Obrovský elektrický raketový motor s rekordným výkonom prešiel pozemným testom pri zaťažení prevyšujúcom jeho menovité zaťaženie. Nováčik spája slušnú trakciu s hospodárnosťou. A to nám umožňuje dúfať v nové kolo vo vývoji vesmírneho priemyslu.
Iónový motor je nám dobre známy zo sci-fi románov. Princípom jeho činnosti je ionizácia plynu a jeho zrýchlenie elektrostatickým poľom. Ióny poskytujú oveľa menší ťah ako chemické palivo, takže takýto motor nebude schopný udeliť rakete ani prvú kozmickú rýchlosť. Ale ak ho vypustíte do vesmíru, môže fungovať doslova celé roky a zrýchliť loď na bezprecedentnú rýchlosť.
V niektorých vesmírne misie Takéto motory už boli použité, a to aj v japonskej kozmickej lodi Hayabusa (2005, let k asteroidu Itokawa), ako aj v americkej kozmickej lodi Dawn, ktorá odštartovala v septembri 2007 k asteroidom Vesta a Ceres.
ale nový model motor s názvom VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) bude stokrát výkonnejší ako predchádzajúce iónové motory vďaka použitiu v procese urýchľovania iónov argónu nie štandardných kovových mriežok, ale rádiofrekvenčného generátora, ktorý nie je fyzikálny. kontaktu s plynom ako mriežky.
Spoločnosť Ad Astra Rocket Company testovala doteraz najvýkonnejší plazmový raketový motor. VASIMR VX-200 (o ktorom sme hovorili nie príliš dávno) pracoval vo vákuovej komore s výkonom 201 kW, čím po prvýkrát prekonal hranicu 200 kW. Test tiež potvrdil, že prototyp malého rozsahu VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) je schopný prevádzky na plný výkon. „Toto je dnes najvýkonnejšia plazmová raketa na svete,“ hovorí bývalý astronaut a generálny riaditeľ spoločnosti Ad Astra Franklin Chang-Diaz.
Spoločnosť uzavrela dohodu s NASA o vykonaní testovania výkonu motora na Medzinárodnej vesmírnej stanici (ISS) v roku 2013. Bude poskytovať pravidelné „šťuchnutia“ stanici, ktorá neustále klesá v dôsledku interakcie s atmosférou. V súčasnosti takéto operácie vykonávajú lodné motory s nízkym ťahom, ktoré spotrebujú asi 7,5 tony raketového paliva ročne. Znížením tohto množstva na 0,3 tony Cheng-Diaz hovorí, že VASIMR ušetrí NASA milióny ročne.
Ad Astra má ale ambicióznejšie plány. Napríklad misie na Mars vo vysokej rýchlosti. 10-MW alebo 20-MW modifikácia VASIMR bude schopná dopraviť ľudí na červenú planétu za 39 dní, zatiaľ čo konvenčným raketám to bude trvať šesť mesiacov, ak nie viac. Čím kratšia cesta, tým menej budú astronauti vystavení kozmickému žiareniu, ktoré je výraznou prekážkou.
Inovatívny motor môže byť prispôsobený aj na prepravu väčšieho užitočného zaťaženia v robotických misiách, hoci rýchlosť letu sa zníži. Cheng-Diaz pracuje na vývoji konceptu VASIMR od roku 1979, dlho predtým, ako v roku 2005 založil firmu. Technológia zahŕňa použitie rádiových vĺn na zahrievanie plynov (vodík, argón, neón) na vytvorenie vysokoteplotnej plazmy. Magnetické polia ho vytláčajú z motora, čo vytvára prúdový ťah. V dôsledku vysokých otáčok, ktoré sa dosahujú kontinuálnym procesom ich zvyšovania, sa spotrebuje oveľa menej paliva ako pri konvenčných motoroch. Dizajn VASIMR navyše nemá fyzický kontakt medzi elektródami a plazmou, čo znamená dlhšiu životnosť.
Ako funguje VASIMR v testovacej komore si môžete pozrieť v tomto videu. Je pravda, že odkazuje na starý test, počas ktorého zariadenie spotrebovalo iba 179 kilowattov. Z toho 30 kW sa použilo v prvej časti motora na vytvorenie plazmy a 149 kW na jej ohrev a zrýchlenie v druhej komore.
Za pripomenutie stojí americká medziplanetárna kozmická loď Dawn, ktorá odštartovala na jeseň 2007 (k prvému cieľu Veste dorazí v roku 2011). Na zrýchlenie smerom k pásu asteroidov používa Dawn tri iónové motory, z ktorých každý vyvinie maximálny ťah 90 millinewtonov.
„Toto je totožné s hmotnosťou jedného kusu papiera zo zápisníka,“ obrazne vysvetľuje NASA. Aký to má preboha zmysel? Faktom je, že „iónové motory“ sú asi 10-krát účinnejšie ako chemické raketové motory. Konkrétne, špecifický impulz zariadení na Dawn je 3100 sekúnd.
Na prácu 2100 dní im teda postačí 425 kilogramov pracovnej tekutiny (xenónu). Aj keď zrýchlenie Dawn nemusí byť okom viditeľné, celkové zvýšenie rýchlosti počas celej misie bude asi 10 kilometrov za sekundu.
A samotné zariadenie sa ukázalo byť relatívne ľahké (tona a štvrť). Preto na jeho vypustenie zo Zeme bola potrebná raketa menšej triedy (Delta II), a teda lacnejšia v porovnaní s tým, čo by bolo potrebné na zdvihnutie na obežnú dráhu hypotetického prieskumníka asteroidov postaveného na báze chemických motorov.
Špecifický impulz inštalácie VX-200 je asi 5000 sekúnd. Vo všeobecnosti sa môže meniť, čo sa odráža v názve zariadenia. Väčšiu účinnosť je možné dosiahnuť s nízkym ťahom, menej - s maximálnym ťahom.
Týmto spôsobom môžete meniť prevádzkový režim hnacieho motora v závislosti od cieľov misie kozmickej lode. Niekde si môžete dovoliť minúť o niečo viac pracovnej tekutiny, ale skrátiť čas letu, niekde naopak môžete úlohu dokončiť v dlhšie obdobie, avšak s minimálnou spotrebou paliva, a teda minimálnou hmotnosťou zariadenia.
Tu je potrebné poznamenať, že VASIMR tvrdí, že je to nejaký druh prechodnej možnosti na generovanie ťahu vo vesmíre. Medziľahlý medzi chemickými urýchľovačmi (silnými, no nenásytnými) a extrémne miniatúrnymi elektrickými raketovými motormi, ktorých účinnosť môže byť oveľa vyššia ako dokonca aj u VX-200, no ťah bude len zlomok gramu.
VASIMR má oproti svojim konkurentom z oblasti elektrických raketových motorov vo všeobecnosti ešte jednu výhodu: v ňom plazma v žiadnom bode neprichádza do kontaktu s časťami zariadenia, ale iba kontaktuje polia.
To znamená, že zariadenie od Ad Astra bude schopné fungovať dlhé mesiace a dokonca roky bez degradácie dizajnu – čo je potrebné na urýchlenie kozmickej lode na ceste do hlbín slnečnej sústavy alebo korekciu obežnej dráhy satelitov. Klasické iónové raketové motory majú boľavé miesto – eróziu elektródových mriežok. VASIMR ich jednoducho nemá.
Ad Astra Rocket má rozsiahle plány na využitie VASIMR v mnohých projektoch. Na ISS by sa teda podľa dohody s americkou vesmírnou agentúrou z roku 2013 mala testovať letová verzia VX-200 s názvom VF-200-1. V súčasnosti vyvíjané zariadenie bude založené na všeobecnom dizajne VX-200, ale bude pozostávať z dvoch prakticky paralelných motorov, každý s výkonom 100 kilowattov.
(Zaujímavé je, že Ad Astra Rocket rokuje o doručení VF-200-1 na stanicu pomocou súkromnej nosnej rakety od SpaceX alebo Orbital Sciences).
VF-200-1 sa pokúsi zdvihnúť obežnú dráhu stanice, ktorá sa pravidelne „prepadáva“ v dôsledku slabého brzdenia vo zvyškoch atmosféry prítomného aj vo výške 400 kilometrov. VF-200-1 sa bude na krátky čas (niekoľko minút) prerušovane zapínať. A keďže výkon, ktorý odoberá zo siete, je veľmi veľký, motor musí spotrebovať energiu uloženú v špeciálnych batériách, ktoré sa naopak budú počas prestávok v prevádzke plazmového urýchľovača postupne dobíjať zo solárnych panelov ISS.
Ak je test úspešný, stanica môže byť prevedená na tento spôsob zvyšovania obežnej dráhy. A to sľubuje značné úspory. Veď súčasná možnosť zvýšenia obežnej dráhy (pomocou chemických motorov dopravných zásobovacích lodí) znamená spotrebu 7,5 tony paliva ročne, pričom VASIMR si na rovnaký účel vyžiada 300 kilogramov argónu ročne. Vyhliadky na technológiu sú ešte lákavejšie.
Spoločnosť verí, že na základe jedného alebo viacerých VF-200-1 je možné postaviť bezpilotné nákladné vozidlo, ktoré prepraví veľké náklady z nízkej obežnej dráhy Zeme na obežnú dráhu Mesiaca. Tieto motory by získavali energiu zo solárnych panelov.
Takéto zariadenie by si s najväčšou pravdepodobnosťou vyžadovalo palubnú jadrovú elektráreň – solárne panely požadovaného výkonu by boli jednoducho obludne veľké.
Odborníci už dlho hovoria, že elektrické raketové motory pre misie na veľké vzdialenosti „vyžadujú“ jadrovú energiu. V súčasnosti neexistujú žiadne zásadné alebo neriešiteľné ťažkosti pri budovaní takéhoto generátora.
Nie všetky otázky týkajúce sa zložitosti fungovania samotného VASIMR boli vyriešené. Vedci musia zvýšiť celkovú efektivitu systému a nájsť Najlepšia cesta zbavenie sa prebytočného tepla odvádzaného takýmto motorom. Ale vo všeobecnosti sa technológia už blíži do štádia, keď by výlučne pozemné experimentálne inštalácie mali viesť k úpravám určeným na vysielanie na obežnú dráhu. Chan-Diaz a jeho kolegovia veria, že komerčné verzie motorov VASIMR by sa mohli dostať na trh v roku 2014.
Účel práce: študovať históriu iónového motora, zvážiť vyhliadky na jeho použitie v blízkej budúcnosti a vykonať výpočty súvisiace s jeho použitím.
Pri vykonávaní práce boli stanovené tieto úlohy:
nájsť, študovať a analyzovať literatúru o iónových motoroch
vytvoriť krátky úvodný kurz o histórii vzniku, aplikácie a princípoch fungovania iónových motorov
Po analýze výsledkov uskutočnených vesmírnych letov vykonajte moje výpočty, aby ste získali potrebné informácie o lete, ktorý modelujem
vyvodiť závery
Bola predložená hypotéza: iónový motor má oproti konvenčným raketovým motorom určité výrazné výhody, vďaka čomu je jeho použitie sľubné.
V práci boli použité nasledujúce výskumné metódy:
analýza
syntéza
modelovanie
meranie
Predmet výskumu: Iónový motor
Relevantnosť témy:
Človek sa snaží vidieť a dostať sa do vecí, ktoré sú mu čoraz vzdialenejšie.vesmírne miesta. A pre úspešný rozvoj ľudstva v tomto odvetví,je potrebné neustále zlepšovať používanie kozmických lodínové technológie, ktoré umožňujú optimalizáciu spotreby paliva, zvýšeniekapacita atď. Iónový motor je celkom výhodný vďakanízka spotreba paliva, čo znamená, že ho v budúcnosti dokáže nahradiťkonvenčné motory a pomáhajú človeku pri ďalšom prieskume vesmíru.
Hypotéza: Iónový pohon má oprotivyužívajú konvenčné raketové motorysľubný.
Definícia
Iónový motor - typ elektrického raketového motora, princípdielo, ktoré je založené na vytvorení prúdového ťahu na základeionizovaný plyn zrýchlený na vysoké rýchlosti v elektrickomlúka.
Princíp činnosti
Princípom činnosti motora je ionizácia plynu a zrýchlenieelektrostatické pole. Navyše kvôli vysokému pomeru nabitiana hmotnosť, je možné urýchliť ióny na veľmi vysoké rýchlosti. V iónovom motore tak možno dosiahnuť veľmi vysoký špecifický impulz, ktorý môže výrazne znížiť spotrebu reaktívnej hmoty ionizovaného plynu, ale vyžaduje veľké množstvo energie.Xenón sa dodáva do ionizátora, ktorý je sám o sebe neutrálny, ale keďbombardované vysokoenergetickými elektrónmi ionizuje. TakžeV komore sa tak vytvorí zmes kladných a záporných iónovelektróny. Na „filtrovanie“ elektrónov sa do komory vloží trubicas katódovými mriežkami, ktoré priťahujú elektróny.Pozitívne ióny sú priťahované do extrakčného systému, ktorý pozostáva z2 alebo 3 mriežky. Medzi mriežkami sú zachované veľké rozdielyelektrostatické potenciály (+1090 voltov na internom oproti – 225 naexterné). V dôsledku toho, že sa ióny dostanú medzi mriežky, zrýchľujú asú podľa tretieho zákona vrhané do vesmíru, pričom zrýchľujú loďNewton.Elektróny zachytené v katódovej trubici sú vymrštené spod motoramalý uhol k tryske a toku iónov. To sa deje tak, že ióny„Neutralizovaní“ teda neboli vtiahnutí späť na loď.
Príbeh
Princíp iónového motora je známy už pomerne dlho a je široko zastúpený v literatúre sci-fi, počítačových hrách a kinematografii, no pre kozmonautiku sa stal dostupným až nedávno. V roku 1960 bol zostrojený prvý fungujúci iónový elektrostatický motor so širokým lúčom (vytvorený v USA v NASA Lewis Research Center). V roku 1964 prvá úspešná suborbitálna demonštrácia iónového pohonu (SERT I), test uskutočniteľnosti neutralizácie iónového lúča vo vesmíre. V roku 1970 - test pre dlhá práca Ortuťové iónové elektrostatické trysky vo vesmíre (SERT II). Od 70. rokov 20. storočia sa v ZSSR ako navigačné motory používali iónové motory s Hallovým efektom (motory SPT-60 sa používali v 70. rokoch na Meteoroch, SPT-70 na satelitoch Cosmos a Luch v 80. rokoch, SPT-100 na viacerých satelity v 90. rokoch 20. storočia). Iónový motor bol prvýkrát použitý ako hlavný (pohonný) motor na kozmickej lodi Deep Space 1 (prvý štart motora 10. novembra 1998). Ďalšími vozidlami boli európska lunárna sonda Smart-1, vypustená 28. septembra 2003, a japonská kozmická loď Hayabusa, vypustená k asteroidu v máji 2003. Ďalším vozidlom NASA s udržovacím iónovým motorom bolo práce) kozmická loď Dawn, ktorá odštartovala 27. septembra 2007. Dawn je navrhnutý na prieskum Vesta a Ceres a nesie tri motory NSTAR, úspešne testované na Deep Space 1. Európska vesmírna agentúra nainštalovala iónový motor na palubu satelitu GOCE, ktorý bol vypustený 17. marca 2009 na ultra nízku obežnú dráhu Zeme. nadmorskej výške len asi 260 km. Iónový motor vytvára konštantný impulz, ktorý kompenzuje atmosferické trenie a iné negravitačné vplyvy na satelit.
Pripravované vesmírne programy
V blízkej budúcnosti plánuje ESA (Európska vesmírna agentúra) spolu s JAXA (Japonská vesmírna agentúra) a Roskosmos využiť iónový pohon v misii BepiColombo Mercury (apríl 2018). Dve orbitálne stanice budú cestovať k planéte na jednom transportnom module, Mercury Transfer Module (MTM). BepiColombo bude používať iónové motory testované na module Smart-1.
NASA vedie projekt Prometheus, pre ktorý sa vyvíja výkonný iónový motor poháňaný elektrinou z palubného jadrového reaktora. Predpokladá sa, že osem z týchto motorov dokáže zrýchliť zariadenie na 90 km/s. Prvé zariadenie tohto projektu, Jupiter Icy Moons Explorer, sa plánovalo poslať na Jupiter v roku 2017, ale vývoj tohto zariadenia bol v roku 2005 pozastavený kvôli technickým ťažkostiam. V súčasnosti prebieha hľadanie jednoduchšieho dizajnu AMS pre prvý test programu Prometheus.
Možnosť dodania nákladu
Kvôli miernemu zrýchleniu je rozumnejšie na medziplanetárne (alebo iné diaľkové) lety (na ktoré už bol neraz použitý) používať zariadenia s iónovým motorom.
A ak porovnáte charakteristiky konvenčných a iónových motorov v danom čase, výhody použitia druhého budú jasne viditeľné. Vďaka menšiemu množstvu paliva sa zvýši užitočná hmotnosť, znížia sa hotovostné náklady na palivo a samotné zariadenie dosiahne cieľ rýchlejšie a dosiahne rýchlosť oveľa vyššiu ako vozidlá s inými typmi motorov.
Uskutočnil som svoje výpočty, aby som zistil, ako dlho bude trvať prístroj s hmotnosťou a inými hmotnosťami, ktoré som určil. technické vlastnosti sa bude môcť dostať na Mars pomocou iónového motora ako hlavného. Ako základ som vzal údaje zariadenia Dawn, ktoré som už zavolal, a niektoré jeho letové údaje.
Ako motor som vo výpočtoch použil xenónový iónový motor aparatúry Dawn, vyvinutý na základe vzorky testovanej na sonde Deep Space 1 s ťahom 30 mN a špecifickým impulzom 3100 s.
Pomocou približného diagramu letu a manévrov som vypočítal, že celková dĺžka trajektórie je ~1 miliarda km.
Pomocou letových údajov som zistil, že jeden motor spotreboval ~275 kg xenónu na let zo Zeme na Vestu; potom som koreláciou dĺžok letových trajektórií na Mars a Vestu vypočítal, že len 100 kg xenónu by bolo potrebné pre jeden motor.
Rozhodol som sa nainštalovať 3 motory s týmito charakteristikami na navrhované vozidlo, v dôsledku čoho by hmotnosť paliva s malou rezervou mala byť ~ 325 kgVybral som si účel tohto zariadenia na prepravu nákladu zo Zeme na Mars jedným smerom. Za takýchto podmienok bude hmotnosť nákladného vozidla pozostávať z: 325 kg paliva, 250 kg softvérového vybavenia a určitej hmotnosti prepravovaného nákladu. Napríklad som bral 600 kg, 1 t a 5 t.Pomocou vzorcov pre rovnomerne zrýchlený pohyb som zistil, že zariadenie dosiahne cieľ až po 3,5 roku, 4,5 roku a asi 10 rokoch pri konečnej rýchlosti 17, 13 a 6 km/s, ktorú bude potrebné pri priblížení znížiť. Mars. Nakoniec som dostal dosť slabý nepriaznivý výsledok, ale na 3 motory s tak malým ťahom tento výsledok nie je zlý. V budúcnosti si ako základ vezmem dáta z výkonnejších, modernejších a pokročilejších iónových motorov, prípadne vytvorím a vypočítam charakteristiky vlastného modelu.
- Prevádzka lineárnych urýchľovačov častíc vyžaduje veľa energie. Jedinou technológiou, ktorá dnes existuje a ktorá nám umožňuje získať potrebné množstvo energie v požadovanom čase, je jadrový reaktor na palube lode. V tomto prípade však zariadenie prestáva byť úplne bezpečné.Iónový motor sa zrýchľuje pomaly, takže ho nemožno použiť na uvedenie kozmickej lode na obežnú dráhu Zeme. Je funkčný len pre loď, ktorá je už vo vesmíre.
Zhrnutie
Domnievam sa, že v súčasnosti je iónový motor jedným z naozaj najperspektívnejších zariadení na pohyb vo vesmíre, ktorý má celý riadok výhody oproti iným typom motorov.
Vedci už vybavujú satelity a malé vesmírne stanice, ktoré skúmajú iné planéty, iónovými motormi, aby stabilizovali vozidlá vo vesmíre aj ako hlavný motor.
Vďaka svojim špecifickým výhodám možno v budúcnosti práve iónový motor rozhýbe obrovské medziplanetárne a medzigalaktické hviezdne lode s množstvom ľudí na palube.
Záver
Ciele a zámery stanovené v projekte boli dosiahnuté. Študoval som, ako funguje iónový pohon, zvažoval som výhody a nevýhody jeho používania a dozvedel som sa o hlavných vesmírnych programoch zahŕňajúcich tento typ pohonu. V budúcnosti je možné prácu zlepšiť vykonaním presnejších výpočtov v ďalších možných oblastiach použitia iónového motora na základe iných oficiálnych údajov a tiež zostavením pracovného modelu iónového motora.
Človek sa do vesmíru dostal vďaka raketovým motorom na kvapalné a tuhé palivo. Spochybnili však aj efektivitu vesmírnych letov. Aby sa relatívne malá aspoň „chytila“, je inštalovaná na vrchole impozantne veľkej nosnej rakety. A samotná raketa je v skutočnosti lietajúci tank, ktorého leví podiel na hmotnosti je určený na palivo. Keď sa to všetko spotrebuje do poslednej kvapky, na palube lode zostane skromná zásoba.
Aby nespadol na Zem, periodicky zvyšuje svoju obežnú dráhu impulzmi. Palivo pre nich - približne 7,5 tony - dodávajú automatické lode niekoľkokrát do roka. Žiadne takéto tankovanie sa ale cestou na Mars neočakáva. Nie je čas dať zbohom zastaraným dizajnom a obrátiť svoju pozornosť na pokročilejší iónový motor?
Aby to fungovalo, nepotrebuje šialené množstvo paliva. Len plyn a elektrina. Elektrina vo vesmíre sa vyrába zachytávaním svetla zo Slnka pomocou solárnych panelov. Čím ďalej od hviezdy, tým menšia je ich sila, takže budete musieť použiť viac Plyn vstupuje do primárnej spaľovacej komory, kde je bombardovaný elektrónmi a ionizovaný. Výsledná studená plazma sa posiela na ohrev a potom do magnetickej dýzy na zrýchlenie. Iónový motor vyvrhuje horúcu plazmu rýchlosťou neprístupnou pre bežné raketové motory. A získa potrebné zrýchlenie.
Princíp činnosti je taký jednoduchý, že demonštračný iónový motor si môžete zostaviť vlastnými rukami. Ak je elektróda v tvare veterníka vopred vyvážená, umiestnená na hrot ihly a aplikované vysoké napätie, na ostrých koncoch elektródy sa objaví modrá žiara, ktorá vzniká tým, že z nich padajú elektróny. Ich odtok vytvorí slabú reaktívnu silu, elektróda sa začne otáčať.
Bohužiaľ, iónové motory majú taký slabý ťah, že nedokážu zdvihnúť kozmickú loď z povrchu Mesiaca, nehovoriac o pozemnom štarte. Najjasnejšie to možno vidieť porovnaním dvoch lodí smerujúcich na Mars. Loď s kvapalinovými motormi začne let po niekoľkých minútach intenzívneho zrýchľovania a pri Červenej planéte strávi o niečo menej času brzdením. Loď s iónovými motormi bude dva mesiace zrýchľovať v pomaly sa odvíjajúcej špirále a rovnaká operácia ju čaká aj v okolí Marsu...
A predsa, iónový motor už našiel svoje uplatnenie: je vybavený množstvom bezpilotných kozmických lodí vyslaných na dlhodobé prieskumné misie na blízke i vzdialené planéty slnečnej sústavy, v páse asteroidov.
Iónový motor je tá istá korytnačka, ktorá predbehne Achilla s flotilou. Po spotrebovaní všetkého paliva v priebehu niekoľkých minút sa kvapalný motor navždy odmlčí a stane sa zbytočným kusom železa. A tie plazmové môžu fungovať roky. Je možné, že budú vybavené prvou kozmickou loďou, ktorá bude cestovať podsvetelnou rýchlosťou k hviezde najbližšie k Zemi. Očakáva sa, že let bude trvať len 15-20 rokov.
NASA dokončila testy pohonného systému, ktorý beží na ionizovanom plyne, ktoré sa začali v júni 2005. Teraz môže byť vybavený kozmickými loďami, ktoré ich zrýchľujú na predtým bezprecedentnú rýchlosť.
Testuje sa xenónový motor novej generácie. (Foto: NASA.)
Iónové motory, často uvádzané v sci-fi, sa v praxi používali už v 70. rokoch. Ťah v nich vzniká v dôsledku zrýchlenia ionizovaného plynu v elektrostatickom poli.
Výhodou takýchto systémov diaľkového ovládania v porovnaní s tradičnými chemickými riešeniami je ich vysoká účinnosť, a to schopnosť zrýchliť zariadenie na desiatky kilometrov za sekundu pri nízkej spotrebe paliva. Je pravda, že sa to už deje vo vesmíre, keď iónový motor pracuje dlhú dobu: jeho štartovací ťah je malý. Preto sa táto schéma začala používať pomerne nedávno ako hlavný systém, ktorý poháňa kozmickú loď.
Priekopníkom iónového pohonu bola americká kozmická loď Deep Space 1, vypustená v roku 1998. Nasledovali európske a japonské sondy a posledným doteraz veľkým projektom bola automatická medziplanetárna stanica Dawn, ktorú NASA vyslala na výskum asteroidu Vesta a trpasličej planéty Ceres.
Iónový motor Dawn sa stal modelom pre vytvorenie xenónového systému NASA Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) Vývojári z Glenn Research Center a Aerojet simulovali širokú škálu misií, v ktorých by sa takýto pohonný systém dal použiť.
Od roku 2005 NEXT odpracoval 35,5 tisíc hodín, čo je o 5 tisíc viac ako doterajší rekord. Na experimenty bolo potrebných 600 kg xenónu. Na základe testovacích modelov inžinieri navrhli pohonný systém niekoľkých iónových motorov, ktorých životnosť presiahne 6 rokov a teraz si NASA môže už len vyberať, ktoré misie budú pohodlnejšie prevádzkovať pri vývoji. Možno práve tu príde vhod vesmírny program navrhnutý Národnou akadémiou vied USA na ďalšie desaťročie?
Zdroj: Computerra-Online
Iónový motor
Iónový motor je typ elektrického raketového motora. Jeho pracovnou kvapalinou je ionizovaný plyn (argón, xenón, cézium...).
Princíp fungovania
Princípom činnosti motora je ionizácia plynu a jeho zrýchlenie elektrostatickým poľom. Zároveň je vďaka vysokému pomeru náboja k hmotnosti možné urýchliť ióny na veľmi vysoké rýchlosti (až 210 km/s v porovnaní s 3-4,5 km/s pre chemické raketové motory). Tak je možné v iónovom motore dosiahnuť veľmi vysoký špecifický impulz. To umožňuje výrazne znížiť spotrebu reaktívnej hmoty ionizovaného plynu v porovnaní so spotrebou reaktívnej hmoty v chemických raketách, ale vyžaduje veľké množstvo energie. Nevýhodou motora v jeho súčasnej realizácii je veľmi slabý ťah (rádovo v desatinách newtonu). Na štart z planéty teda nie je možné použiť iónový motor, ale na druhej strane vo vesmíre, ak motor pracuje dostatočne dlho, je možné zrýchliť kozmickú loď na rýchlosti, ktoré sú v súčasnosti neprístupné pre akýkoľvek iný existujúci typ motora.
Existujúce implementácie využívajú solárne panely na podporu prevádzky motora. Ale táto metóda je neprijateľná pre prácu v hlbokom vesmíre. Preto sa už niekedy na tieto účely využívajú jadrové zariadenia.
Princíp iónového motora je známy už pomerne dlho a je široko zastúpený v literatúre sci-fi, počítačových hrách a kinematografii, no pre kozmonautiku sa stal dostupným až nedávno.
V roku 1960 bol skonštruovaný prvý fungujúci širokopásmový iónový elektrostatický motor (vytvorený v USA v NASA Lewis Research Center). V roku 1964 prvá úspešná suborbitálna demonštrácia iónového pohonu (SERT I) testovala uskutočniteľnosť neutralizácie iónového lúča vo vesmíre.
V roku 1970 sa uskutočnila dlhodobá prevádzková skúška elektrostatických trysiek ortuťových iónov vo vesmíre (SERT II). Od 70. rokov 20. storočia sa v ZSSR ako navigačné motory používali iónové motory s Hallovým efektom (motory SPT-60 sa používali v 70. rokoch na Meteoroch, SPT-70 na satelitoch Cosmos a Luch v 80. rokoch, SPT-100 na viacerých satelity v 90. rokoch 20. storočia).
Iónový motor bol prvýkrát použitý ako hlavný (pohonný) motor na kozmickej lodi Deep Space 1 (prvý štart motora 10. novembra 1998). Ďalšími zariadeniami boli európska lunárna sonda Smart-1, vypustená 28. septembra 2003, a japonská sonda Hayabusa, vypustená k asteroidu v máji 2003.
Ďalšou kozmickou loďou NASA s udržovacími iónovými motormi bola (po sérii zamrznutí a obnovení práce) kozmická loď Dawn, ktorá odštartovala 27. septembra 2007. Dawn je navrhnutý tak, aby preskúmal Vesta a Ceres, a nesie tri motory NSTAR, úspešne testované na Deep Space 1.
Európska vesmírna agentúra nainštalovala iónový motor na palubu satelitu GOCE, vypusteného 17. marca 2009 na ultranízku obežnú dráhu Zeme vo výške len okolo 260 km. Iónový motor vytvára konštantný impulz, ktorý kompenzuje atmosferické trenie a iné negravitačné vplyvy na satelit.
Perspektívy
ESA plánuje použiť iónový pohon na misii BepiColombo spoločnosti Mercury. Bude založený na motore založenom na Smart-1, ale bude výkonnejší (spustenie je naplánované na roky 2011-2012).
NASA vedie projekt Prometheus, pre ktorý sa vyvíja výkonný iónový motor poháňaný elektrinou z palubného jadrového reaktora. Predpokladá sa, že osem z týchto motorov dokáže zrýchliť zariadenie na 90 km/s. Prvé zariadenie tohto projektu, Jupiter Icy Moons Explorer, sa plánovalo poslať na Jupiter v roku 2017, ale vývoj tohto zariadenia bol v roku 2005 pozastavený kvôli technickým ťažkostiam. V súčasnosti prebieha hľadanie jednoduchšieho dizajnu AMS pre prvý test programu Prometheus.
Článok v Computerra
O použití jadrových reaktorov pre iónové motory (Membrane.ru)
BepiColombo na webovej stránke ESA
Projekt „Prometheus“ na webovej stránke NASA
Kozmická loď Dawn s iónovým pohonom odštartovala 25. septembra 2007.
Fotónové a iónové motory
Od fikcie k realite
FOTONOVÝ MOTOR - prúdový motor, ktorého ťah vzniká v dôsledku odlivu kvánt elektromagnetického žiarenia alebo fotónov. Hlavnou výhodou takéhoto motora je maximálna možná rýchlosť výfuku v rámci relativistickej mechaniky, rovná rýchlosti svetla vo vákuu. Pre raketové vozidlo je to jediný všeobecne známy spôsob, ako dosiahnuť akýkoľvek významný zlomok rýchlosti svetla pri rozumných hodnotách Tsiolkovského čísla, ktoré charakterizuje pomer hmotností nabitej a prázdnej rakety. Treba však poznamenať, že v tomto prípade hovoríme o počte Z rádovo niekoľko desiatok - stoviek, s technicky realizovanými hodnotami rádovo 10 pre viacstupňové rakety. Hlavnou nevýhodou fotónového motora je nízka účinnosť reťazca premeny energie z primárneho zdroja na fotónový prúd. Použitie anihilačnej reakcie na priamu produkciu optických a gama kvánt výrazne neznižuje závažnosť problému, pretože je potrebné vziať do úvahy straty pri ukladaní antihmoty (nehovoriac o jej produkcii) a ťažkosti so zaostrovaním. výsledné žiarenie. Okrem toho sa za reálnejšie považovalo použitie termonukleárnej plazmy ako zdroja fotónov (aj na generovanie laserového žiarenia) a využitie elektromagnetických kvánt s väčším rozsahom vlnových dĺžok („rádiový motor“). V prvom prípade zostávajú nevyriešené problémy generovania a udržiavania plazmy s potrebnými parametrami v stabilnom stave. „Rádiový motor“ výrazne zjednodušuje úlohu zamerania „prúdového prúdu“, ale výrazne znižuje účinnosť pohonného systému.
Fotónová jednotka: vesmírny prielom
Efekt emisie prachu pod vplyvom svetelného žiarenia umožní vytvorenie zaujímavého a perspektívneho typu vesmírneho pohonu pre lety na iné planéty slnečnej sústavy. Pri vystavení svetlu a teplu častice prachu vzdorujú gravitácii a vystreľujú nahor. Tento efekt, ktorý zohral dôležitú úlohu pri vzniku planét a asteroidov, môže nájsť praktické uplatnenie aj v zariadeniach na odstraňovanie prachu, ako aj v motoroch marťanských sond a pri tvorbe nového typu vesmírnej plachty.
Keď je vrstva prachu vystavená červenému laserovému žiareniu, pozoruje sa tryskajúca emisia častíc, ktorá pripomína erupciu malej sopky. Po komplexnom štúdiu tohto javu vedci Gerhard Wurm a Oliver Krauss z univerzity v Münsteri dospeli k záveru, že jeho výskyt je spojený s fotoforézou a „skleníkovým efektom“ v pevnom stave, uvádza PhysOrg.
Fotoforéza – alebo pohyb častíc pod vplyvom svetla – je založený na dlho známom efekte nazývanom termoforéza, teda pohyb častíc pod vplyvom tepla. V prostrediach s teplotnými gradientmi sa častice budú pohybovať z teplejších do chladnejších oblastí. Keď je zdrojom tepla energia absorbovaného svetla, tento proces sa nazýva fotoforéza.
Fotónový motor je motor, ktorého ťah vzniká vďaka odlevu kvánt e/magnetického žiarenia alebo fotónov. Vyhadzovanie častíc grafitového prášku (vo vložke dochádza k „erupcii“ sklovitých uhlíkových častíc).
Fotónový pohon – je to realita?
Okrem gradientu povrchovej teploty zohráva pri erupciách prachu úlohu aj „skleníkový efekt“ v tuhom stave. Skleníkový efekt nastáva, pretože laserový lúč najsilnejšie zahrieva prachové častice, ktoré sa nachádzajú o niečo hlbšie ako povrchové vrstvy (aspoň v hĺbke 100 mikrónov, čo je niekoľko desiatok vrstiev častíc).
Vedci vypočítali, že na uvoľnenie jednej sférickej častice s veľkosťou 1 mikrón je potrebná sila približne 10-7 N. „Pozorovali sme, že častice stúpajú do priemernej výšky 5 cm,“ hovorí Dr. Wurm. zväčšiť na 10 cm", ale to nie je limit. Limit pravdepodobne závisí od rozloženia a veľkosti častíc, sily ich vzájomnej adhézie a výkonu laserového lúča."
Pri výkone 50 mW preniká žiarenie do vrstvy prachu do hĺbky niekoľkých milimetrov. Teplota má tendenciu klesať s rastúcou hĺbkou, ale v skutočnosti dosahuje maximum nie na povrchu, ale v hĺbke 100 µm. V blízkosti povrchu sa tak vytvorí opačný teplotný gradient, ktorý spôsobí erupciu prachových častíc. Počas experimentov sa tiež zistilo, že v priebehu niekoľkých desiatok sekúnd po vypnutí lasera sa bod maximálneho teplotného gradientu vplyvom prudkého ochladzovania povrchu premieša hlbšie, čím sa pevnosť fotoforézy ešte zvýši.
Fotoforéza sa najlepšie pozoruje pri nízkom tlaku. Experimenty prebiehali pri tlaku 10 milibarov, čo je približne 0,01 normálneho atmosférického tlaku Zeme, takže vplyv fotoforézy na zemský prach je zanedbateľný. V počiatočných štádiách tvorby planét a hviezd však nízkotlaková fotoforéza pravdepodobne zohrala významnú úlohu pri tvorbe plynových a prachových diskov, čo následne viedlo k vytvoreniu asteroidov a iných kozmických objektov v Kuiperovom páse.
Vedci sa domnievajú, že v budúcnosti môže fotoforéza nájsť praktické uplatnenie v riedkej atmosfére Marsu. Túto technológiu možno napríklad použiť na automatických výskumných staniciach na odstránenie prachu z jednotiek solárnych článkov a šošoviek optických prístrojov. Vedci navyše plánujú vytvoriť slnečnú plachtu, ktorá by namiesto tlaku žiarenia využívala silu fotoforézy. Takáto plachta, pripomínajúca rybársku sieť a fungujúca na základe negatívnej fotoforézy, podľa fyzikov dokáže poháňať malé sondy. Plachta 10x10 m unesie užitočné zaťaženie s hmotnosťou niekoľko desiatok kilogramov len vďaka „pasívnemu“ žiareniu Slnka.
Iónový motor: vesmírny prielom
IÓNOVÝ MOTOR - v sobotu 30.9.2003 bola výskumná stanica Európskej vesmírnej agentúry SMART 1 úspešne vynesená do vesmíru z kozmodrómu Kourou nosnou raketou Ariane 5. Družica vznikla na objednávku ESA (Európska vesmírna agentúra , Európska vesmírna agentúra) švédskou vesmírnou korporáciou za účasti takmer 30 subdodávateľov z 11 európske krajiny a USA. Celkové náklady na projekt boli 110 miliónov eur.
SMART 1 je prvá robotická sonda ESA na prieskum Mesiaca. Zároveň ide o unikátnu výskumnú stanicu nového typu, prvú v nový program ESA s názvom Small Missions for Advanced Research in Technology. Počas programu sa plánuje otestovať množstvo nových technológií, napríklad komunikáciu v Ka-pásme a laserovú komunikáciu, autonómnu navigáciu a mnohé ďalšie.
S pomerne veľkým množstvom vybavenia sa SMART 1 vyznačuje nízkou hmotnosťou (370 kg vrátane vedeckého vybavenia - 19 kg) a kompaktnosťou. So zloženými solárnymi panelmi je to obdĺžnik o veľkosti metra. Cena SMART 1 je približne päťkrát nižšia ako cena typickej medziplanetárnej stanice ESA. Ale najviac Hlavná prednosť Nová kozmická loď spočíva v tom, že po prvý raz v histórii astronautiky bude ako hlavný motor použitý iónový motor. ESA plánuje zahrnúť ďalšie dve vozidlá vybavené systémom iónového pohonu. Sú to BepiColombo na štúdium Merkúra a Solar Orbiter na štúdium Slnka.
Iónový motor nainštalovaný na SMART 1 spotrebuje 1350 wattov elektriny vyrobenej solárnymi panelmi a vyvinie ťah 0,07 Newtona, čo je približne hmotnosť pohľadnice. Pracovnou látkou je xenón (zásoba paliva 82 kg). Stanici zároveň trvalo 16 mesiacov, kým vstúpila na eliptickú polárnu dráhu okolo Mesiaca. Vypustenie SMART 1 na zamýšľanú obežnú dráhu bol zložitý viacstupňový proces pozostávajúci z etáp.
Presne povedané, iónové motory už boli nainštalované na kozmických lodiach – v posledných rokoch najmä na výskumnej stanici NASA Deep Space 1 (DS 1) a na experimentálnom geostacionárnom komunikačnom satelite ESA Artemis. V druhom prípade sa vďaka prítomnosti iónových motorov na palube podarilo zachrániť satelit, ktorý sa zdal byť úplne stratený za cenu miliónov dolárov.
Abnormálna prevádzka horného stupňa nosnej rakety Ariane 5, ktorá vyniesla družicu Artemis na obežnú dráhu, viedla k tomu, že obežná dráha Artemis bola výrazne nižšia ako vypočítaná. To zvyčajne vedie k strate satelitu. Ak predstavuje hrozbu pre inú kozmickú loď, je potopená (ťažká kozmická loď) alebo „spálená“ v atmosfére. Artemis však tomuto smutnému osudu unikla.
Vďaka naliehavým opatreniam a za cenu vyčerpania takmer celej zásoby chemického paliva na palube sa podarilo družicu preniesť na kruhovú obežnú dráhu vo výške 31-tisíc km. Potom však bolo potrebné preniesť Artemis na vypočítanú geostacionárnu (nadmorská výška asi 36 tisíc km). Potom bolo rozhodnuté použiť štyri iónové motory inštalované na palube v pároch. Pôvodne boli určené na ovládanie orientácie (naklonenia) satelitu. Na uskutočnenie prechodu bol vektor ťahu motorov nasmerovaný kolmo na obežnú rovinu. Ale pre záchranu zariadenia bolo potrebné dať mu impulz v orbitálnej rovine, a tak ho preniesť na vyššiu geostacionárnu dráhu. Artemis bolo potrebné otočiť o 90 stupňov od jeho normálnej orientácie.
Najkomplexnejšia záchranná operácia si vyžiadala vývoj „za behu“ novej stratégie akcie, nových režimov satelitného riadenia a fungovania palubných zariadení. Bolo potrebné upraviť 20% celej paluby softvér. A napriek tomu bola operácia veľmi úspešná. O jeho komplexnosti svedčí fakt, že len na preprogramovanie palubného riadiaceho systému bolo potrebné stiahnuť zo Zeme upravené softvérové bloky v celkovom objeme 15 tisíc slov. Išlo o najväčšiu operáciu na preprogramovanie telekomunikačného satelitu zo Zeme.
Napriek skromnému ťahu (iba 15 millinewtonov) sa Artemis začala „šplhať“ na vypočítanú obežnú dráhu a stúpala 15 km za deň. Celá záchranná akcia trvala 18 mesiacov. Artemis sa 31. januára 2003 ocitla presne tam, kde mala byť pred rokom a pol. Prvá záchranná operácia na svete, ktorej výsledok úplne závisel od spoľahlivosti iónových motorov a koordinovaného konania ľudí na Zemi, bola úspešná. Satelit, ktorý bol považovaný za beznádejne stratený, začal normálne fungovať.
Konštrukcia hlavného motora SMART 1 sa výrazne líši od motorov inštalovaných na DS 1 a Artemis. V prípade posledných dvoch zariadení bola na urýchlenie iónov použitá mriežka s aplikovaným potenciálom (tzv. gridded ion engine). Naproti tomu SMART 1 je vybavený Hall ion motorom, ktorý je výrazne odlišný svojim dizajnom. Dôležitou výhodou motorov s Hallovým efektom je absencia mriežky, ktorá je neustále bombardovaná vysokoenergetickými iónmi, čo vedie k jej rýchlej degradácii. Čo sa týka ďalších charakteristík iónových motorov rôznych konštrukcií, situácia sa nezdá byť taká zrejmá. Vo všeobecnosti mriežkové motory produkujú vyšší špecifický impulz a spotrebujú približne polovicu paliva (pracovnej kvapaliny) ako Hallove motory. Hallove trysky však umožňujú vyvinúť väčší špecifický ťah pri rovnakej spotrebe energie. Obe konštrukcie majú svoje výhody a nevýhody a výber preferovanej možnosti závisí v každom prípade od povahy úloh, ktorým zariadenie čelí, a od jeho energetických možností.
Plazma medzi anódou a katódou iónového tryskača.
Foto: Joao Duarte / eLab hackerspace
Portugalčan João Duarte si doma zostavil jednoduchý funkčný model iónového motora. Developer zverejnil príbeh o svojom projekte na hackerspace portáli eLab. Jeho motor využíva niekoľko držiakov, stojan, puzdro a trysku vyrobenú z 3D tlačeného plastu, sedem klincov, sedem medených trubíc a vysokonapäťový transformátor.
Pri stavbe iónového motora je dôležitá vysoká elektrická vodivosť všetkých prvkov. Na jej zvýšenie Duarte potiahol nechty tenkou vrstvou medi. Nechty zbavil hrdze a potom ich spolu so zoxidovanými medenými mincami ponoril do roztoku soli a octu. Vďaka pomedeniu sa zvýšila elektrická vodivosť na povrchu nechtov.
Portugalci potom vzali medenú rúrku s priemerom dva centimetre a rozrezali ju na päť kusov, každý päť centimetrov. Duarte potom vytlačil držiaky trubíc a klincov, stojan, kryt motora a trysku. Pre efektívnu prácu iónový motor, hroty medených klincov musia byť presne v strede obvodu medených rúrok.
Duarte nešpecifikoval, v akej vzdialenosti od rúrok by mali byť klince umiestnené od rúrok, ale poznamenal, že by to malo byť rovnaké pre všetky nechty. Na reguláciu trakcie urobili Portugalci držiak s klincami pohyblivý v horizontálnej rovine. Duarte pripojil k rúrkam a klincom transformátor schopný produkovať napätie deväť kilovoltov a prúd 50 miliampérov.
V konštrukcii motora fungujú klince ako katóda a medené rúrky ako anóda. Po zapnutí napätia sa vzduch okolo nechtov ionizuje a priťahuje anódou, vzniká prúdenie vzduchu, ktoré vytvára mierny prievan za tryskou motora. Poďme sa pohybovať takto Power Point nemôže, ale je schopný kývať útržky papiera.
Koncept iónového motora ako prvý navrhol americký vedec Robert Goddard. V roku 1954 technológiu podrobne opísal vedec Ernst Stuhlinger a prvý funkčný motor bol zostavený v roku 1959 v NASA. Bol schopný pracovať 31 minút. Iónový pohonný systém bol prvýkrát použitý ako hnací motor na kozmickej lodi Deep Space v roku 1998.
Moderné iónové motory môžu pracovať nepretržite tri roky. Na vytvorenie prúdového ťahu zvyčajne používajú argón alebo xenón. Tieto inertné plyny sa urýchľujú v elektrickom poli. Pozitívne vlastnosti iónový motor má nízku spotrebu energie a paliva, a vážna nevýhoda- mikroskopický ťah až 250 millinewtonov.
