Elektromos meghajtású űrhajó meghajtása - Electrically powered spacecraft propulsion

6 kW -os Hall -hajtómű a NASA sugárhajtómű -laboratóriumában

Az elektromos hajtású űrhajó meghajtórendszere elektromos, esetleg mágneses mezőket használ az űrhajó sebességének megváltoztatására . Az ilyen típusú űrhajók meghajtórendszerei nagy sebességgel hajtják ki a hajtóanyagot ( reakciótömeget ).

Az elektromos tolóhajtóművek általában sokkal kevesebb hajtóanyagot használnak, mint a vegyi rakéták, mert nagyobb a kipufogó sebességük (nagyobb fajlagos impulzuson működnek ), mint a vegyi rakéták. A korlátozott elektromos teljesítmény miatt a tolóerő sokkal gyengébb a vegyi rakétákhoz képest, de az elektromos meghajtás hosszabb ideig nyújthat tolóerőt.

Az elektromos meghajtás mára érett és széles körben használt technológia az űrhajókon. Az orosz műholdak évtizedek óta használják az elektromos meghajtást. 2019 -től a Naprendszerben működő több mint 500 űrhajó elektromos meghajtást használ az állomás tartására , a pálya emelésére vagy az elsődleges meghajtásra. A jövőben a legfejlettebb elektromos meghajtóművek képesek lehetnek 100 km/s delta-v átvitelére , ami elegendő ahhoz, hogy egy űrhajót elvigyenek a Naprendszer külső bolygóira ( nukleáris energiával ), de ez nem elegendő a csillagközi csillagokhoz. utazás . A külső áramforrással rendelkező elektromos rakétának ( a fotovoltaikus paneleken lézerrel továbbítható ) elméleti lehetősége van a csillagközi repülésre . Az elektromos meghajtás azonban nem alkalmas a Föld felszínéről történő indításra, mivel túl kicsi a tolóerő.

A Marsra vezető úton egy elektromos meghajtású hajó képes lehet a kezdeti tömeg 70% -át a célállomásra szállítani, míg egy vegyi rakéta csak néhány százalékot.

Történelem

Az űrhajók elektromos meghajtásának ötletét 1911 -ben vezette be Konstantin Csiolkovszkij . Korábban Robert Goddard megjegyezte ezt a lehetőséget személyes jegyzetfüzetében.

Elektromos meghajtású meghajtási atomreaktor tartották Tony Martin a csillagközi Project Daedalus , 1973-ban, de a megközelítést elutasították, mert a tolóerő profil, a súlya berendezések átalakításához szükséges nukleáris elektromos árammá, és ennek eredményeként egy kis gyorsulás , aminek egy évszázadba telne a kívánt sebesség elérése.

Átütő elektromos meghajtású volt ion motor hajón szállított a SERT-1 (Space Rocket Electric Test) űrhajó. 1964. július 20 -án indult és 31 percig működött. A SERT-2 1970. február 3-án indított nyomon követési misszió. Két ionhajtóművet szállított, az egyik több mint öt, a másik csaknem három hónapig működött.

A korai 2010-es évek, sok műhold gyártók kínáltak elektromos meghajtási lehetőség azok a műholdak, többnyire az orbitális hozzáállás kontroll -while egyes kereskedelmi távközlési műhold -üzemeltetők kezdték használni őket geosynchronous pályára behelyezése helyett a hagyományos kémiai rakéta motorok .

Típusok

Ion- és plazmahajtások

Az ilyen típusú rakétaszerű reakciómotorok elektromos energiát használnak a hajtógáz tolóerőjének megszerzésére . A rakétamotorokkal ellentétben az ilyen típusú motorok nem igényelnek fúvókákat , így nem tekinthetők valódi rakétáknak.

Az űreszközök elektromos meghajtóhajtóműveit három családba lehet csoportosítani a plazma ionjainak felgyorsítására használt erő típusa alapján:

Elektrosztatikus

Fő cikk: Ionhajtómű

Ha a gyorsulást főként a Coulomb -erő okozza (azaz statikus elektromos mező alkalmazása a gyorsulás irányában), akkor a készülék elektrosztatikusnak minősül. Típusok:

Elektrotermikus

Az elektrotermikus kategória azokat az eszközöket csoportosítja, amelyek elektromágneses mezők segítségével plazmát állítanak elő, hogy növeljék az ömlesztett hajtóanyag hőmérsékletét. A hajtógázhoz juttatott hőenergiát ezután szilárd anyagból vagy mágneses mezőből álló fúvókával kinetikus energiává alakítják át . Az ilyen típusú rendszerek előnyös hajtóanyaga a kis molekulatömegű gázok (pl. Hidrogén, hélium, ammónia).

Az elektrotermikus motor fúvókával alakítja át a hőt lineáris mozgássá, így igazi rakéta, annak ellenére, hogy a hőt termelő energia külső forrásból származik.

Teljesítménye elektrotermikus rendszerek szempontjából specifikus impulzusa (ISP) 500 a ~ 1000 másodperc, de meghaladja a hideg gáz tolóerő , monopropellant rakétákat , és még a legtöbb bipropellant rakétákat . A Szovjetunióban az elektrotermikus motorokat 1971 -ben kezdték használni; a szovjet " Meteor-3 ", "Meteor-Priroda", "Resurs-O" műholdsorozat és az orosz "Elektro" műhold fel van szerelve velük. Az Aerojet (MR-510) elektrotermikus rendszereit jelenleg Lockheed Martin A2100 műholdakon használják , hajtóanyagként hidrazint .

Elektromágneses

Fő cikk: Plazmahajtómű

Az elektromágneses tolóerők vagy a Lorentz -erő vagy az elektromágneses mezők hatására gyorsítják fel az ionokat, ahol az elektromos mező nem a gyorsulás irányába mutat. Típusok:

Nemionos hajtások

Fotonikus

Lásd még: Lézerhajtás és fotonrakéta

A fotonikus meghajtó csak a fotonokkal kölcsönhatásba lép.

Elektrodinamikai heveder

Fő cikk: Elektrodinamikai heveder

Elektrodinamikus pányvának vannak hosszú végző vezetékek, mint az egy telepített egy hevederes műholdas , amely működőképes az elektromágneses elvek generátorok , konvertálva mozgási energia a villamos energia , vagy mint motorok , konvertáló villamos energiát mozgási energia. A Föld mágneses mezőjén keresztül történő mozgása elektromos potenciált hoz létre egy vezetőkötésen. Az elektrodinamikai kötésben használt fémvezető kiválasztását olyan tényezők határozzák meg, mint az elektromos vezetőképesség és a sűrűség . A másodlagos tényezők, az alkalmazástól függően, magukban foglalják a költségeket, szilárdságot és olvadáspontot.

Vitatott

Néhány javasolt meghajtási módszer nyilvánvalóan sérti a fizika jelenleg értett törvényeit, többek között:

Állandó vs ingatag

Az elektromos meghajtórendszereket egyenletesnek (meghatározott ideig tartó folyamatos tüzelés) vagy bizonytalannak (impulzusos égetés halmozódik fel a kívánt impulzusra ) lehet jellemezni. Ezeket az osztályozásokat minden típusú hajtómotorra alkalmazni lehet.

Dinamikus tulajdonságok

További információ: Reakciós motor § Energiafelhasználás

Az elektromos hajtású rakétamotorok több nagyságrenddel alacsonyabb tolóerőt biztosítanak a vegyi rakétákhoz képest, mivel az űrhajóban korlátozott az elektromos teljesítmény. A vegyi rakéta energiát közvetít az égéstermékekhez, míg az elektromos rendszer több lépést igényel. Azonban az azonos tolóerőre fordított nagy sebesség és alacsonyabb reakciótömeg lehetővé teszi, hogy az elektromos rakéták kevesebb üzemanyaggal működjenek. Ez eltér a tipikus vegyi meghajtású űrhajóktól, ahol a motorok több üzemanyagot igényelnek, és az űrhajónak többnyire tehetetlenségi pályát kell követnie . Ha egy bolygó közelében van, az alacsony tolóerő meghajtása nem tudja ellensúlyozni a gravitációs erőt. Az elektromos rakétahajtómű nem tud elegendő tolóerőt biztosítani ahhoz, hogy felemelje a járművet a bolygó felszínéről, de a hosszú időn keresztül alkalmazott alacsony tolóerő lehetővé teszi az űrhajónak a bolygó közelében történő manőverezést.

Lásd még

Hivatkozások

Külső linkek