Ионными двигателями можно назвать подраздел реактивных двигателей. Реактивное движение – это медленное движение тел, масса которых меняется за счет потери или приобретения вещества. Уравнения движения тел с переменной массой являются следствиями законов Ньютона. Принцип действия реактивной ракеты(будь она оснащена химическим или ионным двигателем) очень прост. Ракета с большой скоростью выбрасывает вещество (газы), воздействуя на него с большой силой. Выбрасываемое вещество с той же, но противоположно направленной силой, в свою очередь, действует на ракету и сообщает ей ускорение в противоположном направлении. Если нет внешних сил, то ракета вместе с выброшенным веществом является замкнутой системой. Импульс такой системы не может меняться во времени. На этом положении и основана теория движения ракет.

Несложные преобразования закона изменения импульса приводят к уравнению Мещерского:



Здесь m – текущая масса ракеты, – ежесекундный расход массы, vrel – скорость газовой струи (т.е. скорость истечения газов относительно ракеты), F – внешние силы, действующие на ракету. По форме это уравнение напоминает второй закон Ньютона, однако, масса тела m здесь меняется во времени из-за потери вещества. К внешней силе F добавляется дополнительный член , который может быть истолкован как реактивная сила.

Применив уравнение Мещерского к движению ракеты, на которую не действуют внешние силы, и проинтегрировав уравнение, получим формулу Циолковского:



Релятивистское обобщение этой формулы имеет вид



где с – скорость света. При малых скоростях v оно переходит в формулу Циолковского.

Формула Циолковского позволяет рассчитать запас топлива, необходимый, чтобы сообщить ракете скорость v. В химических двигателях горючее (например: керосин, спирт, гидразин, жидкий водород) и окислитель (например: жидкий кислород, азотная кислота, перекись водорода) помещаются в отдельных баках. Совокупность горючего и окислителя называется ракетным топливом. С помощью специальных насосов или под давлением горючее и окислитель подаются в камеру сгорания. Истечение продуктов сгорания происходит через особой формы раструб, называемый соплом. Иногда двигатель может содержать несколько камер (каждая со своим соплом), объединенных общей системой подачи топлива. Многокамерность позволяет, при той же тяге, уменьшить общую длину двигателя и, в конечном счёте, облегчить ракету. В частности, можно получить, что запас топлива, необходимого для осуществления межзвездного путешествия (с возвращением обратно), должен превышать массу космического корабля в несколько тысяч раз. Но для межзвездных перелетов ракеты на химическом топливе абсолютно непригодны. Расстояния до звезд измеряются световыми годами – от ближайшей звезды свет идет до Земли около 4 лет. Поэтому для достижения даже ближайших звезд нужны космические корабли, скорости которых близки к скорости света c. (Кстати, при таких скоростях применима только релятивистская формула Циолковского; она еще больше увеличивает необходимое количество топлива). Обычно, когда имеют дело с очень большими величинами, их называют «астрономическими». В данном случае такое сравнение не годится – речь идет о величинах несравненно большего масштаба. Вряд ли имеет смысл говорить о движении столь фантастически гигантского космического корабля относительно Вселенной, имеющей по сравнению с ним ничтожную массу.

Для таких двигателей скорость истечения в основном зависит от температуры расширяющихся газов и от их среднего молекулярного веса: чем больше температура T и чем меньше молекулярный вес M , тем больше скорость истечения.

Было бы неосторожно на основании вышеизложенного сделать вывод, что звездные миры никогда не будут доступны земным космонавтам. Только отдаленное будущее покажет, возможно это или нет. Для превращения ракеты в звездолет, прежде всего, необходимо повысить скорость струи, приблизив ее к скорости света. Идеальным был бы случай vrel = c. Так было бы в фотонной ракете, в которой роль газовой струи должен был бы играть световой пучок. Реактивная сила в фотонной ракете осуществлялась бы давлением света. Превращение вещества в излучение постоянно происходит внутри звезд. Этот процесс осуществляется и на Земле (взрывы атомных и водородных бомб). Возможно ли придать ему управляемый характер и использовать в фотонных ракетах – на этот вопрос отвечать сейчас преждевременно. Движущую силу Ядерного реактивного двигателя составляет тот же газ истекающий из сопла на противоположном движению конце ракеты. Газ нагревается до 3000 K и вырывается наружу тем самым создавая тягу. Нагрев рабочего тела происходит в результате распада ядер радиоактивных элементов и выделению огромного количества тепловой энергии. Несмотря на это для полётов в космос они не актуальны т.к. лишний вес будет иметь радиационная защита, а каждый килограмм полезного груза добавляет стоимость запуска. Из-за недостаточной мгновенной тяги аппараты, использующие ЯРД не могут запускаться с земли и возвращаться из-за остаточной радиации. Ранее NASA уже делала попытки использовать атомные реакторы для создания двигателей космических аппаратов, однако все они оказались не слишком успешными в связи с высоким уровнем выброса радиоактивных веществ в окружающую среду.

Скорее всего, исследования пойдут как в направлении усовершенствования ядерных двигателей, так и в направлении создания новых, ионных. Использование ядерной энергии сдерживается не столько по соображениям надёжности ядерных реакторов, сколько из-за проблемы создания материалов, подходящих для использования в реакторах. Эти материалы должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Стойкость к высоким температурам.
2. Стойкость к разрушающему воздействию ионизирующего излучения.

Различные виды излучения, воздействуя на твердые тела, вызывают специфические радиационные дефекты. В настоящее время имеются многочисленные доказательства не только образования дефектов, но и изменения их вида, формы, скорости движения в процессе облучения.

Создание новых типов двигателей для космических аппаратов имеет и еще одну, хотя пока и отдаленную, цель – пилотируемые экспедиции на планеты Солнечной Системы. И здесь NASA упоминает о возможной трудности, ведь до сих пор нога человека не ступала дальше Луны, и в NASA не знают, насколько вредным может оказаться для человека космическое излучение, интенсивность которого на орбите Марса, к примеру, в три раза выше, чем на Международной Космической Станции.

По вышеизложенным причинам для длительных космических полётов лучшим вариантом вложения материальных и умственных ресурсов будет развитие ионных двигателей. Ионный двигатели и двигатели Холла, часто причисляют к т.н. электроракетным двигателям ( тяга в которых обеспечивается за счёт электрической энергии ), являются, конечно реактивными двигателями. В литературе встречаются такие наименования, как «плазменные реактивные двигатели», «дуговые реактивные двигатели», «ускорители плазмы», «ионно-плазменные и ионно-дуговые двигатели», причем иногда без ясного определения термина «плазма». Различные электрореактивные двигатели подразделяются на:

1) электротермические, или дуговые, двигатели;
2) электростатические, или ионные, двигатели
3) электродинамические, или магнито-гидромеханические, двигатели.
Двигатели, в которых используются коллоидные частицы, принадлежат к семейству электростатических двигателей.

4) Фотонный двигатель может рассматриваться как четвертый член семейства электрореактивных двигателей.

Основной принцип работы : рабочее тело ионизируется ( реактивная струя ионов ) и разгоняется электрическим ( в ионных двигателях ) или магнитным ( в двигателях Холла ) поле.

Преимущество таких двигателей - чрезвычайно высокий удельный импульс ( из-за высокой скорости реактивного ионного потока ), гораздо выше чем у, даже Ядерных ракетных двигателей ( ЯРД ). Соответственно, будут использоваться для межпланетных, ( в далёком будущем и для межзвёздных ) полётов, для межорбитального манёвра спутников, а для стабилизации спутников на орбите такие двигатели уже используются. Устройство ионизации (в нашем случае катод) бомбардирует ксеноновое топливо электронами, которые выбивают электроны из атомов ксенона (Xe), превращая последние в положительно зараженные ионы ксенона (Xe+).Во время работы катод нагревается, чтобы началась термоэлектронная эмиссия электронов. Магнитное поле в камере выпуска увеличивает время пробега электрона и тем самым вероятность соударения. Эти столкновения удаляют дополнительные электроны в атомах, превращая их в ионы положительной величины. Положительно заряженный перфорированный электрод (решётка), расположенная рядом с катодом разгоняет ионы ксенона к отрицательно заряженной решётке, стоящей на выходе (однополюсники - отталкиваются, разнополюсники притягиваются). При подлёте к отрицательной решётке скорость ионов такова, что они не задерживаются на ней и не нейтрализуются, а летят дальше. Летят в одну сторону, а космический аппарат в другую. В идеале, разница напряжений между двумя решетками должна быть как можно больше, чтобы увеличить скорость ионов и эффективность расхода топлива. Но когда разница напряжений приближается к 5 кВ, ионы разрушают вторую решетку при столкновениях с ней. Ионные двигатели с их цилиндрической геометрией часто категоризируются диаметром их решеток, потому что мощность и тяга двигателя пропорциональны площади решетки. Наконец, нейтрализующее вещество выбрасывает в луч точно такое же число электронов как и ионов. Это предотвращает космический аппарат от зарядки до большого отрицательного потенциала.

Электроды решетки, которые ускоряют ионы помещены в один конец камеры выпуска. Внутренняя решетка называется screen grid (экранная решётка) , вторая решетка называется accelerator grid (ускорительная решётка). Третий электрод, обычно называемый decelerator grid (тормозящий электрод), может использоваться, чтобы управлять расхождением ускоренного ионного пучка и уменьшать эрозию сетки ускорителя. Электростатический процесс ускорения чрезвычайно эффективен (практически > 99.5 % ) и объясняет высокую эффективность ионных двигателей. Вместо ксенона можно использовать водород, гелий, азот и другие газы, преимущественно инертные. Электрическую энергию аппарат может получать от солнечных батарей посредством солнечного эффекта. Обладая высоким КПД (50-75 %) и большим удельным импульсом, они обеспечивают значительное увеличение в полезной нагрузке, времени эксплуатации и уменьшали стоимость оборудования.