Pulserende plasma thruster - Pulsed plasma thruster

En pulserende plasmapropel ( PPT ), også kjent som en plasmastråelmotor, er en form for fremdrift med romfartøy . PPT-er betraktes generelt som den enkleste formen for elektrisk romfartøydrivning og var den første formen for elektrisk fremdrift som ble fløyet i verdensrommet, etter å ha fløyet på to sovjetiske sonder ( Zond 2 og Zond 3 ) fra og med 1964. PPT-er blir vanligvis fløyet på romfartøy med en overskudd av strøm fra rikelig tilgjengelig solenergi.

Operasjon

Skjematisk utforming av en Pulsed Plasma Thruster

De fleste PPT-er bruker et fast materiale (vanligvis PTFE , mer kjent som Teflon) for drivmiddel , selv om svært få bruker flytende eller gassformige drivmidler. Den første fasen i PPT-operasjon innebærer en bue av elektrisitet som går gjennom drivstoffet, og forårsaker ablasjon og sublimering av drivstoffet. Varmen som genereres av denne buen, får den resulterende gassen til å bli plasma og derved skape en ladet gasssky. På grunn av ablasjonskraften, drives plasmaet med lav hastighet mellom to ladede plater (en anode og katode ). Siden plasmaet er ladet, fullfører drivstoffet effektivt kretsen mellom de to platene, slik at en strøm kan strømme gjennom plasmaet. Denne strømmen av elektroner genererer et sterkt elektromagnetisk felt som deretter utøver en Lorentz-kraft på plasmaet, og akselererer plasmaet ut av PPT-eksos med høy hastighet. Driftsmåten ligner på en jernbane . Pulsen oppstår på grunn av tiden det tar å lade platene etter hvert drivstoffutbrudd, og tiden mellom hver lysbue. Frekvensen av pulsering er normalt veldig høy, og derfor genererer den en nesten kontinuerlig og jevn trykk. Mens skyvekraften er veldig lav, kan en PPT operere kontinuerlig i lengre perioder, noe som gir en stor endelig hastighet.

Energien som brukes i hver puls lagres i en kondensator. Ved å variere tiden mellom hver kondensatorutladning, kan trykkraften og kraftuttaket til PPT varieres, slik at systemet blir allsidig.

Sammenligning med kjemisk fremdrift

Ligningen for endring av hastighet til et romfartøy er gitt av rakettligningen som følger:

${\ displaystyle \ Delta v = v _ {\ text {e}} \ ln {\ frac {m_ {0}} {m_ {1}}}}$

hvor:

${\ displaystyle \ Delta v \}$ er delta-v - maksimal hastighetsendring av kjøretøyet (uten eksterne krefter som virker),

${\ displaystyle v _ {\ text {e}}}$er den effektive eksoshastigheten ( hvor er den spesifikke impulsen uttrykt som en tidsperiode og er standardvekt ),${\ displaystyle v _ {\ text {e}} = I _ {\ text {sp}} \ cdot g_ {0}}$${\ displaystyle I _ {\ text {sp}}}$${\ displaystyle g_ {0}}$

${\ displaystyle \ ln}$refererer til den naturlige logaritmefunksjonen ,

${\ displaystyle m_ {0}}$ er den opprinnelige totale massen, inkludert drivstoff,

${\ displaystyle m_ {1}}$ er den endelige totale massen.

PPT har mye høyere eksoshastigheter enn kjemiske fremdriftsmotorer, men har mye mindre drivstoffstrømningshastighet. Fra Tsiolkovsky-ligningen som er angitt ovenfor, resulterer dette i en proporsjonalt høyere slutthastighet for det fremdrevne fartøyet. Eksoshastigheten til en PPT er i størrelsesorden titalls km / s, mens konvensjonell kjemisk fremdrift genererer termiske hastigheter i området 2-4,5 km / s. På grunn av denne lavere termiske hastigheten blir kjemiske fremdriftsenheter eksponentielt mindre effektive ved høyere kjøretøyhastigheter, noe som nødvendiggjør bruk av elektrisk romfart fremdrift som PPT. Det er derfor fordelaktig å bruke et elektrisk fremdriftssystem som en PPT for å generere høye interplanetære hastigheter i området 20–70 km / s.

NASAs forskning PPT (fløyet i 2000) oppnådde en eksoshastighet på 13 700 m / s, genererte en skyvekraft på 860 µN og forbrukte 70  W elektrisk kraft.

Fordeler og ulemper

PPT er veldig robuste på grunn av deres iboende enkle design (i forhold til andre elektriske romfartøy fremdriftsteknikker). Som et elektrisk fremdriftssystem drar PPT fordeler av redusert drivstofforbruk sammenlignet med tradisjonelle kjemiske raketter, noe som reduserer lanseringsmassen og dermed lanseringskostnader, samt høy spesifikk impuls som forbedrer ytelsen.

På grunn av energitap forårsaket av ablasjon sent og hurtig ledende varmeoverføring fra drivstoffet til resten av romfartøyet, er fremdriftseffektivitet (kinetisk energi av eksos / total brukt energi) veldig lav sammenlignet med andre former for elektrisk fremdrift, ved rundt bare 10%.

Bruker

PPT-er er velegnet til bruk på relativt små romfartøyer med en masse under 100 kg (spesielt CubeSats ) for roller som holdningskontroll , stasjonsholding , banebrytende manøvrer og dyp romforskning. Bruk av PPT kan doble levetiden til disse små satellittoppdragene uten å øke kompleksiteten eller kostnadene betydelig på grunn av PPTs iboende enkelhet og relativt lave kostnader.

Den første bruken av PPT-er var på den sovjetiske Zond 2- romsonden 30. november 1964.

En PPT ble fløyet av NASA i november 2000 som et flyforsøk på Earth Observing-1 romfartøy. Thrusterne demonstrerte vellykket evnen til å utføre rullestyring på romfartøyet og demonstrerte at den elektromagnetiske forstyrrelsen fra det pulserende plasmaet ikke påvirket andre romfartøysystemer. Pulserende plasmapropeller er også en forskningsvei som brukes av universiteter for å starte eksperimenter med elektrisk fremdrift på grunn av den relative enkelheten og lavere kostnader involvert i PPT, i motsetning til andre former for elektrisk fremdrift som Hall-effekt ionepropeller .

Se også

• Vakuumbuepropeller

Referanser

Eksterne linker

• "Design of a High-energy, Two-stage Pulsed Plasma Thruster" . Princeton University . Hentet 2020-06-27 .
• "EO1 Pulsed Plasma Thruster" (PDF) . Goddard Space Flight Center . Arkivert fra originalen (PDF) 2011-07-16 . Hentet 2020-06-27 .
• Ephraim Chen. "Gas-Fed Pulsed Plasma Thrusters: From Sparks to Laser Initiation" (PDF) . Princeton University . Hentet 2020-06-27 .
• Michael Bretti. "AIS-gPPT3-1C Single-Channel Gridded Pulsed Plasma Thruster" . Anvendte ionesystemer . Hentet 2020-06-27 .