Elektricky poháněný pohon kosmických lodí - Electrically powered spacecraft propulsion
Elektricky poháněné sonda pohonný systém používá elektrický, a případně i magnetická pole, pro změnu rychlosti v kosmické lodi . Většina těchto druhů pohonných systémů kosmických lodí pracuje s elektricky vypuzujícím pohonným plynem ( reakční hmotou ) vysokou rychlostí.
Elektrické rakety obvykle používají mnohem méně hnacího plynu než chemické rakety, protože mají vyšší rychlost výfuku (pracují s vyšším specifickým impulzem ) než chemické rakety. Kvůli omezené elektrické energii je tah ve srovnání s chemickými raketami mnohem slabší, ale elektrický pohon může poskytnout tah na delší dobu.
Elektrický pohon je nyní vyspělou a široce používanou technologií na kosmických lodích. Ruské satelity používají elektrický pohon po celá desetiletí. Jak 2019, více než 500 kosmických lodí provozovaných v celé sluneční soustavě používá elektrický pohon pro udržování stanice , zvyšování oběžné dráhy nebo primární pohon. V budoucnu mohou nejmodernější elektrické trysky propustit delta-v o rychlosti 100 km/s, což je dost na to, aby se vesmírná loď dostala na vnější planety sluneční soustavy (s jadernou energií ), ale pro mezihvězdné to nestačí cestovat . Elektrická raketa s externím zdrojem energie (přenosná laserem na fotovoltaických panelech ) má teoretickou možnost mezihvězdného letu . Elektrický pohon však není vhodný pro starty ze zemského povrchu, protože nabízí příliš malý tah.
Na cestě na Mars by elektricky poháněná loď mohla nést 70% své původní hmotnosti do cíle, zatímco chemická raketa by mohla nést jen několik procent.
Dějiny
Myšlenku elektrického pohonu kosmických lodí představil v roce 1911 Konstantin Tsiolkovsky . Dříve, Robert Goddard všiml takovou možnost ve svém osobním notebookem.
Elektricky poháněný pohon s jaderným reaktorem zvažoval Tony Martin pro mezihvězdný projekt Daedalus v roce 1973, ale přístup byl odmítnut kvůli jeho tahovému profilu, hmotnosti zařízení potřebného k přeměně jaderné energie na elektřinu a v důsledku malé akceleraci , což by trvalo století, než by se dosáhlo požadované rychlosti.
První ukázkou elektrického pohonu byl iontový motor nesený na palubě kosmické lodi SERT-1 (Space Electric Rocket Test). Byla zahájena dne 20. července 1964 a provozována po dobu 31 minut. Následná mise zahájená dne 3. února 1970, SERT-2. Nesl dva iontové motory, jeden fungoval déle než pět měsíců a druhý téměř tři měsíce.
Na začátku roku 2010 mnoho výrobců satelitů nabízelo na svých satelitech možnosti elektrického pohonu-většinou pro ovládání postoje na oběžné dráze- zatímco někteří operátoři družicových komerčních komunikací je začali používat pro vkládání geosynchronní oběžné dráhy místo tradičních chemických raketových motorů .
Typy
Iontové a plazmové pohony
Tyto typy raketových reakčních motorů využívají elektrickou energii k získání tahu z hnacího plynu . Na rozdíl od raketových motorů tyto druhy motorů nevyžadují trysky , a proto nejsou považovány za skutečné rakety.
Elektrické pohonné rakety pro kosmické lodě mohou být seskupeny do tří rodin na základě typu síly použité k urychlení iontů plazmy:
Elektrostatický
Pokud je zrychlení způsobeno hlavně Coulombovou silou (tj. Aplikací statického elektrického pole ve směru zrychlení), je zařízení považováno za elektrostatické. Typy:
- Mřížkový iontový pohon
- Tryska s Hallovým efektem , včetně jejích podtypů Stacionární plazmová tryska (SPT) a Thruster s anodovou vrstvou (TAL)
- Koloidní iontová tryska
- Polní emisní elektrický pohon
- Extraktor nanočásticového pole
Elektrotepelné
Elektrotermální kategorie seskupuje zařízení, která používají elektromagnetická pole ke generování plazmy ke zvýšení teploty sypkého paliva. Tepelná energie propůjčená hnacímu plynu je poté převedena na kinetickou energii tryskou buď z pevného materiálu, nebo z magnetických polí. Plyny s nízkou molekulovou hmotností (např. Vodík, helium, amoniak) jsou výhodnými hnacími plyny pro tento druh systému.
Elektrotermický motor používá trysku k přeměně tepla na lineární pohyb, takže je to skutečná raketa, přestože energie produkující teplo pochází z externího zdroje.
Výkon elektrotermálních systémů, pokud jde o specifický impuls (Isp), je 500 až ~ 1000 sekund, ale převyšuje výkon u chladičů , monopelivých raket a dokonce většiny bipropelentních raket . V SSSR začaly být elektrotepelné motory používány v roce 1971; sovětský " Meteor-3 ", "Meteor-Priroda", "Resurs-O" satelit série a ruský "Elektro" družice jsou vybaveny s nimi. Na satelitech Lockheed Martin A2100 se v současné době používají elektrotermické systémy Aerojet (MR-510) využívající jako pohonnou látku hydrazin .
Elektromagnetické
Elektromagnetické trysky urychlují ionty buď Lorentzovou silou, nebo působením elektromagnetických polí, kde elektrické pole není ve směru zrychlení. Typy:
- Plazmová tryska bez elektrod
- Magnetoplasmadynamická tryska
- Pulzní indukční tryska
- Pulzní plazmová tryska
- Helicon Double Layer Thruster
Neiontové pohony
Fotonické
Fotonický pohon interaguje pouze s fotony.
Elektrodynamický popruh
Elektrodynamické řetízky jsou dlouhé vodivé dráty, jako jsou ty, které jsou rozmístěny z družicového popruhu a které mohou fungovat na elektromagnetických principech jako generátory přeměnou jejich kinetické energie na elektrickou energii nebo jako motory převádějící elektrickou energii na kinetickou energii. Elektrický potenciál je generován přes vodivý popruh jeho pohybem magnetickým polem Země. Volba kovového vodiče pro použití v elektrodynamickém popruhu je určena faktory, jako je elektrická vodivost a hustota . Sekundární faktory v závislosti na aplikaci zahrnují náklady, pevnost a teplotu tání.
Kontroverzní
Některé navrhované metody pohonu zjevně porušují v současnosti chápané fyzikální zákony, včetně:
Stabilní vs. nestabilní
Elektrické pohonné systémy lze charakterizovat buď jako ustálené (nepřetržitá palba po předepsanou dobu), nebo nestabilní (pulzní palby akumulující se na požadovaný impuls ). Tyto klasifikace lze použít na všechny typy pohonných motorů.
Dynamické vlastnosti
Elektricky poháněné raketové motory poskytují nižší tah ve srovnání s chemickými raketami o několik řádů kvůli omezenému elektrickému výkonu dostupnému v kosmické lodi. Chemická raketa dodává energii spalovacím produktům přímo, zatímco elektrický systém vyžaduje několik kroků. Vysoká rychlost a nižší reakční hmotnost vynaložená na stejný tah však umožňuje elektrickým raketám běžet na méně paliva. To se liší od typické vesmírné lodi na chemický pohon, kde motory vyžadují více paliva, což vyžaduje, aby kosmická loď většinou sledovala setrvačnou trajektorii . V blízkosti planety nemusí pohon s nízkým tahem kompenzovat gravitační sílu. Elektrický raketový motor nemůže poskytnout dostatečný tah ke zvednutí vozidla z povrchu planety, ale nízký tah aplikovaný na dlouhý interval může kosmické lodi umožnit manévrování v blízkosti planety.
Viz také
- Magnetická plachta , navrhovaný systém poháněný slunečním větrem ze Slunce nebo jakékoli hvězdy
- Seznam kosmických lodí s elektrickým pohonem , seznam minulých a navrhovaných kosmických lodí, které používaly elektrický pohon
Reference
externí odkazy
- Laboratoř NASA Jet Propulsion Laboratory
- Technologické a obchodní rozšíření elektrického pohonu - D. Lev a kol. Technologické a obchodní rozšíření elektrického pohonu
- Elektrický (iontový) pohon , Univerzitní centrum pro výzkum atmosféry, University of Colorado v Boulderu, 2000.
- Distribuovaná energetická architektura pro elektrický pohon
- Choueiri, Edgar Y. (2009). Nový úsvit elektrické rakety
- Robert G. Jahn a Edgar Y. Choueiri. Elektrický pohon
- Laboratoř elektrického pohonu a plazmatického inženýrství (CEPPE) Colorado State University
- Stacionární plazmové trysky (PDF)
- elektrický vesmírný pohon
- Vstup veřejné ponaučení: 0736
- Kritická historie elektrického pohonu-prvních padesát let (1906–1956)-AIAA-2004-3334
- Aerospace America, publikace AIAA, prosinec 2005, Sekce pohonu a energie, s. 54–55, napsal Mitchell Walker.