Romfartøyets fremdrift - Spacecraft propulsion

Romfartøyets fremdrift er enhver metode som brukes for å akselerere romfartøyer og kunstige satellitter . Framdrift i rommet omhandler utelukkende fremdriftssystemer som brukes i romvakuumet og bør ikke forveksles med romskyting eller atmosfærisk inntreden .

Flere metoder for pragmatisk fremdrift av romfartøyer er utviklet, hver med sine egne ulemper og fordeler. De fleste satellitter har enkle pålitelige kjemiske thrustere (ofte monopropellant-raketter ) eller resistojet-raketter for å holde orbitalstasjoner, og noen bruker momentumhjul for holdningskontroll . Sovjetiske blokksatellitter har brukt elektrisk fremdrift i flere tiår, og nyere vestlige geo-bane romfartøyer begynner å bruke dem til nord-sør stasjonsholding og baneheving. Interplanetære kjøretøyer bruker også stort sett kjemiske raketter, selv om noen få har brukt ionthrustere og Hall-effekt-thrustere (to forskjellige typer elektrisk fremdrift ) til stor suksess.

Hypotetiske fremdriftsteknologier i rommet beskriver fremdriftsteknologiene som kan dekke fremtidige romvitenskaps- og letebehov . Disse fremdriftsteknologiene er ment å gi effektiv utforskning av vårt solsystem og vil tillate oppdragsdesignere å planlegge oppdrag for å "fly når som helst, hvor som helst og fullføre en rekke vitenskapelige mål på destinasjonene" og med større pålitelighet og sikkerhet. Med et bredt spekter av mulige oppdrag og kandidatfremdriftsteknologier er spørsmålet om hvilken teknologi som er "best" for fremtidige oppdrag vanskelig. En portefølje av fremdriftsteknologier bør utvikles for å gi optimale løsninger for et mangfoldig sett med oppdrag og destinasjoner.

Formål og funksjon

Fremdrift i rommet begynner der det øvre trinnet i oppskytningsvognen går av; utføre funksjonene til primær fremdrift , reaksjonskontroll , stasjonsholding , presisjonspeking og orbitalmanøvrering . De viktigste motorene som brukes i plass gir den primære fremdriftskraft for bane overføring , planet baner og ekstra planet landing og oppstigning . Reaksjonskontroll- og banemanøvreringssystemene gir fremdriftskraft for banevedlikehold, posisjonskontroll, stasjonsholding og romfartøyets holdningskontroll.

Når det er i rommet, er formålet med et fremdriftssystem å endre hastigheten, eller v , til et romfartøy. Fordi dette er vanskeligere for mer massive romfartøyer, diskuterer designere generelt romfartøyets ytelse i mengden endring i momentum per enhet drivstoff som forbrukes, også kalt spesifikk impuls . Jo høyere spesifikk impuls, desto bedre effektivitet. Ionfremdriftsmotorer har høy spesifikk impuls (~ 3000 s) og lavt trykk, mens kjemiske raketter som monopropellant- eller bipropellant -rakettmotorer har en lav spesifikk impuls (~ 300 s), men høy skyvekraft.

Ved oppskytning av et romfartøy fra jorden må en fremdriftsmetode overvinne et større gravitasjonskraft for å gi en positiv nettoakselerasjon. I bane vil enhver ytterligere impuls, til og med veldig liten, resultere i en endring i baneveien.

1) Prograde/Retrogade (dvs. akselerasjon i tangensial/motsatt i tangensiell retning) - Øker/reduserer banenes høyde

2) vinkelrett til baneplanet - Endring inklinasjon

Hastigheten til endring av hastighet kalles akselerasjon , og hastigheten på momentendring kalles kraft . For å nå en gitt hastighet kan man bruke en liten akselerasjon over lang tid, eller man kan bruke en stor akselerasjon over kort tid. På samme måte kan man oppnå en gitt impuls med stor kraft over kort tid eller liten kraft over lang tid. Dette betyr at for manøvrering i verdensrommet kan en fremdriftsmetode som produserer bittesmå akselerasjoner, men kjører over lang tid, produsere den samme impulsen som en fremdriftsmetode som gir store akselerasjoner på kort tid. Når du starter fra en planet, kan små akselerasjoner ikke overvinne planetens tyngdekraft og kan derfor ikke brukes.

Jordens overflate ligger ganske dypt i en tyngdekraftsbrønn . Den unnslipningshastighet som kreves for å komme ut av det er 11,2 kilometer / sekund. Etter hvert som mennesker utviklet seg i et gravitasjonsfelt på 1 g (9,8 m/s²), ville et ideelt fremdriftssystem for menneskelig romfart være en som gir en kontinuerlig akselerasjon på 1 g (selv om menneskekropper kan tåle mye større akselerasjoner over korte perioder). Beboerne i en rakett eller et romskip som har et slikt fremdriftssystem vil være fri for alle de negative effektene av fritt fall , som kvalme, muskelsvakhet, redusert smakssans eller utvasking av kalsium fra beinene.

Loven om bevaring av momentum betyr at for at en fremdriftsmetode skal endre momentet i et romfartøy, må den også endre momentet til noe annet. Noen få design utnytter ting som magnetfelt eller lett trykk for å endre romfartøyets momentum, men i ledig plass må raketten ta med seg masse for å akselerere vekk for å presse seg selv fremover. Slik masse kalles reaksjonsmasse .

For at en rakett skal fungere, trenger den to ting: reaksjonsmasse og energi. Impulsen som tilveiebringes ved å lansere en partikkel med reaksjonsmasse med masse m ved hastighet v er mv . Men denne partikkelen har kinetisk energi mv ²/2, som må komme et sted fra. I en konvensjonell fast , flytende eller hybrid rakett blir brennstoffet brent, som gir energi, og reaksjonsproduktene får strømme ut baksiden og gir reaksjonsmassen. I en ion -thruster brukes elektrisitet til å akselerere ioner ut bak. Her må en annen kilde gi den elektriske energien (kanskje et solcellepanel eller en atomreaktor ), mens ionene gir reaksjonsmassen.

Når man diskuterer effektiviteten til et fremdriftssystem, fokuserer designere ofte på å effektivt bruke reaksjonsmassen. Reaksjonsmassen må bæres sammen med raketten og forbrukes uigenkallelig når den brukes. En måte å måle mengden impuls som kan oppnås fra en fast mengde reaksjonsmasse er den spesifikke impulsen , impulsen per vekt-på-jord-enhet (vanligvis angitt av ). Enheten for denne verdien er sekunder. Fordi vekten på jorden av reaksjonsmassen ofte er uviktig når man diskuterer kjøretøyer i verdensrommet, kan spesifikk impuls også diskuteres når det gjelder impuls per masseenhet. Denne alternative formen for spesifikk impuls bruker de samme enhetene som hastighet (f.eks. M/s), og faktisk er den lik motorens effektive eksoshastighet (vanligvis angitt ). Forvirrende nok blir begge verdiene noen ganger kalt spesifikk impuls. De to verdiene skiller seg med en faktor g _n , standardakselerasjonen på grunn av tyngdekraften 9,80665 m/s² ( ). ${\ displaystyle I _ {\ text {sp}}}$${\ displaystyle v_ {e}}$${\ displaystyle I _ {\ text {sp}} g _ {\ mathrm {n}} = v_ {e}}$

En rakett med høy eksoshastighet kan oppnå samme impuls med mindre reaksjonsmasse. Imidlertid er energien som kreves for denne impulsen proporsjonal med eksoshastigheten, slik at mer masseeffektive motorer krever mye mer energi, og er vanligvis mindre energieffektive. Dette er et problem hvis motoren skal gi en stor skyvekraft. For å generere en stor mengde impuls per sekund må den bruke en stor mengde energi per sekund. Så motorer med høy masseeffekt krever enorme mengder energi per sekund for å produsere høye trykk. Som et resultat gir de fleste høymasseeffektive motordesignene også lavere skyvekraft på grunn av mangel på store energimengder.

Fremdrift i rommet representerer teknologier som kan forbedre en rekke kritiske aspekter ved oppdraget betydelig. Utforskning av rom handler om å komme trygt et sted (oppdrag som muliggjør), komme raskt dit (reduserte transittider), få ​​mye masse der (økt nyttelastmasse ) og komme dit billig (lavere kostnad). Den enkle handlingen "å komme" dit krever bruk av et fremdriftssystem i rommet, og de andre beregningene er modifikatorer for denne grunnleggende handlingen.

Utvikling av teknologier vil resultere i tekniske løsninger som forbedrer skyvekraftnivåer, Isp, kraft, spesifikk masse , (eller spesifikk kraft ), volum, systemmasse, systemkompleksitet, driftskompleksitet, felleskap med andre romfartøysystemer, produserbarhet, holdbarhet og kostnad. Disse forbedringene vil gi reduserte transittider, økt nyttelastmasse, sikrere romfartøy og reduserte kostnader. I noen tilfeller vil utvikling av teknologier innenfor dette teknologiområdet (TA) resultere i oppdrag som muliggjør gjennombrudd som vil revolusjonere romforskning. Det er ingen enkelt fremdriftsteknologi som vil komme alle oppdrag eller oppdragstyper til gode. Kravene til fremdrift i rommet varierer mye på grunn av den tiltenkte anvendelsen. De beskrevne teknologiene skal støtte alt fra små satellitter og robotisk leting etter dypt rom til romstasjoner og menneskelige oppdrag til Mars -applikasjoner .

Definere teknologier

Videre definerer begrepet "mission pull" en teknologi eller en ytelsesegenskap som er nødvendig for å oppfylle et planlagt NASA -oppdragskrav. Ethvert annet forhold mellom en teknologi og et oppdrag (for eksempel et alternativt fremdriftssystem) er kategorisert som "teknologipush". En romdemonstrasjon refererer også til romfarten til en skalert versjon av en bestemt teknologi eller et kritisk teknologisk undersystem. På den annen side vil en romvalidering fungere som en kvalifiseringsflyging for fremtidig oppgaveimplementering. En vellykket valideringsflyging vil ikke kreve ytterligere romtesting av en bestemt teknologi før den kan adopteres for et vitenskaps- eller letemisjon.

Driftsdomener

Romfartøy opererer i mange romområder. Disse inkluderer orbitalmanøvrering, interplanetariske reiser og interstellare reiser.

Orbital

Kunstige satellitter blir først skutt opp i ønsket høyde av konvensjonelle flytende/faste raketter, hvoretter satellitten kan bruke innebygde fremdriftssystemer for å holde orbitalstasjoner. Når de er i ønsket bane, trenger de ofte en form for holdningskontroll slik at de er riktig spiss i forhold til jorden , solen og muligens et astronomisk objekt av interesse. De er også utsatt for drag fra den tynne atmosfæren , slik at noen ganger er det nødvendig med noen form for fremdrift for å oppholde seg i bane over tid for å gjøre små korreksjoner ( orbitalstasjonering ). Mange satellitter må flyttes fra en bane til en annen fra tid til annen, og dette krever også fremdrift. En satellitts levetid er vanligvis over når den er oppbrukt sin evne til å justere bane.

Interplanetarisk

For interplanetarisk reise kan et romfartøy bruke sine motorer til å forlate jordens bane. Det er ikke eksplisitt nødvendig, ettersom det første løftet som ble gitt av raketten, tyngdekraftens slangeskudd, monopropellant/bipropellent holdningskontroll fremdriftssystem er nok til å utforske solsystemet (se New Horizons ). Når den har gjort det, må den på en eller annen måte ta seg til målet. Nåværende interplanetære romfartøy gjør dette med en rekke kortsiktige banetilpasninger. Mellom disse justeringene beveger romskipet seg ganske enkelt langs banen uten å akselerere. Det mest drivstoffeffektive middelet for å bevege seg fra en sirkulær bane til en annen er med en Hohmann-overføringsbane : romfartøyet begynner i en omtrent sirkulær bane rundt solen. En kort periode med skyvekraft i bevegelsesretningen akselererer eller bremser romfartøyet inn i en elliptisk bane rundt Solen som er tangensiell til den tidligere bane og også til destinasjonens bane. Romfartøyet faller fritt langs denne elliptiske bane til den når sin destinasjon, der en annen kort periode med skyvekraft akselererer eller bremser den for å matche banen til destinasjonen. Spesielle metoder som aerobraking eller aerocapture brukes noen ganger for denne siste orbitaljusteringen.

Noen fremdriftsmetoder for romfartøyer som solseil gir svært lavt, men uuttømmelig skyvekraft; et interplanetarisk kjøretøy som bruker en av disse metodene, ville følge en ganske annen bane, enten konstant skyve mot bevegelsesretningen for å redusere avstanden til solen eller konstant skyve langs bevegelsesretningen for å øke avstanden fra solen. Konseptet har blitt testet med hell av det japanske romfartøyet IKAROS solar seil.

Interstellar

Ingen romfartøyer som har en kort varighet (sammenlignet med menneskelig levetid) har ennå blitt bygget interstellare reiser , men mange hypotetiske design har blitt diskutert. Fordi interstellare avstander er veldig store, er det nødvendig med en enorm hastighet for å få et romfartøy til sin destinasjon i rimelig tid. Å skaffe seg en slik hastighet ved oppskytning og bli kvitt den ved ankomst er fortsatt en formidabel utfordring for romfartøydesignere.

Framdriftsteknologi

Teknologiområdene er delt inn i fire grunnleggende grupper: (1) Kjemisk fremdrift, (2) Ikke -kjemisk fremdrift, (3) Avansert fremdriftsteknologi og (4) Støtte -teknologi; basert på fremdriftssystemets fysikk og hvordan det stammer fra kraften samt dets tekniske modenhet. I tillegg kan det være troverdige meritterende fremdriftskonsepter i rommet som ikke er forutsett eller gjennomgått på tidspunktet for publisering, og som kan vise seg å være fordelaktige for fremtidige misjonsapplikasjoner.

Kjemisk fremdrift

En stor brøkdel av rakettmotorene som brukes i dag er kjemiske raketter ; det vil si at de får energien som trengs for å generere skyvekraft ved kjemiske reaksjoner for å lage en varm gass som utvides for å produsere skyvekraft . En betydelig begrensning av kjemisk fremdrift er at den har en relativt lav spesifikk impuls (Isp), som er forholdet mellom kraften som produseres og massen av drivmiddel som trengs ved en viss strømningshastighet .

En signifikant forbedring (over 30%) i spesifikk impuls kan oppnås ved å bruke kryogene drivmidler , for eksempel flytende oksygen og flytende hydrogen . Historisk sett har disse drivstoffene ikke blitt påført utover øvre trinn . Videre brukes mange konsepter for avansert fremdriftsteknologi, for eksempel elektrisk fremdrift , for å holde stasjoner på kommersielle kommunikasjonssatellitter og for fremdrift på noen vitenskapelige romoppdrag fordi de har betydelig høyere verdier av spesifikk impuls. Imidlertid har de generelt svært små skyvekraftverdier og må derfor brukes i lang tid for å gi den totale impulsen som kreves av et oppdrag.

Flere av disse teknologiene tilbyr ytelse som er betydelig bedre enn den som kan oppnås med kjemisk fremdrift.

The Glenn forskningssenter som mål å utvikle primærfremdriftsteknologier som kan være til nytte i nærheten og mellomlang sikt vitenskap oppdrag ved å redusere kostnader, masse, og / eller reisetid. Framdriftsarkitekturer av spesiell interesse for GRC er elektriske fremdriftssystemer , for eksempel Ion- og Hall -thrustere. Ett system kombinerer solseil , en form for drivgassløs fremdrift som er avhengig av naturlig forekommende stjernelys for fremdriftsenergi, og Hall-thrustere. Andre fremdriftsteknologier som utvikles inkluderer avansert kjemisk fremdrift og aerocapture.

Reaksjonsmotorer

Reaksjonsmotorer produserer skyvekraft ved å utvise reaksjonsmasse , i samsvar med Newtons tredje bevegelseslov . Denne bevegelsesloven er oftest omskrevet som: "For hver handlingskraft er det en lik, men motsatt, reaksjonskraft."

Eksempler inkluderer jetmotorer , rakettmotorer , pumpestråler og mer uvanlige variasjoner som Hall-effektpropellere , ionedrev , massedrivere og atompulsfremdrift .

Rakettmotorer

De fleste rakettmotorer er forbrenningsvarmemotorer (selv om ikke-forbrennende former eksisterer). Rakettmotorer produserer vanligvis en høy temperatur reaksjonsmasse, som en varm gass. Dette oppnås ved å forbrenne et fast, flytende eller gassformig drivstoff med en oksydator i et forbrenningskammer. Den ekstremt varme gassen får deretter slippe ut gjennom en dyse med høyt ekspansjonsforhold . Denne klokkeformede munnstykket er det som gir en rakettmotor sin karakteristiske form. Dysens effekt er å dramatisk akselerere massen og omdanne det meste av termisk energi til kinetisk energi. Eksoshastigheten når så høy som 10 ganger lydens hastighet ved havnivå er vanlig.

Rakettmotorer gir i hovedsak de høyeste spesifikke kreftene og høye spesifikke skyvekraftene til enhver motor som brukes til romfartøyets fremdrift.

Ionfremdrivelsesraketter kan varme opp et plasma eller en ladet gass inne i en magnetflaske og slippe den ut via en magnetisk dyse , slik at ikke noe fast stoff trenger å komme i kontakt med plasmaet. Selvfølgelig er maskineriet for å gjøre dette komplisert, men forskning på kjernefusjon har utviklet metoder, hvorav noen har blitt foreslått brukt i fremdriftssystemer, og noen har blitt testet i et laboratorium.

Se rakettmotor for en oversikt over forskjellige typer rakettmotorer som bruker forskjellige oppvarmingsmetoder, inkludert kjemiske, elektriske, sol- og kjernefysiske.

Ikke -kjemisk fremdrift

Elektromagnetisk fremdrift

I stedet for å stole på høy temperatur og væskedynamikk for å akselerere reaksjonsmassen til høye hastigheter, er det en rekke metoder som bruker elektrostatiske eller elektromagnetiske krefter for å akselerere reaksjonsmassen direkte. Vanligvis er reaksjonsmassen en strøm av ioner . En slik motor bruker vanligvis elektrisk kraft, først for å ionisere atomer, og deretter for å lage en spenningsgradient for å akselerere ionene til høye eksoshastigheter.

Ideen om elektrisk fremdrift dateres tilbake til 1906, da Robert Goddard vurderte muligheten i sin personlige notatbok. Konstantin Tsiolkovsky publiserte ideen i 1911.

For disse stasjonene, ved de høyeste eksoshastighetene, er energisk effektivitet og skyvekraft alle omvendt proporsjonale med eksoshastigheten. Deres meget høye eksoshastighet betyr at de krever enorme mengder energi og gir dermed praktiske kraftkilder lavt trykk, men bruker knapt drivstoff.

For noen oppdrag, spesielt rimelig nær solen, kan solenergi være tilstrekkelig, og har veldig ofte blitt brukt, men for andre lenger ut eller ved høyere kraft er kjernekraft nødvendig; motorer som henter kraften fra en atomkilde, kalles atom elektriske raketter .

Med en hvilken som helst strømkilde, kjemisk, kjernefysisk eller solcellekilde, begrenser den maksimale strømmengden som kan genereres mengden skyvekraft som kan produseres til en liten verdi. Kraftproduksjon tilfører romfartøyet betydelig masse, og til slutt begrenser vekten til kraftkilden kjøretøyets ytelse.

Nåværende atomkraftgeneratorer er omtrent halvparten av vekten av solcellepaneler per watt tilført energi, på terrestriske avstander fra solen. Kjemiske kraftgeneratorer brukes ikke på grunn av den langt lavere totale tilgjengelige energien. Strålende kraft til romfartøyet viser noe potensial.

Noen elektromagnetiske metoder:

• Ion -thrustere (akselerere ioner først og senere nøytralisere ionestrålen med en elektronstrøm som sendes ut fra en katode som kalles en nøytralisator)
  • Elektrostatisk ion -thruster
  • Gridded ion thruster
  • Feltemisjon elektrisk fremdrift
  • MagBeam
  • Thruster for halleffekt
  • Kolloid thruster
• Elektrotermiske thrustere (elektromagnetiske felt brukes til å generere et plasma for å øke varmen til bulkdrivmidlet, den termiske energien som gis til drivgassen omdannes deretter til kinetisk energi av en dyse av enten fysisk materialkonstruksjon eller med magnetiske midler)
  • DC arcjet
  • Mikrobølgeovn
  • Helicon dobbeltlags-thruster
• Elektromagnetiske thrustere (ioner akselereres enten av Lorentz Force eller av effekten av elektromagnetiske felt der det elektriske feltet ikke er i akselerasjonsretningen)
  • Plasma fremdriftsmotor
  • Magnetoplasmadynamisk thruster
  • Elektrodeløs plasmastruster
  • Pulserende induktiv thruster
  • Pulserende plasmastruster
  • Variabel spesifikk impuls magnetoplasma -rakett (VASIMR)
  • Vakuumbue -thruster
• Massesjåfører (for fremdrift)

I elektrotermiske og elektromagnetiske thrustere akselereres både ioner og elektroner samtidig, ingen nøytralisator er nødvendig.

Uten indre reaksjonsmasse

Det loven om bevaring av bevegelses tas vanligvis til å antyde at en hvilken som helst motor som bruker ingen reaksjonsmasse ikke kan akselerere massesenteret av et romskip (skiftende retning, på den annen side er mulig). Men plassen er ikke tom, spesielt plass inne i solsystemet; det er gravitasjonsfelt, magnetfelt , elektromagnetiske bølger , solvind og solstråling. Spesielt er det kjent at elektromagnetiske bølger inneholder momentum, til tross for at de er masseløse; spesifikt er momentumflukstettheten P for en EM -bølge kvantitativt 1 /c^2 ganger Poynting -vektoren S , dvs. P = S /c^2, hvor c er lysets hastighet. Feltfremdriftsmetoder som ikke er avhengig av reaksjonsmasse må således prøve å dra fordel av dette ved å koble til et momentbærende felt som en EM-bølge som eksisterer i nærheten av fartøyet. Men fordi mange av disse fenomenene er diffuse i naturen, må tilsvarende fremdriftskonstruksjoner være proporsjonalt store.

Det er flere forskjellige romdrev som trenger liten eller ingen reaksjonsmasse for å fungere. Et tether -fremdriftssystem bruker en lang kabel med høy strekkfasthet for å endre romfartøyets bane, for eksempel ved interaksjon med en planets magnetfelt eller gjennom momentbytte med et annet objekt. Solseil er avhengige av strålingstrykk fra elektromagnetisk energi, men de krever en stor innsamlingsflate for å fungere effektivt. Det magnetiske seilet avleder ladede partikler fra solvinden med et magnetfelt, og gir dermed fart til romskipet. En variant er det mini-magnetosfæriske plasma-fremdriftssystemet , som bruker en liten plasma av skyer som ligger i et magnetfelt for å avlede solens ladede partikler. Et E-seil vil bruke veldig tynne og lette ledninger som holder en elektrisk ladning for å avlede disse partiklene, og kan ha mer kontrollerbar retning.

Som et bevis på konseptet ble NanoSail-D den første nanosatellitten som kretset rundt jorden . Fra august 2017 bekreftet NASA at Sunjammer solseilprosjektet ble avsluttet i 2014 med erfaringer fra fremtidige romfartsprosjekter. Cubesail vil være det første oppdraget for å demonstrere solseiling i lav bane rundt jorden, og det første oppdraget for å demonstrere full tre-akset holdningskontroll av et solseil.

Japan lanserte også sitt eget solseildrevne romfartøy IKAROS i mai 2010. IKAROS demonstrerte vellykket fremdrift og veiledning og flyr fremdeles i dag.

En satellitt eller et annet romfartøy er underlagt loven om bevaring av vinkelmoment , som begrenser et legeme fra en nettoendring i vinkelhastighet . For at et kjøretøy skal endre sin relative orientering uten å bruke reaksjonsmasse, kan en annen del av kjøretøyet rotere i motsatt retning. Ikke-konservative ytre krefter, først og fremst gravitasjons- og atmosfæriske, kan bidra til opptil flere grader per dag til vinkelmoment, så sekundære systemer er designet for å "bløde ut" uønskede rotasjonsenergier som er bygget opp over tid. Følgelig bruker mange romfartøyer reaksjonshjul eller kontrollmoment -gyroskoper for å kontrollere orientering i rommet.

Et gravitasjonelt slyngskudd kan bære en romfart videre til andre destinasjoner uten bekostning av reaksjonsmasse. Ved å utnytte gravitasjonsenergien til andre himmelobjekter, kan romfartøyet fange opp kinetisk energi. Imidlertid kan enda mer energi hentes fra tyngdekrafthjelpen hvis raketter brukes.

Stråledrevet fremdrift er en annen fremdriftsmetode uten reaksjonsmasse. Strålende fremdrift inkluderer seil dyttet av laser , mikrobølgeovn eller partikkelstråler.

Avansert fremdriftsteknologi

Avansert, og i noen tilfeller teoretisk, fremdriftsteknologi kan bruke kjemisk eller ikke -kjemisk fysikk for å produsere skyvekraft, men anses generelt for å ha lavere teknisk modenhet med utfordringer som ikke har blitt overvunnet. For både menneskelig og robotisk leting er det å kjempe gjennom solsystemet en kamp mot tid og avstand. De mest fjerne planetene er 4,5–6 milliarder kilometer fra Solen, og for å nå dem i rimelig tid krever mye mer dyktige fremdriftssystemer enn konvensjonelle kjemiske raketter. Raske oppgaver i det indre solsystemet med fleksible lanseringsdatoer er vanskelige, og krever fremdriftssystemer som er utenfor dagens nåværende teknikk. Logistikken, og derfor den totale systemmassen som kreves for å støtte vedvarende menneskelig utforskning utover jorden til destinasjoner som månen, Mars eller nærjordiske objekter, er skremmende med mindre mer effektive fremdriftsteknologier i rommet er utviklet og felt.

En rekke hypotetiske fremdriftsteknikker har blitt vurdert som krever en dypere forståelse av romets egenskaper, spesielt treghetsrammer og vakuumtilstanden . Til dags dato er slike metoder svært spekulative og inkluderer:

En NASA-vurdering av sitt gjennombruddsprogram for fremdriftsfysikk deler slike forslag i de som er ikke-levedyktige for fremdriftsformål, de som har et usikkert potensial, og de som ikke er umulige i henhold til nåværende teorier.

Tabell over metoder

Nedenfor er en oppsummering av noen av de mer populære, velprøvde teknologiene, etterfulgt av stadig mer spekulative metoder.

Fire tall vises. Den første er den effektive eksoshastigheten : ekvivalenthastigheten som drivstoffet forlater kjøretøyet. Dette er ikke nødvendigvis det viktigste kjennetegnet ved fremdriftsmetoden; skyvekraft og strømforbruk og andre faktorer kan være. Derimot:

• hvis delta-v er mye mer enn eksoshastigheten, er det nødvendig med ublu mengder drivstoff (se avsnittet om beregninger ovenfor)
• hvis det er mye mer enn delta-v, er det proporsjonalt mer energi nødvendig; hvis kraften er begrenset, som med solenergi, betyr dette at reisen tar forholdsvis lengre tid

Den andre og tredje er den typiske mengden skyvekraft og de typiske brenntidene for metoden. Utenfor et gravitasjonspotensial vil små mengder skyvekraft påført over en lang periode gi samme effekt som store skyvekraftmengder over en kort periode. (Dette resultatet gjelder ikke når objektet er vesentlig påvirket av tyngdekraften.)

Den fjerde er den maksimale delta-v denne teknikken kan gi (uten iscenesettelse). For rakettlignende fremdriftssystemer er dette en funksjon av massefraksjon og eksoshastighet. Massefraksjon for rakettlignende systemer er vanligvis begrenset av fremdriftssystemets vekt og tankvekt. For at et system skal oppnå denne grensen, må nyttelasten vanligvis være en ubetydelig prosentandel av kjøretøyet, og derfor kan den praktiske grensen for noen systemer være mye lavere.

Fremdriftsmetoder

Metode	Effektiv eksoshastighet (km/s)	Trykk (N)	Firing varighet	Maksimal delta-v (km/s)	Beredskapsnivå for teknologi
Rakett med fast brensel	<2,5	<10 7	Minutter	7	9 : Flyt bevist
Hybrid rakett	<4		Minutter	> 3	9 : Flyt bevist
Monopropellant rakett	1. 3	0,1 - 400	Millisekunder - minutter	3	9 : Flyt bevist
Rakett med flytende drivstoff	<4,4	<10 7	Minutter	9	9 : Flyt bevist
Elektrostatisk ion -thruster	15 - 210		Måneder - år	> 100	9 : Flyt bevist
Hall-effekt thruster (HET)	opp til 50		Måneder - år	> 100	9 : Flyt bevist
Resistojet -rakett	2 - 6	10 −2 - 10	Minutter	?	8 : Flykvalifisert
Arcjet -rakett	4 - 16	10 −2 - 10	Minutter	?	8 : Flykvalifisert
Feltavgivende elektrisk fremdrift (FEEP)	100 - 130	10 −6 - 10 −3	Måneder - år	?	8 : Flykvalifisert
Pulserende plasmastruster (PPT)	20	0,1	80 - 400 dager	?	7 : Prototype demonstrert i verdensrommet
Dobbelmodus fremdriftsrakett	1 - 4.7	0,1 - 10 7	Millisekunder - minutter	3-9	7 : Prototype demonstrert i verdensrommet
Solseil	299 792 , lys	9,08/km 2 ved 1  AU 908/km 2 ved 0,1 AU 10 −10 /km 2 ved 4 ly	Ubestemt	> 40
Trippellant rakett	2,5 - 5,3	0,1 - 10 7	Minutter	9	6 : Prototype demonstrert på bakken
Magnetoplasmadynamisk thruster (MPD)	20 - 100	100	Uker	?	6 : Modell, 1 kW demonstrert i verdensrommet
Kjernefysisk -termisk rakett	9	10 7	Minutter	> 20	6 : Prototype demonstrert på bakken
Framdriftsmessige sjåfører	0 - 30	10 4 - 10 8	Måneder	?	6 : Modell, 32 MJ demonstrert på bakken
Tether fremdrift	Ikke tilgjengelig	1 - 10 12	Minutter	7	6 : Modell, 31,7 km demonstrert i verdensrommet
Luftforstørret rakett	5 - 6	0,1 - 10 7	Sekunder - minutter	> 7?	6 : Prototype demonstrert på bakken
Flytende luft-syklus motor	4.5	10 3 - 10 7	Sekunder - minutter	?	6 : Prototype demonstrert på bakken
Pulserende induktiv thruster (PIT)	10 - 80	20	Måneder	?	5 : Komponent validert i vakuum
Variabel-spesifikk-impuls magnetoplasma-rakett (VASIMR)	10 - 300	40 - 1200	Dager - måneder	> 100	5 : Komponent, 200 kW validert i vakuum
Magnetfelt-oscillerende forsterket thruster	10 - 130	0,1 - 1	Dager - måneder	> 100	5 : Komponent validert i vakuum
Sol -termisk rakett	7 - 12	1 - 100	Uker	> 20	4 : Komponent validert i laboratorium
Radioisotoprakett / damppropell	7 - 8	1,3 - 1,5	Måneder	?	4 : Komponent validert i laboratorium
Kjernefysisk -elektrisk rakett	Som elektrisk fremdriftsmetode brukt				4 : Komponent, 400 kW validert i laboratoriet
Orion Project ( nærtids atompulsfremdrift)	20 - 100	10 9 - 10 12	Dager	30 - 60	3 : Validerte, 900 kg proof-of-concept
Romheis	Ikke tilgjengelig	Ikke tilgjengelig	Ubestemt	> 12	3 : Validerte proof-of-concept
Reaksjonsmotorer SABER	30/4.5	0,1 - 10 7	Minutter	9.4	3 : Validerte proof-of-concept
Elektriske seil	145 - 750, solvind	?	Ubestemt	> 40	3 : Validerte proof-of-concept
Magnetiske seil	145 - 750, solvind	2 / t	Ubestemt	?	3 : Validerte proof-of-concept
Mini-magnetosfærisk plasmadrift	200	1/kW	Måneder	?	3 : Validerte proof-of-concept
Stråledrevet / laser	Som fremdriftsmetode drevet av bjelke				3 : Validerte, 71 m proof-of-concept
Start løkke / orbitalring	Ikke tilgjengelig	10 4	Minutter	11 - 30	2 : Teknologikonsept formulert
Kjernepulsfremdrift ( Project Daedalus 'stasjon)	20 - 1.000	10 9 - 10 12	År	15.000	2 : Teknologikonsept formulert
Gasskjerneaktorrakett	10 - 20	10 3- - 10 til 6	?	?	2 : Teknologikonsept formulert
Kjernefysisk saltvannsrakett	100	10 3 - 10 7	Halv time	?	2 : Teknologikonsept formulert
Fission seil	?	?	?	?	2 : Teknologikonsept formulert
Fisjon-fragment rakett	15.000	?	?	?	2 : Teknologikonsept formulert
Kjernefysisk -fotonisk rakett / fotonrakett	299.792	10 −5 - 1	År - tiår	?	2 : Teknologikonsept formulert
Fusjonsrakett	100 - 1000	?	?	?	2 : Teknologikonsept formulert
Antimateria-katalysert atompulsfremdrift	200 - 4000	?	Dager - uker	?	2 : Teknologikonsept formulert
Antimateriell -rakett	10 000 - 100 000	?	?	?	2 : Teknologikonsept formulert
Bussard ramjet	2,2 - 20 000	?	Ubestemt	30 000	2 : Teknologikonsept formulert
Metode	Effektiv eksoshastighet (km/s)	Trykk (N)	Firing varighet	Maksimal delta-v (km/s)	Beredskapsnivå for teknologi

Testing

Romfartøyets fremdriftssystemer blir ofte først statisk testet på jordens overflate, inne i atmosfæren, men mange systemer krever et vakuumkammer for å teste fullt ut. Raketter testes vanligvis på et testanlegg for rakettmotorer langt unna beboelse og andre bygninger av sikkerhetsmessige årsaker. Iondrev er langt mindre farlige og krever mye mindre streng sikkerhet, vanligvis er det bare et stort vakuumkammer som trengs.

Kjente statiske teststeder finner du på Rocket Ground Test Facilities

Noen systemer kan ikke testes tilstrekkelig på bakken, og testoppskytninger kan brukes på et rakettoppskytingssted .

Planetarisk og atmosfærisk fremdrift

Launch-assist-mekanismer

Det har blitt foreslått mange ideer for lanseringsassistentmekanismer som har potensial til å drastisk redusere kostnadene ved å komme i bane. De foreslåtte lanseringshjelpemekanismene for ikke-rakettlansering av romfart inkluderer:

• Skyhook (krever gjenbrukbart suborbital lanseringskjøretøy, ikke mulig med bruk av tilgjengelig materiale)
• Romheis (tether fra jordens overflate til geostasjonær bane, kan ikke bygges med eksisterende materialer)
• Lanseringssløyfe (en veldig rask lukket roterende sløyfe som er omtrent 80 km høy)
• Romfontene (en veldig høy bygning holdt opp av en strøm av masser som ble skutt fra basen)
• Orbital ring (en ring rundt jorden med eiker som henger ned fra lagrene)
• Elektromagnetisk katapult ( railgun , coilgun ) (en elektrisk pistol)
• Lansering av rakettslede
• Rompistol ( Project HARP , ramakselerator ) (en kjemisk drevet pistol)
• Stråledrevne fremdriftsraketter og jetfly drevet fra bakken via en bjelke
• Plattformer i stor høyde for å hjelpe innledende fase

Luftpustende motorer

Studier viser generelt at konvensjonelle luftpustende motorer, for eksempel ramjets eller turbojets , i utgangspunktet er for tunge (har for lavt skyvekraft/vektforhold) til å gi noen signifikant ytelsesforbedring når de installeres på et lanseringskjøretøy. Imidlertid kan lanseringskjøretøyer lanseres fra separate heiskjøretøyer (f.eks. B-29 , Pegasus Rocket og White Knight ) som bruker slike fremdriftssystemer. Jetmotorer montert på en lanseringsskinne kan også brukes på denne måten.

På den annen side har det blitt foreslått veldig lette eller svært høyhastighetsmotorer som drar fordel av luften under oppstigning:

• SABER - en lett hydrogendrevet turbojet med forkjøler
• ATREX - en lett hydrogendrevet turbojet med forkjøler
• Flytende luftsyklusmotor - en hydrogendrevet jetmotor som gjør væsken flytende før den brennes i en rakettmotor
• Scramjet - jetmotorer som bruker supersonisk forbrenning
• Shcramjet - ligner en scramjet -motor, men den drar fordel av sjokkbølger produsert fra flyet i forbrenningskammeret for å hjelpe til med å øke den totale effektiviteten.

Normale rakettoppskytingsbiler flyr nesten vertikalt før de ruller i noen titalls kilometer høyde før de brenner sidelengs for bane; denne første vertikale klatringen sløser med drivgass, men er optimal da den reduserer luftdrag kraftig. Luftpustemotorer brenner drivstoff mye mer effektivt, og dette vil tillate en langt flatere oppskytningsbane, kjøretøyene vil vanligvis fly omtrent tangentielt til jordens overflate til de forlater atmosfæren og deretter utføre en rakettforbrenning for å bygge bro mellom den endelige delta-v til banehastighet.

For romfartøyer som allerede er i en meget lav bane, vil luftpustende elektrisk fremdrift bruke gjenværende gasser i den øvre atmosfæren som drivmiddel. Luftpustende elektrisk fremdrift kan gjøre en ny klasse med langvarige oppdrag med lav bane mulig på Jorden, Mars eller Venus .

Planetarisk ankomst og landing

Når et kjøretøy skal gå i bane rundt destinasjonsplaneten, eller når det skal lande, må det justere hastigheten. Dette kan gjøres ved å bruke alle metodene som er oppført ovenfor (forutsatt at de kan generere et høyt nok trykk), men det er noen få metoder som kan dra fordel av planetarisk atmosfære og/eller overflater.

• Aerobraking tillater et romfartøy å redusere høydepunktet i en elliptisk bane ved gjentatte børster med atmosfæren på bunnens lave punkt. Dette kan spare en betydelig mengde drivstoff fordi det tar mye mindre delta-V for å komme inn i en elliptisk bane sammenlignet med en lav sirkulær bane. Fordi bremsingen skjer i løpet av mange baner, er oppvarming relativt liten, og et varmeskjerm er ikke nødvendig. Dette har blitt gjort på flere Mars -oppdrag som Mars Global Surveyor , 2001 Mars Odyssey og Mars Reconnaissance Orbiter , og minst ett Venus -oppdrag, Magellan .
• Aerocapture er en mye mer aggressiv manøver, som konverterer en innkommende hyperbolsk bane til en elliptisk bane i ett pass. Dette krever et varmeskjold og mye vanskeligere navigasjon, fordi det må fullføres i en passering gjennom atmosfæren, og i motsetning til aerobraking er det ikke mulig å forhåndsvise atmosfæren. Hvis hensikten er å forbli i bane, kreves det minst en fremdriftsmanøver til etter aerocapture-ellers vil lavpunktet i den resulterende bane forbli i atmosfæren, noe som resulterer i eventuell re-entry. Aerocapture har ennå ikke blitt prøvd på en planet oppdrag, men re-entry hoppe av Zond 6 og Zond 7 på måne retur var aerocapture manøvrer, fordi de viste en hyperbolsk bane inn i en elliptisk bane. På disse oppdragene, fordi det ikke var noe forsøk på å heve perigeen etter aerocapture, krysset den resulterende banen fremdeles atmosfæren, og re-entry skjedde ved neste perigee.
• En ballute er en oppblåsbar dra -enhet.
• Fallskjerm kan lande en sonde på en planet eller måne med en atmosfære, vanligvis etter at atmosfæren har skrubbet av det meste av hastigheten, ved hjelp av et varmeskjold .
• Kollisjonsputer kan myke opp den endelige landingen.
• Lithobraking , eller stopp ved å påvirke overflaten, utføres vanligvis ved et uhell. Imidlertid kan det gjøres bevisst med sonden som forventes å overleve (se for eksempel Deep Impact (romfartøy) ), i så fall er det nødvendig med meget robuste sonder.

I skjønnlitteratur

I science fiksjon, romskip bruke forskjellige metoder for å reise, noen av dem er vitenskapelig plausibelt (som solseil eller ramjet), andre, for det meste eller helt fiktiv (som antigravitasjons , warp , spindizzy eller hyperrommet for ).

Se også

Referanser

Eksterne linker

• NASA gjennombruddsfremdrivningsfysikkprosjekt
• Ulike raketter
• Jord-til-bane transportbibliografi
• Spaceflight Propulsion - en detaljert undersøkelse av Greg Goebel, i det offentlige
• Johns Hopkins University, Informasjonsanalysesenter for kjemisk fremdrift
• Verktøy for termodynamisk analyse av Liquid Rocket Engine
• Smithsonian National Air and Space Museums nettsted How Things Fly
• Fullerton, Richard K. " Avanserte EVA veikart og krav ." Prosedyrer fra den 31. internasjonale konferansen om miljøsystemer. 2001.