Iontový propeler - Ion thruster

2,3  kW NSTAR iontová raketa NASA pro kosmickou loď Deep Space 1 během testu horkého ohně v Jet Propulsion Laboratory .

Test iontového motoru NEXIS (2005)

Ion přídě , iontový pohon , nebo iont motoru je forma elektrický pohon používané pro kosmické pohonu . Vytváří tah zrychlováním iontů pomocí elektřiny .

Iontová tryska ionizuje neutrální plyn extrakcí některých elektronů z atomů a vytváří oblak kladných iontů . Tyto iontové trysky se spoléhají hlavně na elektrostatiku, protože ionty jsou urychlovány Coulombovou silou podél elektrického pole . Dočasně uložené elektrony jsou nakonec po průchodu elektrostatickou mřížkou reinjektovány neutralizátorem do oblaku iontů, takže se plyn opět stane neutrálním a může se volně rozptylovat v prostoru bez jakékoli další elektrické interakce s tryskou. Naproti tomu elektromagnetické trysky využívají Lorentzovu sílu k urychlení všech druhů (volné elektrony i kladné a záporné ionty) stejným směrem bez ohledu na jejich elektrický náboj a jsou konkrétně označovány jako plazmové pohonné motory , kde není elektrické pole v směr zrychlení.

Iontové trysky při provozním použití obvykle spotřebovávají 1–7 kW energie , mají výfukové rychlosti kolem 20–50 km/s ( I _{sp 2} 000–5 000  s) a mají tahy 25–250 mN a hnací účinnost 65–80%. ačkoli experimentální verze dosáhly 100 kW (130 k), 5 N (1,1 lb _f ).

Deep Space 1 sonda, poháněn iontovým hnací jednotky, změnit rychlost od 4,3 km / s (2,7 mi / s), přičemž spotřebovávají méně než 74 kg (163 liber) z xenonu . Dawn sonda rekord, se změnou rychlosti 11,5 km / s (41000 km / h), i když to bylo jen polovina jako účinný, vyžaduje 425 kg (937 liber) xenonu.

Aplikace zahrnují řízení orientace a polohy obíhajících satelitů (některé satelity mají desítky nízkoenergetických iontových trysek) a použití jako hlavní pohonný motor pro robotická vesmírná vozidla s nízkou hmotností (například Deep Space 1 a Dawn ).

Iontové tahové motory jsou praktické pouze ve vakuu vesmíru a nemohou dopravovat vozidla atmosférou, protože iontové motory nefungují v přítomnosti iontů mimo motor; nepatrný tah motoru navíc nemůže překonat žádný výrazný odpor vzduchu. Navíc bez ohledu na přítomnost atmosféry (nebo její nedostatek) nemůže iontový motor generovat dostatečný tah k dosažení počátečního vzletu z jakéhokoli nebeského tělesa se značnou povrchovou gravitací . Z těchto důvodů se kosmická loď musí spoléhat na konvenční chemické rakety, aby dosáhly své počáteční oběžné dráhy .

Původy

Kosmická loď SERT-1

První osoba, která napsala článek představující tuto myšlenku veřejně, byl Konstantin Tsiolkovsky v roce 1911. Tato technika byla doporučena pro podmínky blízkého vakua ve vysoké nadmořské výšce, ale tah byl prokázán pomocí proudů ionizovaného vzduchu za atmosférického tlaku. Myšlenka se znovu objevila v " Wege zur Raumschiffahrt " (Cesty k vesmírným letům) Hermanna Obertha , publikované v roce 1923, kde vysvětlil své úvahy o hromadných úsporách elektrického pohonu, předpověděl jeho použití při pohonu kosmických lodí a ovládání postoje a obhajoval elektrostatické zrychlení nabitých plynů.

Pracovní iontovou trysku postavil Harold R. Kaufman v roce 1959 v zařízeních NASA Glenn Research Center . Bylo to podobné mřížkovému elektrostatickému iontovému pohonu a používalo rtuť jako pohonnou látku. V 60. letech byly provedeny suborbitální testy a v roce 1964 byl motor odeslán do suborbitálního letu na palubě Space Electric Rocket Test-1 (SERT-1). Úspěšně operoval plánovaných 31 minut, než spadl na Zemi. Na tento test navázal v roce 1970 orbitální test SERT-2.

Alternativní forma elektrického pohonu, Hallova efektová tryska , byla studována nezávisle ve Spojených státech a Sovětském svazu v 50. a 60. letech minulého století. Rakety s Hallovým efektem fungovaly na sovětských satelitech od roku 1972 do konce devadesátých let a používaly se hlavně ke stabilizaci satelitů ve směru sever -jih a východ -západ. Mise na sovětských a ruských satelitech dokončilo asi 100–200 motorů . Sovětský design rakety byl představen na Západě v roce 1992 poté, co tým specialistů na elektrický pohon, za podpory Organizace obrany proti balistické raketě , navštívil sovětské laboratoře.

Obecný pracovní princip

Iontové trysky používají paprsky iontů (elektricky nabité atomy nebo molekuly) k vytvoření tahu v souladu se zachováním hybnosti . Metoda akcelerace iontů se liší, ale všechny konstrukce využívají výhod poměru náboj / hmotnost iontů. Tento poměr znamená, že relativně malé potenciální rozdíly mohou vytvářet vysoké rychlosti výfukových plynů. Tím se sníží množství reakční hmoty nebo potřebného hnacího plynu, ale ve srovnání s chemickými raketami se zvýší množství specifické síly . Iontové trysky jsou proto schopny dosáhnout vysokých specifických impulsů . Nevýhodou nízkého tahu je nízké zrychlení, protože hmotnost elektrické pohonné jednotky přímo koreluje s množstvím energie. Tento nízký tah dělá iontové rakety nevhodné pro vypouštění kosmických lodí na oběžnou dráhu, ale účinné pro vesmírný pohon.

Iontové trysky jsou kategorizovány jako elektrostatické nebo elektromagnetické . Hlavním rozdílem je způsob zrychlování iontů.

• Elektrostatické iontové trysky využívají Coulombovu sílu a urychlují ionty ve směru elektrického pole.
• Elektromagnetické iontové trysky používají k pohybu iontů Lorentzovu sílu .

Elektrickou energii pro iontové motory obvykle zajišťují solární panely . Pro dostatečně velké vzdálenosti od Slunce však může být použita jaderná energie . V každém případě je hmotnost napájecího zdroje úměrná špičkovému výkonu, který může být dodáván, a oba poskytují pro tuto aplikaci téměř žádné omezení energie.

Elektrické trysky mají tendenci produkovat nízký tah, což má za následek nízké zrychlení. Definování , standardní gravitační zrychlení Země , a za zmínku, že to lze analyzovat. Nstar vrtule vytváří přítlačnou sílu 92 mN urychlí satelit s hmotností 1 Mg od 0,092 N / 1000 kg = 9,2 x 10 ^-5 m / s ² (nebo 9,38 x 10 ^-6 g ). Na rozdíl od velmi krátkých popálenin chemických raket však toto zrychlení může trvat několik měsíců nebo let. ${\ Displaystyle 1g = 9,81 \; \ mathrm {m/s^{2}}}$${\ Displaystyle F = ma \ implikuje a = F/m}$    

$${\ displaystyle F = 2 {\ frac {\ eta P} {gI _ {\ text {sp}}}}}$$

• F je tahová síla v N,
• η je účinnost
• P je elektrická energie používaná tryskou ve W, a
• I _sp je specifický impuls v sekundách.

Iontová tryska není nejslibnějším typem pohonu elektricky poháněných kosmických lodí , ale v praxi je dosud nejúspěšnější. Iontový pohon by potřeboval dva dny na zrychlení auta na rychlost ve vakuu. Technické vlastnosti, zejména tah , jsou podstatně horší než prototypy popsané v literatuře, technické možnosti jsou omezeny vesmírným nábojem vytvořeným ionty. To omezuje hustotu tahu ( síla na plochu průřezu motoru). Iontové trysky vytvářejí malé úrovně tahu (tah Deep Space 1 je přibližně stejný jako hmotnost jednoho listu papíru) ve srovnání s konvenčními chemickými raketami , ale dosahují vysokého specifického impulsu neboli účinnosti hmoty hnacího plynu zrychlením výfuku na vysokou rychlost. Síla udělovaná výfukových se zvyšuje se čtvercem rychlosti výfukových plynů, zatímco zvýšení tahu je lineární. Chemické rakety naopak poskytují vysoký tah, ale jsou omezeny celkovým impulzem malým množstvím energie, kterou lze chemicky uložit do pohonných hmot. Vzhledem k praktické hmotnosti vhodných zdrojů energie je zrychlení z iontové trysky často menší než jedna tisícina standardní gravitace . Protože však fungují jako elektrické (nebo elektrostatické) motory, převádějí větší část vstupního výkonu na kinetický výfukový výkon. Chemické rakety fungují jako tepelné motory a Carnotova věta omezuje rychlost výfukových plynů.

Elektrostatické trysky

Mřížkové elektrostatické iontové trysky

Schéma fungování mřížkového elektrostatického iontového motoru (typ vícepólového magnetického hrotu)

Vývoj mřížkových elektrostatických iontových trysek začal v šedesátých letech minulého století a od té doby se používá pro komerční satelitní pohon a vědecké mise. Jejich hlavním rysem je, že proces ionizace hnacího plynu je fyzicky oddělen od procesu iontového zrychlení.

Proces ionizace probíhá ve výbojové komoře, kde bombardováním hnacího plynu energetickými elektrony, zatímco přenášená energie vysune valenční elektrony z atomů hnacího plynu. Tyto elektrony mohou být poskytovány žhavým katodovým vláknem a urychlovány potenciálním rozdílem směrem k anodě. Alternativně mohou být elektrony urychleny oscilujícím indukovaným elektrickým polem vytvořeným střídavým elektromagnetem, což má za následek samonosný výboj bez katody (radiofrekvenční iontový pohon).

Kladně nabité ionty jsou extrahovány systémem sestávajícím ze 2 nebo 3 více aperturních mřížek. Po vstupu do mřížkového systému poblíž plazmového pláště jsou ionty urychleny potenciálním rozdílem mezi první mřížkou a druhou mřížkou (v tomto pořadí se nazývá mřížka mřížky a mřížka urychlovače) na konečnou energii iontů (obvykle) 1–2 keV , který generuje tah.

Iontové trysky vyzařují paprsek kladně nabitých iontů. Aby kosmická loď nehromadila náboj, je v blízkosti motoru umístěna další katoda, která vyzařuje elektrony do iontového paprsku, takže hnací plyn je elektricky neutrální. To brání tomu, aby paprsek iontů byl přitahován (a vracel se) ke kosmické lodi, což by zrušilo tah.

Gridded elektrostatic ion thruster research (past/present):

• Připravenost NASA Solar Technology Application Readiness (NSTAR), 2,3 kW, použitá na dvou úspěšných misích
• NASA Evolutionary Xenon Thruster ( NEXT ), 6,9 kW, letový kvalifikační hardware postaven
• Nuclear Electric Xenon Ion System (NEXIS)
• Vysoce výkonný elektrický pohon ( HiPEP ), 25 kW, příklad testu postaven a krátce spuštěn na zemi
• EADS Radio-Frequency Ion Thruster (RIT)
• Dvoustupňová 4-mřížka (DS4G)

Trysky s Hallovým efektem

Schéma rakety s Hallovým efektem

Trysky s Hallovým efektem urychlují ionty pomocí elektrického potenciálu mezi válcovou anodou a záporně nabitým plazmatem, které tvoří katodu. Převážná část hnacího plynu (typicky xenon) se zavádí v blízkosti anody, kde ionizuje a proudí směrem ke katodě; ionty zrychlují směrem k němu a skrz něj, při odběru zachytávají elektrony, aby neutralizovaly paprsek a opustily trysku vysokou rychlostí.

Anoda je na jednom konci válcové trubice. Ve středu je bodec, který je navinut, aby vytvořil radiální magnetické pole mezi ním a okolní trubicí. Magnetické pole ionty do značné míry neovlivňuje, protože jsou příliš masivní. Elektrony vyrobené blízko konce hrotu k vytvoření katody jsou však zachyceny magnetickým polem a drženy na místě přitažlivostí k anodě. Některé z elektronů spirálovitě klesají dolů k anodě a obíhají kolem špice v Hallově proudu. Když dosáhnou anody, dopadnou na nenabitý hnací plyn a způsobí jeho ionizaci, než konečně dosáhnou anody a dokončí obvod.

Elektrický pohon s polními emisemi

Hnací motory s elektrickým pohonem (FEEP) s emisemi z pole mohou používat hnací látky cesia nebo india . Konstrukce obsahuje malý zásobník paliva, který uchovává tekutý kov, úzkou trubici nebo systém rovnoběžných desek, kterými kapalina protéká, a urychlovač (prstenec nebo prodloužený otvor v kovové desce) asi milimetr za koncem trubice. Cesium a indium se používají kvůli jejich vysokým atomovým hmotnostem, nízkým ionizačním potenciálům a nízkým bodům tání. Jakmile tekutý kov dosáhne konce trubice, elektrické pole aplikované mezi zářičem a urychlovačem způsobí, že se povrch kapaliny deformuje do řady vyčnívajících hrotů nebo Taylorových kuželů . Při dostatečně vysokém aplikovaném napětí jsou kladné ionty extrahovány z hrotů kuželů. Elektrické pole vytvořené vysílačem a urychlovačem pak urychluje ionty. Externí zdroj elektronů neutralizuje kladně nabitý proud iontů, aby se zabránilo nabíjení kosmické lodi.

Elektromagnetické trysky

Pulzní indukční trysky

Pulzní indukční trysky (PIT) používají místo kontinuálního tahu impulsy a mají schopnost běžet na výkonových úrovních řádově megawattů (MW). PIT se skládají z velké cívky obklopující trubku ve tvaru kužele, která emituje hnací plyn. Nejčastěji se používá plyn amoniak . Pro každý puls se ve skupině kondenzátorů za cívkou vytvoří velký náboj a poté se uvolní. Tím se vytvoří proud, který se pohybuje kruhově ve směru jθ. Proud pak vytváří magnetické pole ve vnějším radiálním směru (Br), které pak vytváří proud v plynu, který byl právě uvolněn v opačném směru původního proudu. Tento opačný proud ionizuje amoniak. Kladně nabité ionty se urychlují pryč od motoru v důsledku elektrického pole jθ procházejícího magnetickým polem Br v důsledku Lorentzovy síly.

Magnetoplasmadynamická tryska

Magnetoplasmadynamické (MPD) trysky a lithiové Lorentzovy urychlovače síly (LiLFA) používají zhruba stejnou myšlenku. Tryska LiLFA navazuje na trysku MPD. Jako hnací plyn lze použít vodík , argon , čpavek a dusík . V určité konfiguraci lze jako pohonnou látku použít okolní plyn na nízké oběžné dráze Země (LEO). Plyn vstupuje do hlavní komory, kde je ionizován do plazmy elektrickým polem mezi anodou a katodou . Toto plazma pak vede elektřinu mezi anodou a katodou a uzavírá obvod. Tento nový proud vytváří kolem katody magnetické pole, které se kříží s elektrickým polem, čímž urychluje plazmu díky Lorentzově síle.

Tryska LiLFA používá stejnou obecnou myšlenku jako tryska MPD, se dvěma hlavními rozdíly. Za prvé, LiLFA používá lithiovou páru, která může být uložena jako pevná látka. Dalším rozdílem je, že jedna katoda je nahrazena několika menšími katodovými tyčemi zabalenými do duté katodové trubice. Katody MPD jsou snadno korodovány díky neustálému kontaktu s plazmou. V trysce LiLFA je lithiová pára vstřikována do duté katody a není ionizována do své plazmatické formy/koroduje katodové tyče, dokud neopustí trubici. Plazma je poté zrychlena pomocí stejné Lorentzovy síly .

V roce 2013 ruská společnost Chemical Automatics Design Bureau úspěšně provedla zkušební test svého motoru MPD pro dálkové cestování vesmírem.

Plazmové trysky bez elektrod

Plazmové trysky bez elektrod mají dvě jedinečné vlastnosti: odstranění anodových a katodových elektrod a schopnost škrcení motoru. Odstranění elektrod eliminuje erozi, což omezuje životnost jiných iontových motorů. Neutrální plyn je nejprve ionizován elektromagnetickými vlnami a poté přenesen do jiné komory, kde je zrychlen oscilačním elektrickým a magnetickým polem, známým také jako ponderomotorická síla . Toto oddělení fází ionizace a zrychlení umožňuje škrcení toku hnacího plynu, které pak mění velikost tahu a specifické hodnoty impulzů.

Helikonové dvouvrstvé trysky

Helikonová dvouvrstvá tryska je typ plazmové trysky, která vysílá vysokorychlostní ionizovaný plyn k zajištění tahu . V tomto provedení je plyn vstřikován do trubkové komory ( zdrojové trubice ) s jedním otevřeným koncem. Vysokofrekvenční střídavý výkon ( 13,56 MHz v prototypu) je spojen do speciálně tvarované antény omotané kolem komory. Elektromagnetické vlny vyzařované anténou způsobí, že plyn rozebrat a tvoří plazmu. Anténa pak v plazmě vzrušuje helikonovou vlnu , která ji dále ohřívá. Zařízení má ve zdrojové trubce zhruba konstantní magnetické pole (dodávané solenoidy v prototypu), ale magnetické pole se rozchází a rychle klesá ve vzdálenosti od zdrojové oblasti a může být považováno za druh magnetické trysky . V provozu odděluje ostrá hranice plazmu s vysokou hustotou uvnitř zdrojové oblasti a plazmu s nízkou hustotou ve výfuku, což je spojeno s prudkou změnou elektrického potenciálu. Vlastnosti plazmy se přes tuto hranici, která je známá jako bezproudá elektrická dvojvrstva, rychle mění . Elektrický potenciál je uvnitř zdrojové oblasti mnohem vyšší než ve výfuku, což slouží jak k omezení většiny elektronů, tak k urychlení iontů od zdrojové oblasti. Ze zdrojové oblasti uniká dostatek elektronů, aby bylo zajištěno, že plazma ve výfuku je celkově neutrální.

Magnetoplazmatická raketa s variabilním specifickým impulsem (VASIMR)

Navrhovaná variabilně specifická impulsní magnetoplazmatická raketa (VASIMR) funguje tak, že pomocí rádiových vln ionizuje pohonnou látku do plazmy a poté pomocí magnetického pole urychluje plazmu ze zadní části raketového motoru a vytváří tah. VASIMR je v současné době vyvíjí Ad Astra Rocket Company , se sídlem v Houstonu , Texas , s nápovědou od Canada založené Nautel , produkovat 200 kW RF generátory pro ionizující pohonnou látku. Některé experimenty se součástmi a „plazmovými výhonky“ jsou testovány v laboratoři usazené v Libérii v Kostarice . Tento projekt vede bývalý astronaut NASA Dr. Franklin Chang-Díaz (CRC-USA). Diskutovalo se o zkušebním motoru 200 VASIMR, který měl být namontován na vnější stranu Mezinárodní vesmírné stanice , jako součást plánu na testování VASIMR ve vesmíru - plány pro tento test na palubě ISS však byly v roce 2015 zrušeny NASA , přičemž bezplatný létající test VASIMR místo toho projednává Ad Astra. Předpokládaný 200 megawattový motor by mohl zkrátit dobu letu ze Země na Jupiter nebo Saturn ze šesti let na čtrnáct měsíců a Mars ze 7 měsíců na 39 dní.

Mikrovlnné elektrotepelné trysky

Mikrovlnná elektrotepelná tryska

Komponenty trysek

Vypouštěcí komora

V rámci výzkumného grantu od NASA Lewis Research Center v 80. a 90. letech minulého století vedli Martin C. Hawley a Jes Asmussen tým inženýrů při vývoji mikrovlnného elektrotepelného pohonu (MET).

Ve výbojové komoře proudí mikrovlnná (MW) energie do středu obsahujícího vysokou hladinu iontů (I), což způsobuje ionizaci neutrálních látek v plynném hnacím plynu . Vzrušené druhy proudí ven (FES) oblastí s nízkými ionty (II) do neutrální oblasti (III), kde ionty dokončí svou rekombinaci , nahrazené tokem neutrálních druhů (FNS) směrem do středu. Mezitím se energie ztrácí na stěnách komory tepelným vedením a konvekcí (HCC) spolu se zářením (Rad). Zbývající energie absorbovaná do plynného paliva je přeměněna na tah .

Radioizotopová tryska

Byl navržen teoretický pohonný systém založený na částicích alfa ( He²⁺
nebo ⁴
₂On²⁺
indikující heliový ion s nábojem +2) emitovaným z radioizotopu jednosměrně otvorem v jeho komoře. Neutralizační elektronová pistole by kvůli vysoké relativistické rychlosti částic alfa produkovala malé množství tahu s vysokým specifickým impulzem v řádu milionů sekund.

Varianta tohoto používá mřížku na bázi grafitu se statickým stejnosměrným vysokým napětím ke zvýšení tahu, protože grafit má vysokou průhlednost pro alfa částice, pokud je také ozářen krátkovlnným UV světlem na správné vlnové délce z polovodičového emitoru. Umožňuje také zdroje nižší energie a delší poločas rozpadu, což by bylo výhodné pro vesmírné aplikace. Zásyp hélia byl také navržen jako způsob, jak zvýšit volnou cestu průměrné elektrony.

Srovnání

Život

Nízký tah iontových trysek vyžaduje nepřetržitý provoz po dlouhou dobu, aby se dosáhlo potřebné změny rychlosti ( delta-v ) pro konkrétní misi. Iontové trysky jsou navrženy tak, aby zajišťovaly nepřetržitý provoz v intervalech týdnů až let.

Životnost elektrostatických trysek je omezena několika procesy. V elektrostatických mřížkových provedeních lze ionty pro výměnu náboje produkované ionty paprsku s proudem neutrálního plynu urychlit směrem k negativně předpjaté mřížce urychlovače a způsobit erozi mřížky. Konec životnosti je dosažen, když buď struktura mřížky selže, nebo jsou otvory v mřížce dostatečně velké, aby byla podstatně ovlivněna extrakce iontů; např. výskytem zpětného toku elektronů. Erozi mřížky nelze zabránit a je hlavním faktorem omezujícím životnost. Důkladný design mřížky a výběr materiálu umožňují životnost 20 000 hodin nebo více.

Test elektrostatického tryskového pohonu NASA Solar Technology Application Readiness (NSTAR) vyústil v 30 472 hodin (zhruba 3,5 roku) nepřetržitého tahu při maximálním výkonu. Zkouška po testu ukázala, že se motor nepřibližuje k poruše.

Projekt NASA Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) fungoval nepřetržitě více než 48 000 hodin. Test byl prováděn ve zkušební komoře s vysokým vakuem. V průběhu testu 5,5+ let spotřeboval motor přibližně 870 kilogramů xenonového paliva. Celkový generovaný impuls by pro podobnou aplikaci vyžadoval více než 10 000 kilogramů konvenčního raketového paliva.

Očekává se, že pokročilý elektrický pohonný systém (AEPS) bude akumulovat asi 5 000 hodin a jeho cílem je dosáhnout letového modelu, který nabízí poločas rozpadu nejméně 23 000 hodin a plnou životnost asi 50 000 hodin.

Hallové rakety trpí silnou erozí keramické vypouštěcí komory nárazem energetických iontů: test hlášený v roce 2010 ukázal erozi kolem 1 mm na sto hodin provozu, i když to je v rozporu s pozorovanou životností na oběžné dráze několik tisíc hodin.

Propelenty

Ionizační energie představuje velké procento energie potřebné k provozu iontových pohonů. Ideální pohonná hmota se tak snadno ionizuje a má vysoký poměr hmotnost/ionizační energie. Kromě toho by hnací plyn neměl do velké míry erodovat trysku, aby byla zajištěna dlouhá životnost; a nemělo by kontaminovat vozidlo.

Mnoho současných návrhů používá xenonový plyn, protože je snadné ionizovat, má přiměřeně vysoké atomové číslo, je inertní a způsobuje nízkou erozi. Celosvětově je však xenon nedostatečný a drahý.

Některé starší konstrukce iontových trysek používaly rtuťový pohon. Rtuť je však toxická, měla tendenci kontaminovat kosmické lodě a bylo obtížné ji přesně krmit. Moderní komerční prototyp může rtuť úspěšně používat.

Jiné pohonné látky, jako je vizmut a jód , jsou slibné jak pro mřížkové konstrukce, jako jsou tryskové motory s Hallovým efektem, tak mřížkové iontové trysky.

Poprvé ve vesmíru byl jód použit jako hnací plyn pro elektrický pohon na mřížkované iontové trysce NPT30-I2 od společnosti ThrustMe , na palubě mise Beihangkongshi-1 zahájené v listopadu 2020. Ambipolární tryska CubeSat (CAT) použitá na Mars Array z družic pro výzkum ionosféry pomocí mise CubeSat Ambipolar Thruster (MARS-CAT) také navrhuje použít pevný jód jako pohonnou látku k minimalizaci objemu skladování.

Konstrukce VASIMR (a další plazmové motory) jsou teoreticky schopny použít pro pohonný plyn prakticky jakýkoli materiál. V současných testech je však nejpraktičtějším pohonným plynem argon , který je relativně hojný a levný.

Krypton se používá k pohonu trysek s Hallovým efektem na palubách internetových satelitů Starlink , částečně kvůli nižším nákladům než konvenční xenonový pohon.

Energetická účinnost

Spiknutí   okamžitá hnací účinnost a  celková účinnost vozidla zrychlujícího z klidu jako procenta účinnosti motoru. Všimněte si toho, že špičková účinnost vozidla nastává přibližně 1,6krát vyšší rychlostí výfukových plynů.

Účinnost iontové trysky je kinetická energie výfukového paprsku emitovaného za sekundu dělená elektrickou energií do zařízení.

Celková energetická účinnost systému je určena propulzní účinností , která závisí na rychlosti vozidla a rychlosti výfukových plynů. Některé trysky mohou v provozu měnit rychlost výfuku, ale všechny mohou být navrženy s různými rychlostmi výfuku. Na spodním konci specifickým impulsem, I _sp , je celková účinnost klesá, protože ionizace zabírá větší procento energie a na horním konci je hnací účinnosti snížena.

Optimální účinnosti a rychlosti výfuku pro jakoukoli danou misi lze vypočítat tak, aby poskytly minimální celkové náklady.

Mise

Iontové rakety mají mnoho aplikací pro pohon ve vesmíru. Nejlepší aplikace využívají dlouhý interval misí, když není potřeba výrazný tah . Mezi příklady patří přenosy na oběžné dráze, úpravy polohy , kompenzace odporu pro nízké oběžné dráhy Země , jemné úpravy pro vědecké mise a přepravu nákladu mezi sklady pohonných hmot , např. Pro chemická paliva. Iontové rakety mohou být také použity pro meziplanetární a hlubinné mise, kde rychlosti zrychlení nejsou rozhodující. Nepřetržitý tah po dlouhou dobu může dosáhnout vysokých rychlostí a přitom spotřebuje mnohem méně paliva než tradiční chemické rakety.

Mezi elektrickými tryskami získaly iontové rakety nejvážnější komerční a akademickou pozornost. Iontové trysky jsou považovány za nejlepší řešení pro tyto mise, protože vyžadují vysokou změnu rychlosti, ale nevyžadují rychlé zrychlení.

Předváděcí vozidla

SERT

Systémy iontového pohonu poprvé ve vesmíru předvedly mise NASA Lewis (nyní Glenn Research Center) Space Space Rocket Test (SERT) -1 a SERT-2A. SERT-1 suborbitální let byl zahájen dne 20. července 1964, a úspěšně dokázal, že tato technologie provozovat jak bylo předpovězeno v prostoru. Jednalo se o elektrostatické iontové trysky využívající jako reakční hmotu rtuť a cesium . SERT-2A, spuštěný 4. února 1970, ověřoval provoz dvou rtuťových iontových motorů po tisíce provozních hodin.

Operační mise

Iontové trysky se běžně používají pro udržování stanic na komerčních a vojenských komunikačních satelitech na geosynchronní oběžné dráze. Průkopníkem v této oblasti byl Sovětský svaz, který počátkem 70. let minulého století používal na satelitech stacionární plazmové trysky (SPT).

Dva geostacionární satelity ( Artemis ESA v letech 2001–2003 a americká armáda AEHF-1 v letech 2010–2012) používaly iontovou trysku ke změně oběžné dráhy poté, co selhal motor s chemickým pohonem. Boeing začal používat iontové trysky pro udržování stanic v roce 1997 a v letech 2013–2014 plánoval nabídnout na své platformě 702 variantu bez chemického motoru a iontových trysek pro zvedání oběžné dráhy; to umožňuje výrazně nižší startovací hmotnost pro danou satelitní schopnost. AEHF-2 použil chemický motor ke zvýšení perigee na 16 330 km (10 150 mi) a pokračoval na geosynchronní oběžnou dráhu pomocí elektrického pohonu.

Na oběžné dráze Země

Vesmírná stanice Tiangong

Čínská vesmírná stanice Tiangong je vybavena iontovými tryskami. Modul jádra Tianhe je poháněn jak chemickými tryskami, tak čtyřmi tryskami s Hallovým efektem, které slouží k úpravě a udržování oběžné dráhy stanice. Vývoj trysek s Hallovým efektem je v Číně považován za citlivé téma, přičemž vědci „pracují na vylepšení technologie, aniž by na sebe upoutali pozornost“. Trysky s Hallovým efektem jsou vytvořeny s ohledem na bezpečnost mise s posádkou se snahou zabránit erozi a poškození způsobenému částicemi zrychleného iontu. Bylo vytvořeno magnetické pole a speciálně navržený keramický štít, který odpuzuje škodlivé částice a udržuje integritu trysek. Podle Čínské akademie věd iontový pohon používaný na Tiangongu nepřetržitě hořel 8 240 hodin bez závady, což naznačuje jejich vhodnost pro určenou 15letou životnost čínské vesmírné stanice.

Starlink

SpaceX je Starlink družic použití iontový motor poháněn kryptonem s cílem zvýšit oběžnou dráhu, provádět manévry a de-oběžnou dráhu na konci jejich použití.

GOCE

ESA ‚s Goce (GOCE) byla zahájena dne 16. března 2009. Je použit iontový pohon po celou dobu své dvacet měsíců mise pro boj s air-táhnout to zažil ve své nízké oběžné dráze (nadmořská výška 255 kilometrů) před úmyslným deorbitem dne 11. listopadu 2013.

V hlubokém vesmíru

Hluboký vesmír 1

NASA vyvinula iontový motor NSTAR pro použití v meziplanetárních vědeckých misích počínaje koncem 90. let minulého století. Byl testován vesmírem ve velmi úspěšné vesmírné sondě Deep Space 1 , vypuštěné v roce 1998. Jednalo se o první použití elektrického pohonu jako meziplanetárního pohonného systému na vědecké misi. Na základě návrhových kritérií NASA vyvinula společnost Hughes Research Labs systém Xenon Ion Propulsion System (XIPS) pro provádění údržby stanic na geosynchronních satelitech . Hughes (EDD) vyrobil trysku NSTAR použitou na kosmické lodi.

Hayabusa

The Japanese Aerospace Exploration Agency je Hayabusa družice byla vypuštěna v roce 2003 a úspěšně setkali s asteroidu 25143 Itokawa . Byl poháněn čtyřmi xenonovými iontovými motory, které k ionizaci hnacího plynu využívaly mikrovlnnou elektronovou cyklotronovou rezonanci a pro svou zrychlovací mřížku materiál odolný uhlíku/uhlíku odolný proti erozi. Přestože iontové motory na Hayabusě měly technické potíže, rekonfigurace za letu umožnila opravu jednoho ze čtyř motorů a umožnila mise úspěšně se vrátit na Zemi.

Chytrý 1

Evropská kosmická agentura družice ‚s SMART-1 byla zahájena v roce 2003 s použitím Snecma PPS-1350 -G Hall vrtule se dostat z GTO na měsíční oběžné dráze. Tato družice dokončila svou misi dne 3. září 2006, při řízené srážce na povrchu Měsíce , po odchylce trajektorie, aby vědci mohli vidět 3metrový kráter, který vytvořil náraz na viditelnou stranu Měsíce.

Svítání

Dawn byla zahájena 27. září 2007, aby prozkoumala asteroid Vesta a trpasličí planetu Ceres . Používal třixenonové iontové rakety Heritage Deep Space 1 (střílející po jednom). Dawn 's ion drive je schopen zrychlit z 0 na 97 km/h (60 mph) za 4 dny nepřetržité palby. Mise skončila dne 1. listopadu 2018, kdy kosmické lodi došelhnací plyn hydrazinu pro její tryskové motory.

LISA Pathfinder

LISA Pathfinder je kosmická loď ESA vypuštěná v roce 2015. Jako primární pohonný systém nepoužívá iontové motory, ale pro přesné řízení polohy využívá koloidní trysky i FEEP - nízké tahy těchto pohonných zařízení umožňují pohyb vesmírných lodí po krocích přesně. Je to test pro misi LISA . Mise skončila 30. prosince 2017.

BepiColombo

ESA ‚s BepiColombo Mise byla zahájena na Merkuru dne 20. října 2018. To používá iontový motor v kombinaci s křídlovými odpočivadly dostat k Merkuru, kde se chemická raketa dokončení vložení oběžné dráze.

Navrhované mise

Mezinárodní vesmírná stanice

V březnu 2011 bylo zvažováno budoucí spuštění elektromagnetického pohonu Ad Astra VF-200 200 kW VASIMR pro testování na Mezinárodní vesmírné stanici (ISS). V roce 2015 však NASA ukončila plány na let VF-200 k ISS. Mluvčí NASA uvedl, že ISS „nebyla ideální demonstrační platformou pro požadovanou úroveň výkonu motorů“. Ad Astra uvedla, že testy raketometu VASIMR na ISS zůstanou po budoucí demonstraci ve vesmíru jednou z možností.

VF-200 by byla letovou verzí VX-200 . Vzhledem k tomu, že dostupný výkon z ISS je menší než 200 kW, ISS VASIMR by zahrnoval systém dobíjení baterií umožňující 15minutové impulsy tahu. ISS obíhá v relativně nízké výšce a zažívá poměrně vysoké úrovně atmosférického odporu , což vyžaduje pravidelné zvyšování nadmořské výšky -cenný by byl vysoce účinný motor (vysoký specifický impuls) pro udržování stanice, teoreticky by restart VASIMR mohl snížit náklady na palivo ze současných USA 210 milionů dolarů ročně až jedna dvacetina. VASIMR mohl teoreticky použít na udržování stanice ISS místo 7500 kg chemického paliva pouhých 300 kg argonového plynu-vysoká rychlost výfukových plynů (vysoký specifický impuls ) by dosáhla stejného zrychlení s menším množstvím paliva ve srovnání s chemickým pohon s nižší rychlostí výfuku vyžaduje více paliva. Vodík je generován ISS jako vedlejší produkt a je odvětráván do vesmíru.

NASA dříve pracovala na 50 kW halovém propulzoru pro ISS, ale práce byly zastaveny v roce 2005.

Lunární brána

Power a Propulsion Element (PPE) je modul na Lunar brána , která poskytuje výroba energie a pohonné funkce je zaměřená na uvedení na užitková vozidla v lednu 2024. Bylo by pravděpodobně používat 50 kW Advanced elektrický pohonný systém (âEPS) ve stádiu vývoje v NASA Glenn Research Center a Aerojet Rocketdyne .

MARS-KOCOUR

Mise MARS-CAT (Mars Array of ionosphere Research Satellites using the CubeSat Ambipolar Thruster) mission is a two 6U CubeSat concept mission to study Mars 'ionosphere. Mise by prozkoumala její plazmatickou a magnetickou strukturu, včetně přechodných struktur plazmy, struktury magnetického pole, magnetické aktivity a korelace s ovladači slunečního větru. Tryska CAT se nyní nazývá RF raketa a je vyráběna společností Phase Four.

Mezihvězdné mise

Geoffrey A. Landis navrhl použít k pohonu mezihvězdné sondy iontovou trysku poháněnou vesmírným laserem ve spojení se světelnou plachtou.

Populární kultura

• Myšlenka na iontový motor se poprvé objevila ve filmu Donalda W Hornera By Airplane to the Sun: Being the Adventures of a Daring Aviator and his Friends (1910).
• Ionový pohon je hlavním tahovým zdrojem kosmické lodi Kosmokrator ve východoněmeckém/polském sci -fi filmu Der Schweigende Stern (1960). Minuta 28:10.
• V epizodě Star Treku z roku 1968 „ Spockův mozek “ na Scottyho opakovaně zapůsobilo civilizační využití iontové energie.
• Iontové trysky se opakovaně objevují ve franšíze Star Wars, zejména v stíhačce Twin Ion Engine (TIE) .
• Ve hře Space Engineers se jako primární forma pohonu ve vakuu kosmické lodi jeví iontové rakety .
• Iontové trysky jsou označovány jako metoda vesmírného pohonu na Marsu , kde se používají k pohonu kosmické lodi s posádkou Hermes mezi Zemí a Marsem.
• Ionový pohon je hlavním prostředkem pohonu kosmických lodí a letadel ve sci-fi sérii Worlds Spinning Round od TE Greene (2005, 2012, 2017)

Viz také

Reference

Bibliografie

externí odkazy

• Laboratoř tryskového pohonu/NASA
• Laboratoř elektrického pohonu a plazmatického inženýrství (CEPPE) Colorado State University
• Geoffrey A. Landis : Mezihvězdná sonda poháněná laserem
• Choueiri, Edgar Y. (2009) Nový úsvit elektrické rakety The Ion Drive
• Revoluční iontový motor, který dopravil kosmickou loď do Ceres
• Podsystémy elektrického pohonu
• Stacionární plazmové trysky

Články

• „NASA trumfne Star Trek: Ion Drive živě!“ The Daily Galaxy 13. dubna 2009.
• „The Ultimate Space Gadget: NASA's Ion Drive Live!“ The Daily Galaxy , 7. července 2009.
• Raný experimentální iontový motor je vystaven v Aerospace Discovery ve Floridském leteckém muzeu .