệu chủ yếu là trong suốt đối với bức xạ điện từ nhà thruster và bạn tình vào buồng chân không lớn. Xi lanh này được bao quanh bởi một phòng bán anechoic, bảo vệ không gian đo lường từ các lĩnh vực điện từ môi trường xung quanh và làm giảm các phản xạ của bức xạ thruster từ các bức tường kim loại của phòng. Chùm của các khí thải thruster thông qua một mạng lưới sợi carbon vào bể chân chính, chấm dứt trên một bãi chứa chùm bao gồm một loạt các kim tự tháp phủ đầy cacbon. Lưới làm giảm bức xạ nền rò rỉ từ buồng chính, và các kim tự tháp giảm phún xạ năng lượng cao các ion xenon và tán xạ của bức xạ điện từ của các bức tường kim loại bình chân không. Sự sắp xếp này cho phép các ăng-ten để được đặt 1 mét từ máy đẩy, theo yêu cầu của MIL-STD-461, và vẫn chưa phơi sáng để huyết tương hoặc phản xạ bề mặt kim loại. Hiệu ứng cơ sở còn lại được tính từ ăng-ten phản ứng tại các vị trí khác nhau, với các máy phát hiệu chuẩn khí thải tại vị trí của máy đẩy. Hiệu ứng Hall lượng khí thải thruster bức xạ tại các tần số dưới vài trăm MHz ch ủ yếu là hiểu, và nhiều của các dao động liên quan được yêu cầu cho hoạt động thích hợp của máy đẩy. Phát thải trên 18 gigahertz chủ yếu gây ra bởi dao động plasma điện tử. Sự phát xạ mạnh mẽ được nhìn thấy trong khoảng 1-8 GHz (L, S và C giao tiếp
ban nhạc) cuộc triển lãm đặc điểm phức tạp, thời gian và không gian và hiện tại không phải là hiểu. Phần đẩy thruster biến thể trong L, S, và băng tần C và sự phụ thuộc vào tuổi tác thruster cũng chưa biết, và là đối tượng nghiên cứu hoạt động. Nhìn về tương lai Khả năng hoạt động đẩy công suất trung bình và áp dụng một bộ toàn diện của chẩn đoán chính xác đã làm cho hàng không vũ trụ quan trọng độc lập kiểm tra và tài nguyên đánh giá. Với hướng phát triển đối với tàu vũ trụ sử dụng cao, bao gồm cả những người có nguồn điện năng lượng hạt nhân, Không gian vũ trụ sẽ sớm cần phải thực hiện cho âm thanh có độ trung thực cao characterizations đẩy mạnh mẽ hơn nhiều. Tiếp tục nâng cấp cơ sở do đó sẽ là cần thiết. Trong khi một số trong những hình thức tinh vi hơn của động cơ đẩy điện cuối cùng đã đi vào phục vụ, tinh tế của thiết kế hiện tại và tiến bộ đối với các thiết bị điện cao hơn tiếp tục với một tốc độ nhanh chóng.Ion sử dụng động cơ đẩy của NASA và quân đội vẫn còn trong giai đoạn ban đầu. Nhiều vấn đề cần kiểm tra và đánh giá chi tiết được giải quyết một loạt các hệ thống thruster và chương trình chuyến bay, và Không gian vũ trụ sẽ tiếp tục đóng vai trò trung tâm trong công tác này.