Elektrisk drevet romfartøy fremdrift - Electrically powered spacecraft propulsion

6 kW hallpropeller i drift ved NASA Jet Propulsion Laboratory

Et elektrisk drevet framdriftssystem for romfartøyer bruker elektriske, og muligens også magnetiske felt, for å endre hastigheten til et romfartøy . De fleste av disse romfartøyets fremdriftssystemer fungerer ved å elektrisk drive drivstoff ( reaksjonsmasse ) ut med høy hastighet.

Elektriske thrustere bruker vanligvis mye mindre drivmiddel enn kjemiske raketter fordi de har en høyere eksoshastighet (opererer med en høyere spesifikk impuls ) enn kjemiske raketter. På grunn av begrenset elektrisk kraft er skyvekraften mye svakere sammenlignet med kjemiske raketter, men elektrisk fremdrift kan gi skyvekraft i lengre tid.

Elektrisk fremdrift er nå en moden og mye brukt teknologi på romfartøyer. Russiske satellitter har brukt elektrisk fremdrift i flere tiår. Fra og med 2019 bruker over 500 romfartøyer operert i hele solsystemet elektrisk fremdrift for å holde stasjoner , baneheving eller primær fremdrift. I fremtiden kan de mest avanserte elektriske thrustere gi en delta-v på 100 km/s, som er nok til å ta et romfartøy til de ytre planetene i solsystemet (med kjernekraft ), men er utilstrekkelig for interstellar reise . En elektrisk rakett med en ekstern strømkilde (overførbar via laser på de fotovoltaiske panelene ) har en teoretisk mulighet for interstellar flyging . Imidlertid er elektrisk fremdrift ikke egnet for oppskytninger fra jordens overflate, siden den gir for lite skyvekraft.

På en reise til Mars kan et elektrisk drevet skip kanskje bære 70% av sin opprinnelige masse til destinasjonen, mens en kjemisk rakett bare kan bære noen få prosent.

Historie

Ideen om elektrisk fremdrift for romfartøy ble introdusert i 1911 av Konstantin Tsiolkovsky . Tidligere hadde Robert Goddard lagt merke til en slik mulighet i sin personlige notatbok.

Elektrisk drevet fremdrift med en atomreaktor ble vurdert av Tony Martin for interstellar Project Daedalus i 1973, men tilnærmingen ble avvist på grunn av trykkprofilen , vekten av utstyr som trengs for å konvertere kjernekraft til elektrisitet, og som et resultat av en liten akselerasjon , som ville ta et århundre å oppnå ønsket hastighet.

Den første demonstrasjonen av elektrisk fremdrift var en ionmotor fraktet ombord på SERT-1 (Space Electric Rocket Test) romfartøy. Den ble lansert 20. juli 1964 og opererte i 31 minutter. Et oppfølgingsoppdrag ble lansert 3. februar 1970, SERT-2. Den bar to ionthrustere, den ene opererte i mer enn fem måneder og den andre i nesten tre måneder.

Ved begynnelsen av 2010-tallet, ble mange satellitt produsenter tilbyr elektriske fremdrifts alternativer på sine satellitter-hovedsakelig for on-bane holdning kontroll -Mens noen kommersielle kommunikasjonssatellittoperatørene begynte å bruke dem til geostasjonær bane innsetting i stedet for tradisjonelle kjemiske rakettmotorer .

Typer

Ion- og plasmastasjoner

Disse typer rakettlignende reaksjonsmotorer bruker elektrisk energi for å skaffe kraft fra drivstoff . I motsetning til rakettmotorer krever ikke denne typen motorer dyser , og regnes derfor ikke som sanne raketter.

Elektriske fremdriftstryttere for romfartøyer kan grupperes i tre familier basert på typen kraft som brukes til å akselerere plasmaets ioner:

Elektrostatisk

Hovedartikkel: Ion -thruster

Hvis akselerasjonen hovedsakelig skyldes Coulomb -kraften (dvs. påføring av et statisk elektrisk felt i akselerasjonsretningen) regnes enheten som elektrostatisk. Typer:

Elektrotermisk

Den elektrotermiske kategorien grupperer enheter som bruker elektromagnetiske felt for å generere et plasma for å øke temperaturen på bulkdrivstoffet. Den termiske energien som gis til drivgassen omdannes deretter til kinetisk energi av en dyse av enten fast materiale eller magnetiske felt. Lavmolekylære gasser (f.eks. Hydrogen, helium, ammoniakk) er foretrukne drivmidler for denne typen systemer.

En elektrotermisk motor bruker en dyse for å omdanne varme til lineær bevegelse, så det er en ekte rakett selv om energien som produserer varmen kommer fra en ekstern kilde.

Ytelsen til elektrotermiske systemer når det gjelder spesifikk impuls (Isp) er 500 til ~ 1000 sekunder, men overstiger den for kalde gasspropeller , monopropellantraketter og til og med de fleste bipropellantraketter . I Sovjetunionen ble elektrotermiske motorer tatt i bruk i 1971; den sovjetiske " Meteor-3 ", "Meteor-Priroda", "Resurs-O" satellittserien og den russiske "Elektro" satellitten er utstyrt med dem. Elektrotermiske systemer av Aerojet (MR-510) brukes for tiden på Lockheed Martin A2100-satellitter som bruker hydrazin som drivmiddel.

Elektromagnetisk

Hovedartikkel: Plasma fremdriftsmotor

Elektromagnetiske thrustere akselererer ioner enten av Lorentz -kraften eller av effekten av elektromagnetiske felt der det elektriske feltet ikke er i akselerasjonsretningen. Typer:

Ikke-ion-stasjoner

Fotonisk

Se også: Laserfremdrift og fotonrakett

En fotonisk stasjon samhandler bare med fotoner.

Elektrodynamisk fester

Hovedartikkel: Elektrodynamisk tether

Elektrodynamiske tetter er lange ledninger, for eksempel en som er distribuert fra en tether -satellitt , som kan operere på elektromagnetiske prinsipper som generatorer , ved å konvertere deres kinetiske energi til elektrisk energi , eller som motorer , konvertere elektrisk energi til kinetisk energi. Elektrisk potensial genereres over en ledende tether ved bevegelse gjennom jordens magnetfelt. Valget av metallet lederen som skal anvendes i en elektrofortøynings bestemmes av faktorer slik som elektrisk ledningsevne og tetthet . Sekundære faktorer, avhengig av applikasjonen, inkluderer kostnad, styrke og smeltepunkt.

Kontroversiell

Noen foreslåtte fremdriftsmetoder bryter tilsynelatende fysikklover som er kjent for tiden, inkludert:

Stødig vs. ustabil

Elektriske fremdriftssystemer kan karakteriseres som enten jevn (kontinuerlig avfyring i en foreskrevet varighet) eller ustabil (pulserende avfyringer akkumuleres til en ønsket impuls ). Disse klassifiseringene kan brukes på alle typer fremdriftsmotorer.

Dynamiske egenskaper

Ytterligere informasjon: Reaksjonsmotor § Energibruk

Elektrisk drevne rakettmotorer gir lavere skyvekraft sammenlignet med kjemiske raketter av flere størrelsesordener på grunn av den begrensede elektriske kraften som er tilgjengelig i et romfartøy. En kjemisk rakett gir energi til forbrenningsproduktene direkte, mens et elektrisk system krever flere trinn. Imidlertid tillater høy hastighet og lavere reaksjonsmasse som brukes for samme skyvekraft elektriske raketter å kjøre på mindre drivstoff. Dette skiller seg fra det typiske kjemikaliedrevne romfartøyet, hvor motorene krever mer drivstoff, noe som krever at romfartøyet stort sett følger en treghetsbane . Når den er nær en planet, kan fremdrift med lav skyvekraft ikke oppveie tyngdekraften. En elektrisk rakettmotor kan ikke gi nok skyvekraft til å løfte kjøretøyet fra en planets overflate, men en lav skyvekraft påført i et lengre intervall kan tillate et romfartøy å manøvrere nær en planet.

Se også

Referanser

Eksterne linker