ОПИСАНИЕ И РАЗВИТИЕ ИМПУЛЬСНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Импульсный индукционный двигатель (ИИД) – тип ионного двигателя, используемого в космических аппаратах. Это – плазменный двигатель, использующий перпендикулярные электрические и магнитные поля для передачи ускорения топливу без применения электродов.

Принцип работы импульсного индукционного двигателя: сопло выпускает облако газа, рассеивающееся по плоской спиралевидной индукционной катушке или проводу около 1 метра в поперечнике. Комплект конденсаторов испускает импульс высоковольтного электрического тока в несколько десятков кВ, сохраняющийся в катушке в течение 10 мс и генерирующий радиальное магнитное поле. Это возбуждает замкнутое электрическое поле в облаке газа, ионизируя его и заставляя заряженные частицы (свободные электроны и ионы) вращаться в противоположную сторону, как и изначальный импульс тока. Так как движение этого индуцированного тока перпендикулярно магнитному полю, плазма с ускорением выходит в космос за счет силы Лоренца с высокой скоростью (10-100км/с).

Преимущества: в отличие от электростатического ионного двигателя, использующего электрическое поле для передачи ускорения только одному виду компонентов (положительно заряженные ионы), ИИД использует массовую силу Лоренца, воздействующую на все заряженные частицы в нейтральной плазме. В отличие от большинства других ионных и плазменных двигателей, также у ИИД нет потребности в электродах (склонных подвергаться разрушению), и их мощность может равномерно возрастать просто за счет числа импульсов в секунду. К примеру, система мощностью в 1 МВт должна испускать 200 импульсов в секунду.

Импульсные индуктивные двигатели могут сохранять постоянные удельный импульс и КПД тяги при широком диапазоне уровней подаваемой мощности за счет регулировки частоты импульсов для поддержания постоянной энергии разряда на один импульс. Этот тип двигателей показал КПД свыше 50%. Импульсные индуктивные двигатели могут использовать широкий список газов в качестве топлива, среди них – влага, гидразин, аммиак, аргон, ксенон, и так далее. Благодаря этой способности было предложено использовать ИИД для полетов на Марс. Орбитальный летательный аппарат сможет дозаправляться за счет сбора углекислого газа из атмосферы Марса, сжимая его и закачивая в жидком состоянии в баки для хранения на случай обратного полета или другой межпланетной миссии, включающей орбитальный полет вокруг планеты.

Первые разработки начались с фундаментальных исследований для проверки концепции, проводившихся в середине 1960-х годов. НАСА проводит эксперименты с использованием этого устройства с начала 1980-х годов. Под названиями PIT Mk V, VI, VII. Компания «Northrop Grumman Space Technology», подрядчик НАСА, построила несколько экспериментальных моделей ИИД. Исследования, проводившиеся в первый период (1965-1973), были нацелены на понимание структуры индукционного токового слоя и оценки различных концептов на предмет впрыска топлива и предварительной ионизации.

Во второй период (1979-1988) фокус сместился к разработке реальных системы двигателей и улучшению характеристик базового концепта посредством поэтапных изменений. В этот период были построены прототипы «Mk I» и «Mk IV».

Третий период (1991- н.в.) начался с представления нового концепта ИИД, известного под названием «Mk V». Он был развит до аппарата «Mk VI», разработанного для определения отдельных характеристик «Mk V», который полностью описали характеристики двигателя. Он использует улучшенную катушку из пустотелой медной трубки и улучшенного топливного клапана, но в части электрооборудования он идентичен модели «Mk V», используя те же конденсаторы и переключатели. Модель «Mk VII» (появилась в начале 2000-х) имеет ту же форму, что и «Mk VI», но была разработана для высокочастотных импульсов и долговременной работы двигателя за счет катушки с жидкостным охлаждением, более долговечных конденсаторов и быстрых мощных полупроводниковых переключателей. Целью «Mk VII» было добиться скорости в 50 импульсов секунду при использовании номинальной мощности, и добиться мощности импульса в 200 кВт входящей мощности для одного двигателя. Концепт «Mk VII» стал основой для самой последней разработки – NuPIT (Ядерно-электрический ИИД).

Так же в это время появилась альтернатива ИИД под названием FARAD. FARAD - сокращение, расшифровывающееся, как «Ускоритель Фарадея с несамостоятельным радиочастотным разрядом». Так называется маломощная альтернатива ИИД, которая обладает потенциалом для использования в космосе с применением современных технологий.