ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК
ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

С быстрым развитием космической техники масштабы освоения космоса человечеством значительно расширяются. Тем не менее растущие потребности в полетах в дальний космос не могут быть удовлетворены с помощью обычных химических двигателей. Таким образом, ясной становится потребность в новых механизмах обеспечения реактивной тяги, включая электрические двигатели. Технология электрического движения имеет значительные преимущества перед традиционными химическими двигателями в полете в глубоком космосе благодаря своим характеристикам, таким как высокий удельный импульс, малые размеры, длительный срок службы. Негативной особенностью электрических двигателей можно назвать малую тягу, однако, во-первых, в открытом космосе это несущественно и во-вторых, тягу электрических двигателей можно существенно увеличить, и для этого существуют резервы, доступные на современном уровне развития техники. Пути повышения тяги электрических ионных двигателей будут детально изложены и обсуждены в настоящей работе. Рост мощности ионных двигателей ограничивается в значительной мере эрозией управляющих сеток, поток ионов поражает поверхность твердого материала управляющего сеточного электрода энергичными ионами и постепенно приводит к выходу из строя этого электрода. В данной работе показано, что использование полевой эмиссии как источника ионизирующих рабочее тело пучков электронов, способно решить проблему эрозии управляющих электродов, за счет чего можно будет существенно поднять напряженности рабочих полей для ионных двигателей, что в свою очередь, позволит увеличить удельный импульс, эффективность, скорость истечения и мощность ионного двигателя в целом.

1. Development of ion thruster IT-500 / A.S. Koroteev, A.S. Lovtsov, V.A. Muravlev, M.Y. Selivanov, A.A. Shagayda // The European Physical Journal D. – 2017. – Vol. 71. – P. 120. – DOI: 10.1140/epjd/e2017-70644-6.
2. Review of multimode space propulsion / J.L. Rovey, C.T. Lyne, A.J. Mundahl, N. Rasmont, M.S. Glascock, M.J. Wainwright, S.P. Berg // Progress in Aerospace Sciences. – 2020. – Vol. 118. – P. 100627.
3. Special issue “Science of solar system materials examined from Hayabusa and future missions (II)” / T. Okada, R.P. Binzel, H.C. Connolly, T. Yada, K. Ohtsuki // Earth, Planets and Space. – 2017. – Vol. 69. – P. 31. – DOI: 10.1186/s40623-017-0617-3.
4. Sarli B.V., Yuichi T. Hayabusa 2 extension plan: Asteroid selection and trajectory design // Acta Astronautica. – 2017. – Vol. 138. – P. 225–232.
5. Cherkun O., Demet U. Cesium hollow cathode with internal discharge and gas feed for electric propulsion applications // The 35th International Electric Propulsion Conference. – USA: Georgia Institute of Technology, 2017.
6. The Rafael Power Processing Unit (PPU) for electric propulsion systems / B. Shoor, A. Davidson, D. Lev, L. Appel, O. Epstein, J. Herscovitz // International Electric Propulsion Conference. – Austria: University of Vienna, 2019.
7. REGULUS: A propulsion platform to boost small satellite missions / M. Manente, F. Trezzolani, M. Magarotto, E. Fantino, A. Selmo, N. Bellomo, E. Toson, D. Pavarin // Acta Astronautica. – 2019. – Vol. 157. – P. 241–249.
8. Multiwall carbon nanotubes: Synthesis and application / R. Andrews, D. Jacques, D. Qian, T. Rantell // Accounts of Chemical Research. – 2002. – Vol. 35 (12). – P. 1008–1017.
9. Stationary intraoral digital tomosynthesis using carbon nanotubes field emission x-ray technology: Clinical prototype / E. Platin, A. Tucker, O. Zhou, J. Lu // Oral Surgery, Oral Medicine, Oral Pathology and Oral Radiology. – 2020. – Vol. 130 (2). – P. e66.
10. Carbon nanotubes as assisted matrix for laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry / S. Xu, Y. Li, H. Zou, J. Qiu, Z. Guo, B. Guo // Analytical Chemistry. – 2003. – Vol. 75 (22). – P. 6191–6195.
11. Performances improvement of vacuum tubes using carbon nanotubes embedded cathodes / Tsai, J.T.H., Peng, J., Chu, K., Chen, J.S. // Vacuum. – 2017. – Vol. 145. – P. 1–3.
12. Influence of the emitted electron energy distribution from nanocathodes upon the current-voltage characteristics / Evtukh, A., Grygoriev, A., Litovchenko, V.G., Pylypova, O. // Journal of Vacuum Science and Technology B. – 2014. – Vol. 32 (2). – P. 02B104–02B104-4.
13. Litovchenko V., Evtukh A., Grygoriev A. Characterization of GaN nanostructures by electron field and photo-field emission // Opto-Electronics Review. – 2017. – Vol. 25 (3). – P. 251–262.
14. Forman R. Evaluation of the emission capabilities of Spindt-type field emitting cathodes // Applications of Surface Science. –1983. – Vol. 16 (1–2). – P. 277–291.
15. Nanodiamond thin film field emitter cartridge for miniature high-gradient radio frequency X-band electron injector / J. Qiu, S.S. Baturin, K.K. Kovi, O. Chubenko, G. Chen, R. Konecny, S. Antipov, A.V. Sumant, C. Jing, S.V. Baryshev // IEEE Transactions on Electron Devices. – 2018. – Vol. 65 (3). – P. 1132–1138.
16. Thermal runaway of metal nano-tips during intense electron emission / A. Kyritsakis, M. Veske, K. Eimre, V. Zadin, F. Djurabekova // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2018. – Vol. 51 (22). – P. 225203.
17. Egorov N.V., Sheshin E.P. On the current state of field-emission electronics // Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. – 2017. – Vol. 11 (2). – P. 285–294.
18. Èidelman E.D., Arkhipov A.V. Field emission from carbon nanostructures: Models and experiment // Physics-Uspekhi. – 2020. – Vol. 63 (7). – P. 648.
19. Marrese C.M. A review of field emission cathode technologies for electric propulsion systems and instruments // 2000 IEEE Aerospace Conference. Proceedings. – 2000. – Vol. 4. – P. 85–98.
20. In-FEEP thruster ion beam neutralization with thermionic and field emission cathodes / C. Marrese-Reading, J. Polk, J. Mueller, A. Owens // 27th International Electric Propulsion Conference. – Pasadena, 2001.
21. Development of neutralizer with carbon nanotube cathode for small scale ion engine / Y. Takao, A. Kugimiya, S. Nagai, N. Yamamoto, H. Nakashima // 30th International Electric Propulsion Conference. – Florence, Italy, 2007.
22. Velásquez-García L.F., Akinwande A.I. A MEMS CNT-based neutralizer for micro-propulsion applications // 30th International Electric Propulsion Conference. – Florence, Italy, 2007.
23. Ion thruster operation with carbon nanotube field emission cathode / N. Yamamoto, T. Morita, Y. Ohkawa, M. Nakano, I. Funaki // Journal of Propulsion and Power. – 2019. – Vol. 35 (2). – P. 490–493.
24. Review of KITE–Electrodynamic tether experiment on the H-II Transfer Vehicle / Y. Ohkawa, S. Kawamoto, T. Okumura, K. Iki, H. Okamoto, K. Inoue, T. Uchiyama, D. Tsujita // Acta Astronautica. – 2020. – Vol. 177. – P. 750–758.