Obrovský elektrický pohonný motor s rekordním výkonem prošel pozemní zkouškou pod zátěží přesahující nominální hodnotu. Novinka kombinuje slušnou trakci s hospodárností. A to nám umožňuje doufat v nové kolo ve vývoji vesmírného průmyslu.
Iontový pohon je nám dobře známý ze sci-fi románů. Principem jeho činnosti je ionizace plynu a jeho urychlení elektrostatickým polem. Ionty poskytují mnohem menší tah než chemická paliva, takže takový motor by nebyl schopen udělit raketě ani první kosmickou rychlost. Ale pokud ji vypustíte do vesmíru, pak může doslova fungovat roky a urychlit loď na nevídanou rychlost.
Některé vesmírné mise již takové motory používaly, včetně japonské sondy Hayabusa (2005, let k asteroidu Itokawa) a také americké sondy Dawn, která v září 2007 odstartovala k asteroidům Vesta a Ceres.
Ale nový model motor s názvem VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) bude stokrát výkonnější než předchozí iontové motory díky použití nestandardních kovových mřížek v procesu urychlování argonových iontů, ale radiofrekvenčního generátoru, který nepřichází do fyzického kontaktu s plynem jako mřížky.
Společnost Ad Astra Rocket Company otestovala dosud nejvýkonnější plazmový raketový motor. VASIMR VX-200 (o kterém jsme mluvili není to tak dávno) běžel ve vakuové komoře s výkonem 201 kW, čímž poprvé překonal hranici 200 kW. Test také potvrdil, že prototyp malého rozsahu VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) je schopen provozu na plná síla. „Toto je dnes nejvýkonnější plazmová raketa na světě,“ říká bývalý astronaut a generální ředitel Ad Astra Franklin Chang-Diaz.
Společnost uzavřela dohodu s NASA o provedení testu výkonu motoru na Mezinárodní vesmírné stanici (ISS) v roce 2013. Bude produkovat periodické "boosty" stanice, která neustále klesá kvůli interakci s atmosférou. V současnosti jsou takové operace prováděny malotahovými motory lodí, které spotřebují asi 7,5 tuny raketového paliva ročně. Cheng-Diaz tvrdí, že snížením tohoto množství na 0,3 tuny VASIMR ušetří NASA miliony ročně.
Ad Astra má ale ambicióznější plány. Například mise na Mars na vysoká rychlost. 10MW nebo 20MW VASIMR by dokázaly dostat lidi na rudou planetu za 39 dní, zatímco konvenčním raketám by to trvalo šest měsíců, ne-li déle. Čím kratší bude cesta, tím méně budou astronauti vystaveni kosmickému záření, které je významnou překážkou.
Inovace iontový motor lze také přizpůsobit pro větší užitečné zatížení v robotických misích, i když rychlost letu bude snížena. Cheng-Diaz pracuje na vývoji konceptu VASIMR od roku 1979, dlouho před založením podniku v roce 2005. Technologie zahrnuje použití rádiových vln k ohřevu plynů (vodík, argon, neon) za vzniku vysokoteplotního plazmatu. Magnetická pole jej vytlačují z motoru, čímž vzniká proudový tah. V důsledku vysoké rychlosti, které je dosahováno nepřetržitým procesem jeho budování, mnoho méně paliva než pro konvenční motory. Konstrukce VASIMR navíc eliminuje fyzický kontakt elektrod s plazmou, což znamená prodloužení životnosti.
Jak VASIMR funguje v testovací komoře, můžete vidět v tomto videu. Je pravda, že odkazuje na dlouhodobý test, během kterého zařízení spotřebovalo pouze 179 kilowattů. Z toho bylo 30 kW použito v první části motoru k vytvoření plazmatu a 149 kW bylo použito na jeho ohřev a urychlení ve druhé komoře.
Za připomenutí stojí americká meziplanetární sonda Dawn, která odstartovala na podzim 2007 (k prvnímu cíli Vestě dorazí v roce 2011). Pro zrychlení k pásu asteroidů používá Dawn tři iontové trysky, z nichž každý vyvine maximální tah 90 millinewtonů.
"To je totožné s hmotností jednoho kusu papíru z poznámkového bloku," obrazně vysvětluje NASA. Ptáte se, jaký je smysl? Faktem je, že „ionty“ jsou asi 10krát účinnější než chemické. raketové motory. Konkrétně specifický impuls zařízení stojících na Úsvitu je 3100 sekund.
Na 2100 dní práce jim tedy vystačí 425 kilogramů pracovní kapaliny (xenonu). I když je zrychlení Dawn okem neviditelné, celkové zvýšení rychlosti během celé mise bude asi 10 kilometrů za sekundu.
A samotné zařízení se ukázalo být relativně lehké (tuna a čtvrt). Pro jeho start ze Země proto byla potřeba raketa o třídu menší (Delta II), a tedy levnější, ve srovnání s tou, kterou by bylo potřeba vynést na oběžnou dráhu hypotetického průzkumníka asteroidů postaveného na bázi chemických motorů.
Specifický impuls VX-200 je asi 5000 sekund. Obecně se může změnit, což se odráží v názvu zařízení. Větší účinnost lze dosáhnout při nízkém tahu, méně - na maximu.
Takže můžete měnit režim činnosti hlavního motoru v závislosti na cílech mise kosmické lodi. Někde si můžete dovolit utratit o něco více pracovní tekutiny, ale zkrátit dobu letu, někde naopak úkol splnit na delší dobu, ale s minimální spotřebou "paliva", což znamená - minimální hmotnost přístroj.
Zde je třeba poznamenat, že VASIMR tvrdí, že je jakousi mezilehlou možností pro vytváření tahu ve vesmíru. Mezi chemickými posilovači (výkonnými, ale nenasytnými) a extrémně maličkými elektrickými raketovými motory, které mohou být mnohem ekonomičtější než dokonce VX-200, ale tah bude jen zlomek gramu.
VASIMR má oproti konkurentům z tábora elektrického pohonu obecně ještě jednu výhodu: plazma v něm v žádném bodě nepřichází do kontaktu s detaily zařízení, ale pouze do kontaktu s poli.
To znamená, že zařízení od Ad Astra bude schopno fungovat mnoho měsíců a dokonce let bez strukturální degradace – což je potřeba k urychlení kosmických lodí na jejich cestě do hlubin sluneční soustavy nebo ke korekci dráhy satelitů. Klasické iontové raketové motory mají bolavé místo – erozi elektrodových mřížek. Ty VASIMR prostě nemá.
Ad Astra Rocket má s VASIMR bohaté plány v řadě projektů. Na základě dohody s americkou kosmickou agenturou z roku 2013 by se tak na ISS měla testovat letová verze VX-200 pojmenovaná VF-200-1. V současnosti vyvíjené zařízení bude založeno na obecném návrhu VX-200, ale bude sestávat ze dvou prakticky paralelních motorů o výkonu 100 kilowattů.
(Zajímavé je, že Ad Astra Rocket vyjednává o dodání VF-200-1 na stanici pomocí soukromého dopravce od SpaceX nebo Orbital Sciences).
VF-200-1 se pokusí zvednout oběžnou dráhu stanice, která se pravidelně „propadá“ kvůli slabé brzdění ve zbytcích atmosféry i ve výšce 400 kilometrů. VF-200-1 se sporadicky zapne na krátkou dobu (několik minut). A protože výkon, který odebírá ze sítě, je velmi velký, musí motor spotřebovat energii uloženou v něm speciální baterie, který se zase během přestávek v provozu plazmového urychlovače bude postupně dobíjet ze solárních panelů ISS.
Pokud je test úspěšný, může být stanice převedena na tento způsob zvyšování oběžné dráhy. A to slibuje velké úspory. Ostatně současná verze orbit liftingu (pomocí chemických motorů zásobovacích transportních lodí) znamená spotřebu 7,5 tuny paliva ročně, zatímco VASIMR si na stejný cíl vyžádá 300 kilogramů argonu ročně. Vyhlídky na technologie jsou ještě lákavější.
Na základě jednoho nebo více VF-200-1 společnost věří, že je možné postavit bezpilotní nákladní automobil, který bude přepravovat velké zátěže z nízké oběžné dráhy Země na oběžnou dráhu Měsíce. Tyto motory by byly poháněny solárními panely.
Pro takové zařízení by s největší pravděpodobností byla nutná palubní jaderná elektrárna - solární panely potřebného výkonu by vyšly prostě monstrózně velké.
O tom, že elektrické raketové motory pro mise na dlouhé vzdálenosti „žádají“ jaderné palivo, odborníci mluví již delší dobu. Při konstrukci takového generátoru nyní neexistují žádné zásadní a neřešitelné potíže.
Ještě nebyly odstraněny všechny otázky týkající se složitosti práce samotného VASIMR. Vědci musí zvýšit celkovou účinnost systému a najít Nejlepší způsob zbavit se přebytečného tepla, které takový motor odvádí. Obecně se ale tato technologie již blíží do fáze, kdy by výhradně pozemní experimentální zařízení měla dát vzniknout modifikacím určeným k vyslání na oběžnou dráhu. Chan-Diaz a jeho kolegové se domnívají, že komerční verze motorů typu VASIMR se mohou na trhu objevit v roce 2014.
Člověk se do vesmíru dostal díky raketovým motorům na kapalná a tuhá paliva. Zpochybnili ale také efektivitu vesmírných letů. Aby se na něj relativně malý alespoň „chytil“, jsou instalovány na vrcholu nosné rakety impozantní velikosti. A samotná raketa je ve skutečnosti létající tank, jehož lví podíl na hmotnosti je vyhrazen pro palivo. Když se to všechno spotřebuje do poslední kapky, na palubě lodi zůstane skrovná zásoba.
Aby nespadla k Zemi, periodicky zvedá svou dráhu impulsy, palivo pro ně - asi 7,5 tuny - dodávají automatické lodě několikrát ročně. Takové tankování se ale při cestě na Mars nečeká. Není čas dát sbohem zastaralým obvodům a věnovat pozornost pokročilejšímu iontovému motoru?
Aby to fungovalo, není potřeba šílené množství paliva. Pouze plyn a elektřina. Elektřina ve vesmíru se vyrábí zachycováním světla vyzařovaného ze slunce solárními panely. Čím dále od hvězdy, tím menší je jejich výkon, takže budete muset využít více a plyn se dostává do primární spalovací komory, kde je bombardován elektrony a ionizován. Výsledná studená plazma je odeslána k zahřátí a poté - do magnetické trysky pro zrychlení. Iontový motor ze sebe vyvrhuje horkou plazmu rychlostí nedostupnou pro běžné raketové motory. A dostane potřebnou podporu.
Princip fungování je tak jednoduchý, že si demonstrační iontový motor můžete sestavit vlastníma rukama. Pokud je elektroda ve tvaru větrníku předem vyvážená, umístěná na špičce jehly a je přivedeno vysoké napětí, objeví se na ostrých koncích elektrody modrá záře, která vzniká tím, že z nich uniknou elektrony. Jejich výdech vytvoří slabou reaktivní sílu, elektroda se začne otáčet.
Bohužel, iontové trysky mají tak slabý tah, že nemohou zvednout kosmickou loď z povrchu Měsíce, nemluvě o pozemním startu. To lze nejzřetelněji vidět, když porovnáme dvě lodě jedoucí na Mars. Loď na kapalný pohon zahájí let po několika minutách intenzivního zrychlování a stráví o něco méně času zpomalováním poblíž Rudé planety. Loď s iontovými motory bude dva měsíce zrychlovat v pomalu se rozvíjející spirále a stejná operace ji čeká i v okolí Marsu ...
A přesto už iontový motor našel své uplatnění: je vybaven řadou bezpilotních kosmických lodí vyslaných na dlouhodobé průzkumné mise na blízké i vzdálené planety sluneční soustavy, do pásu asteroidů.
Iontový motor je stejná želva, která předběhne rychlonohého Achilla. Po spotřebování veškerého paliva během několika minut kapalinový motor navždy ztichne a stane se zbytečným kusem železa. A plazma může fungovat roky. Je možné, že budou vybaveny první kosmickou lodí, která se podsvětelnou rychlostí vydá k nejbližší hvězdě k Zemi. Předpokládá se, že let bude trvat jen 15-20 let.
9. března 2013
S problémem pohybu ve vesmíru se lidstvo potýká od počátku orbitálních letů. Raketa startující ze země spotřebuje téměř všechno palivo plus nálože boosterů a stupňů. A pokud lze raketu ještě odtrhnout od země a naplnit ji obrovským množstvím paliva na kosmodromu, tak ve vesmíru prostě není kde a co tankovat. Po vstupu na oběžnou dráhu je ale potřeba jít dál. A není tam žádné palivo.
A to je hlavní problém moderní kosmonautiky. Stále je možné vrhnout loď na oběžnou dráhu se zásobou paliva na Měsíc, podle této teorie se připravují plány na vytvoření základny pro doplňování paliva „na dlouhé vzdálenosti“ na Měsíci kosmické lodě let například na Mars. Ale je to všechno příliš složité.
A řešení problému bylo vytvořeno již dávno, v roce 1955, kdy Aleksey Ivanovič Morozov publikoval článek „O zrychlení plazmatu magnetickým polem“. V něm popsal koncept zásadně nového vesmírného motoru.
Zařízení iontového plazmového motoru
Princip fungování plazmový motor spočívá v tom, že nehořící palivo působí jako pracovní tekutina, jako v proudové motory, ale proud iontů urychlený magnetickým polem na šílenou rychlost.
Zdrojem iontů je plyn, obvykle argon nebo vodík, plynová nádrž je na samém začátku motoru, odtud je plyn přiváděn do ionizačního prostoru, získává se studené plazma, které se ohřívá v dalším prostoru pomocí iontový cyklotronový rezonanční ohřev. Po zahřátí je vysokoenergetické plazma přiváděno do magnetické trysky, kde je tvarováno do proudu magnetické pole, zrychluje a je vymrštěn do životní prostředí. Tak je dosaženo trakce.
Od té doby urazily plazmové motory dlouhou cestu a byly rozděleny do několika hlavních typů, jsou to elektrotermické motory, elektrostatické motory, silnoproudé nebo magnetodynamické motory a impulsní motory.
Elektrostatické motory se zase dělí na iontové a plazmové (urychlovače částic na kvazi-neutrálním plazmatu).
V tomto článku budeme psát o moderní iontové motory a oni slibný vývoj, protože podle našeho názoru je budoucnost vesmírné flotily za nimi.
Iontový motor využívá jako palivo buď xenon nebo rtuť. První iontová tryska se nazývala mřížková elektrostatická iontová tryska.
Princip jeho fungování je následující:
Ionizátor je napájen xenon, který je sám o sobě neutrální, ale při bombardování vysokoenergetickými elektrony ionizuje. V komoře tak vzniká směs kladných iontů a záporných elektronů. Pro „odfiltrování“ elektronů je do komory přivedena trubice s katodovými mřížkami, která k sobě elektrony přitahuje.
Kladné ionty jsou přitahovány do extrakčního systému, který se skládá ze 2 nebo 3 mřížek. Mezi mřížkami podporováno velký rozdíl elektrostatické potenciály (+1090 voltů na vnitřní straně proti - 225 na vnější straně). V důsledku pádu iontů mezi mřížky jsou urychlovány a vymrštěny do vesmíru, čímž se zrychluje loď, podle třetího Newtonova zákona.
Ruské iontové motory. Na všech jsou jasně viditelné katodové trubice směřující k trysce
Elektrony zachycené v katodové trubici jsou vyhazovány z motoru pod mírným úhlem k trysce a toku iontů. To se děje ze dvou důvodů:
Za prvé, aby trup lodi zůstal neutrálně nabitý a za druhé, aby se takto „neutralizované“ ionty nepřitahovaly zpět k lodi.
Aby iontový motor fungoval, jsou potřeba jen dvě věci – plyn a elektřina. S tím prvním je vše v pořádku, motor amerického meziplanetárního aparátu Dawn, který byl spuštěn na podzim roku 2007, bude k letu téměř 6 let potřebovat pouhých 425 kilogramů xenonu. Pro srovnání, každý rok se spotřebuje 7,5 tuny paliva na korekci oběžné dráhy ISS pomocí konvenčních raketových motorů.
Jedna špatná věc - iontové trysky mají velmi malý tah, řádově 50-100 millinewtonů, což je při pohybu v zemské atmosféře naprosto nedostatečné. Ale ve vesmíru, kde prakticky neexistuje žádný odpor, dokáže iontový motor při dlouhé akceleraci dosáhnout značných otáček. Celkové zvýšení rychlosti po celou dobu trvání mise Dawn bude řádově 10 kilometrů za sekundu.
Test iontové trysky pro loď Deep Space
Nedávné testy provedené americkou společností Ad Astra Rocket, provedené ve vakuové komoře, ukázaly, že jejich nová raketa VASIMR VX-200 s proměnným specifickým impulsem dokáže vyvinout tah již od 5 Newtonů.
Druhým problémem je elektřina. Stejný VX-200 spotřebuje 201 kW energie. solární panely takový motor prostě nestačí. Proto je nutné vymýšlet nové způsoby získávání energie ve vesmíru. Jsou zde dva způsoby – natankování baterií, například tritia, vypuštěného na oběžnou dráhu spolu s lodí, nebo autonomní jaderný reaktor, který bude loď pohánět po celou dobu letu.
Ještě v roce 2006 Evropská kosmická agentura a Australská národní univerzita (Australian National University) úspěšně otestovaly novou generaci vesmírných iontových trysek a dosáhly rekordních úrovní.
Motory, ve kterých jsou nabité částice urychlovány v elektrickém poli, jsou již dlouho známy. Používají se pro orientaci, korekci dráhy na některých družicích a meziplanetárních prostředcích a v řadě vesmírných projektů (jak již realizovaných, tak právě koncipovaných - čtěte, i) - i jako pochodové.
S nimi odborníci spojují další vývoj sluneční soustavy. A přestože všechny druhy takzvaných elektrických raketových motorů jsou mnohem horší než chemické motory v maximálním tahu (gramy versus kilogramy a tuny), jsou radikálně lepší v účinnosti (spotřeba paliva na gram tahu za sekundu). A tato hospodárnost (specifický impuls) je přímo úměrná rychlosti vymrštěného proudu.
V experimentálním motoru s názvem „Dual-Stage 4-Grid – DS4G“, postaveném na základě smlouvy ESA v Austrálii, dosáhla tato rychlost rekordních 210 kilometrů za sekundu.
To je například 60krát vyšší než rychlost výfukových plynů u dobrých chemických motorů a 4-10krát vyšší než u starých „iontových motorů“.
Jak je patrné z názvu vývoje, této rychlosti bylo dosaženo dvoustupňovým procesem urychlování iontů pomocí čtyř po sobě jdoucích mřížek (místo tradičních jednostupňových a tří mřížek), jakož i vysokého napětí- 30 kilovoltů. Kromě toho byla divergence výstupního proudového paprsku pouze 3 stupně, ve srovnání s asi 15 stupni u předchozích systémů.
A zde jsou informace posledních dnů.
Iontový motor (ID) funguje jednoduše: plyn z nádrže (xenon, argon atd.) je ionizován a urychlován elektrostatickým polem. Vzhledem k tomu, že hmotnost iontu je malá a může dostat značný náboj, ionty vylétají z motoru rychlostí až 210 km/s. Chemické motory dokážou dosáhnout ... ne, nic takového, ale jen dvacetkrát menší rychlosti výfukových plynů spalování jen výjimečně. V souladu s tím je spotřeba plynu ve srovnání se spotřebou chemického paliva extrémně malá.
To je důvod, proč takové "daleké" sondy jako Hayabusa, Deep Space One a Dawn plně nebo částečně pracují na ID. A pokud se ke vzdáleným nebeským tělesům chystáte nejen letět setrvačností, ale také v jejich blízkosti aktivně manévrovat, pak se bez takových motorů neobejdete.
V roce 2014 slaví iontové trysky své 50. výročí ve vesmíru. Celou tu dobu se problém eroze nepodařilo vyřešit ani při prvním přiblížení. (Tady a níže ill. NASA, Wikimedia Commons.)
Jako všechny dobré věci i ID se rád krmí: na jeden newton tahu je potřeba až 25 kW energie. Představme si, že jsme byli pověřeni vypuštěním 100tunové kosmické lodi k Plutu (odpusťte nám zasnění!). V ideálním případě i pro Jupiter potřebujeme 1000 newtonů tahu a 10 měsíců a na Neptun při stejném tahu - rok a půl. Obecně se nebavme o Plutu, jinak je to nějak smutné ...
Abychom získali těchto zatím spekulativních 1000 newtonů, potřebujeme 25 megawattů. V zásadě nic technicky nemožného – 100tunová loď by mohla vzít jaderný reaktor. Mimochodem, NASA a americké ministerstvo energetiky v současné době pracují na projektu Fission Surface Power. Pravda, mluvíme o základnách na Měsíci a Marsu, a ne o lodích. Ale hmotnost reaktoru není tak vysoká - pouhých pět tun, s rozměry 3 × 3 × 7 m ...
No dobře, vysněno a to stačí, řeknete si a hned si vzpomenete na tu pitomost, kterou údajně vynalezl Lev Tolstoj během krymské války. Tak velký tok iontů procházející motorem (a to je klíčová překážka) totiž způsobí jeho erozi, a to mnohem rychleji než za deset měsíců nebo rok a půl. Navíc to není problém výběru konstrukčního materiálu – za takových podmínek dojde ke zničení titanu i diamantu, ale nedílná součást konstrukce iontového motoru jako takového.
Převzato z Gizmag. a http://lab-37.com
Víte, že je aktivní v Rusku, nebo že se třeba brzy objeví Původní článek je na webu InfoGlaz.rf Odkaz na článek, ze kterého je tato kopie vytvořena -
Vesmírné motory budoucnosti
Vytvoření iontového motoru
Pořád mluvíme o typy motorů.
S problémem pohybu ve vesmíru se lidstvo potýká od počátku orbitálních letů. Raketa startující ze země spotřebuje téměř všechno palivo plus nálože boosterů a stupňů. A pokud lze raketu ještě odtrhnout od země a naplnit ji obrovským množstvím paliva na kosmodromu, tak ve vesmíru prostě není kde a co tankovat. Po vstupu na oběžnou dráhu je ale potřeba jít dál. A není tam žádné palivo.
A to je hlavní problém moderní kosmonautiky. Stále je možné vrhnout loď na oběžnou dráhu se zásobou paliva k Měsíci, podle této teorie se rýsují plány na vytvoření tankovací základny na Měsíci pro "daleké" kosmické lodě létající například na Mars. Ale je to všechno příliš složité.
A řešení problému bylo vytvořeno již dávno, v roce 1955, kdy Aleksey Ivanovič Morozov publikoval článek „O zrychlení plazmatu magnetickým polem“. V něm popsal koncept zásadně nového vesmírného motoru.
Zařízení iontového plazmového motoru
Princip fungování plazmový motor spočívá v tom, že pracovní tekutinou nespaluje palivo jako v případě, ale proud iontů urychlovaný magnetickým polem na šílenou rychlost.
Zdrojem iontů je plyn, obvykle argon nebo vodík, plynová nádrž je na samém začátku motoru, odtud je plyn přiváděn do ionizačního prostoru, získává se studené plazma, které se ohřívá v dalším prostoru pomocí iontový cyklotronový rezonanční ohřev. Po zahřátí je vysokoenergetické plazma přiváděno do magnetické trysky, kde se pomocí magnetického pole formuje do proudu, urychluje a uvolňuje do okolí. Tak je dosaženo trakce.
Od té doby urazily plazmové motory dlouhou cestu a byly rozděleny do několika hlavních typů, jsou to elektrotermické motory, elektrostatické motory, silnoproudé nebo magnetodynamické motory a impulsní motory.
Elektrostatické motory se zase dělí na iontové a plazmové (urychlovače částic na kvazi-neutrálním plazmatu).
V tomto článku budeme psát o moderní iontové motory a jejich slibný vývoj, protože podle našeho názoru je budoucnost vesmírné flotily za nimi.
Iontový motor využívá jako palivo buď xenon nebo rtuť. První iontová tryska se nazývala mřížková elektrostatická iontová tryska.
Princip jeho fungování je následující:
Ionizátor je napájen xenon, který je sám o sobě neutrální, ale při bombardování vysokoenergetickými elektrony ionizuje. V komoře tak vzniká směs kladných iontů a záporných elektronů. Pro „odfiltrování“ elektronů je do komory přivedena trubice s katodovými mřížkami, která k sobě elektrony přitahuje.
Kladné ionty jsou přitahovány do extrakčního systému, který se skládá ze 2 nebo 3 mřížek. Mezi mřížkami je udržován velký rozdíl v elektrostatických potenciálech (+1090 voltů na vnitřní straně versus - 225 na vnější straně). V důsledku pádu iontů mezi mřížky jsou urychlovány a vymrštěny do vesmíru, čímž se zrychluje loď, podle třetího Newtonova zákona.
Ruské iontové motory. Na všech jsou jasně viditelné katodové trubice směřující k trysce
Elektrony zachycené v katodové trubici jsou vyhazovány z motoru pod mírným úhlem k trysce a toku iontů. To se děje ze dvou důvodů:
Za prvé, aby trup lodi zůstal neutrálně nabitý a za druhé, aby se takto „neutralizované“ ionty nepřitahovaly zpět k lodi.
Aby iontový motor fungoval, jsou potřeba jen dvě věci – plyn a elektřina. S tím prvním je vše v pořádku, motor amerického meziplanetárního aparátu Dawn, který byl spuštěn na podzim roku 2007, bude k letu téměř 6 let potřebovat pouhých 425 kilogramů xenonu. Pro srovnání, každý rok se spotřebuje 7,5 tuny paliva na korekci oběžné dráhy ISS pomocí konvenčních raketových motorů.
Jedna špatná věc - iontové motory mají velmi malý tah, řádově 50-100 millinewtonů, což je při pohybu v zemské atmosféře naprosto nedostatečné. Ale ve vesmíru, kde prakticky neexistuje žádný odpor, dokáže iontový motor při dlouhé akceleraci dosáhnout značných otáček. Celkové zvýšení rychlosti po celou dobu trvání mise Dawn bude řádově 10 kilometrů za sekundu.
Test iontové trysky pro loď Deep Space
Nedávné testy provedené americkou společností Ad Astra Rocket, provedené ve vakuové komoře, ukázaly, že jejich nová raketa VASIMR VX-200 s proměnným specifickým impulsem dokáže vyvinout tah až 5 Newtonů.
Druhým problémem je elektřina. Stejný VX-200 spotřebuje 201 kW energie. Solární panely na takový motor prostě nestačí. Proto je nutné vymýšlet nové způsoby získávání energie ve vesmíru. Jsou zde dva způsoby – natankování baterií, například tritia, vypuštěného na oběžnou dráhu spolu s lodí, nebo autonomní jaderný reaktor, který bude loď pohánět po celou dobu letu.
V druhém případě ve vesmírných podmínkách a jeho nízké teploty zajímavější je projekt lodi s termonukleárním reaktorem na palubě, ale zatím NASA vyvíjí pouze jaderný reaktor.
Tyto studie jsou prováděny v rámci projektu Prometheus. NASA plánuje vypustit do sluneční soustavy jadernou sondu vybavenou výkonnými iontovými motory poháněnými palubním jaderným reaktorem.
Poslední testovací video iontový motor VX-200.
Evropská kosmická agentura testovala náporový iontový tryskový motor využívající jako pracovní tekutinu vzduch z okolní atmosféry. Předpokládá se, že malé družice s takovým motorem budou moci být na orbitách s výškou 200 kilometrů nebo méně téměř neomezeně, uvádí tisková zpráva agentury.
Princip činnosti iontových motorů je založen na ionizaci částic plynu a jejich urychlování pomocí elektrostatického pole. Částice plynu v takových motorech jsou výrazně urychleny vysoké rychlosti, než u chemických motorů, proto mají iontové motory mnohem vyšší specifický impuls a spotřebují méně paliva. Ale iontový motor má a důležitá nevýhoda- extrémně nízký tah ve srovnání s chemickými motory. Z tohoto důvodu se v praxi používají jen zřídka, hlavně na malých zařízeních. Takové motory se používají například na sondě Dawn, která v současné době obíhá kolem trpasličí planety Ceres, a budou použity v misi BepiColombo, která se má na konci roku 2018 vydat k Merkuru.
Stejně jako chemický pohon, iontové pohonné systémy, které se v současnosti používají, používají zásobu paliva, typicky xenon. Existuje ale také koncept iontových motorů s přímým prouděním, který však dosud nebyl použit na dopravních prostředcích létajících do vesmíru. Jeho odlišnost spočívá v tom, že se jako pracovní tekutina navrhuje použít nikoli finální zásobu plynu naloženého do nádrže před startem, ale vzduch ze zemské atmosféry nebo jiného atmosférického tělesa.
Schéma činnosti motoru
ESA-A. Di Giacomo
Předpokládá se, že relativně malá aparatura s takovým motorem bude moci být prakticky neomezená na nízkých drahách s výškou kolem 150 kilometrů, kompenzovat atmosférické brzdění tahem motoru pracujícího na vzduch, který do něj vstupuje z atmosféry. V roce 2009 ESA vypustila družici GOCE, která se díky neustále zapnutému iontovému motoru se zásobou xenonu dokázala udržet na 255kilometrové oběžné dráze téměř pět let. Od té doby agentura vyvíjí náporovou iontovou trysku pro podobné satelity na nízké oběžné dráze a nyní provedla první testy takové trysky.
Testy probíhaly ve vakuové komoře, ve které byl umístěn motor. Zpočátku se do něj přiváděl urychlený xenon. Poté byla do zařízení pro přívod plynu přidána směs kyslíku a dusíku, simulující atmosféru ve výšce 200 kilometrů. Na konci testů inženýři provedli testy výhradně s směs vzduchu pro kontrolu výkonu v hlavním režimu.
Testy motoru se vzduchem jako palivem
Iontový motor s přímým prouděním
