پرتغالی ها یک موتور یونی در خانه ساختند. فن آوری ها: رانشگرهای فوتون و یون - رانشگر یونی جدید آماده پرواز به فضا است

07.04.2019

یک موتور محرکه الکتریکی عظیم با عملکرد رکوردشکنی آزمایش زمینی را زیر باری بیش از مقدار اسمی گذراند. تازه وارد کشش مناسب را با کارایی ترکیب می کند. و این به ما اجازه می دهد تا به دور جدیدی در توسعه صنعت فضایی امیدوار باشیم.

درایو یونی از رمان های علمی تخیلی به خوبی برای ما شناخته شده است. اصل عملکرد آن یونیزاسیون گاز و شتاب آن توسط یک میدان الکترواستاتیک است. یون ها نیروی رانش بسیار کمتری نسبت به سوخت های شیمیایی ایجاد می کنند، بنابراین چنین موتوری نمی تواند حتی اولین سرعت فضایی را به موشک بدهد. اما اگر آن را در فضا پرتاب کنید، به معنای واقعی کلمه می تواند سال ها کار کند و سرعت کشتی را به سرعت بی سابقه ای برساند.

برخی از مأموریت‌های فضایی قبلاً از چنین موتورهایی استفاده کرده‌اند، از جمله فضاپیمای ژاپنی Hayabusa (2005، پرواز به سیارک Itokawa)، و همچنین فضاپیمای آمریکایی Dawn که در سپتامبر 2007 به سمت سیارک‌های Vesta و Ceres پرتاب شد.

ولی مدل جدیدموتوری به نام VASIMR (موشک مغناطیسی تکانه ای متغیر) صدها برابر قدرتمندتر از موتورهای یونی قبلی خواهد بود که دلیل آن استفاده از توری های فلزی غیر استاندارد در فرآیند شتاب یون های آرگون است، اما از یک ژنراتور فرکانس رادیویی که در تماس فیزیکی قرار نمی گیرد. با گاز، مانند توری.

شرکت Ad Astra Rocket قوی ترین موتور موشک پلاسما را تا به امروز آزمایش کرده است. VASIMR VX-200 (که چندی پیش در مورد آن صحبت کردیم) با قدرت 201 کیلووات در یک محفظه خلاء کار کرد و برای اولین بار مرز 200 کیلووات را شکست. این آزمایش همچنین تایید کرد که نمونه اولیه VASIMR (موشک مغناطیسی تکانه ای متغیر متغیر) قادر به کار بر روی قدرت کامل. فرانکلین چانگ دیاز، فضانورد سابق و مدیر عامل Ad Astra می گوید: «این قدرتمندترین موشک پلاسما در جهان امروز است.

این شرکت در سال 2013 با ناسا برای انجام آزمایش عملکرد موتور در ایستگاه فضایی بین المللی (ISS) قراردادی منعقد کرد. این "تقویت"های دوره ای ایستگاه را ایجاد می کند که به دلیل تعامل با جو دائماً در حال کاهش است. در حال حاضر، چنین عملیاتی توسط موتورهای رانش کوچک کشتی ها انجام می شود که حدود 7.5 تن سوخت موشک در سال مصرف می کند. چنگ دیاز ادعا می کند که با کاهش این مقدار به 0.3 تن، VASIMR سالانه میلیون ها نفر را برای ناسا پس انداز می کند.

اما Ad Astra برنامه های بلندپروازانه تری دارد. به عنوان مثال، ماموریت های مریخ در سرعت بالا. یک VASIMR 10 یا 20 مگاواتی می‌تواند انسان را در 39 روز به سیاره سرخ برساند، در حالی که موشک‌های معمولی اگر نه بیشتر، شش ماه طول بکشد. هرچه این سفر کوتاه‌تر باشد، فضانوردان کمتر در معرض تشعشعات کیهانی قرار می‌گیرند که مانع مهمی است.

نوآوری موتور یونیهمچنین می تواند برای محموله های بزرگتر در مأموریت های رباتیک سازگار شود، اگرچه سرعت پرواز کاهش می یابد. چنگ دیاز از سال 1979 روی توسعه مفهوم VASIMR کار کرده است، مدت ها قبل از اینکه این تجارت در سال 2005 تاسیس شود. این فناوری شامل استفاده از امواج رادیویی برای گرم کردن گازها (هیدروژن، آرگون، نئون) برای تشکیل پلاسمای با دمای بالا است. میدان های مغناطیسی آن را از موتور بیرون می راند که باعث ایجاد آن می شود رانش جت. در نتیجه سرعت بالایی که با فرآیند مستمر ساخت آن حاصل می شود، بسیار زیاد است سوخت کمتراز برای موتورهای معمولی. علاوه بر این، طراحی VASIMR تماس فیزیکی الکترودها با پلاسما را از بین می برد، که به معنای افزایش طول عمر است.

نحوه عملکرد VASIMR در محفظه آزمایش در این ویدیو قابل مشاهده است. درست است، این به یک آزمایش طولانی مدت اشاره دارد که در طی آن دستگاه تنها 179 کیلووات مصرف کرد. از این تعداد 30 کیلووات در قسمت اول موتور برای ایجاد پلاسما و 149 کیلووات برای گرم کردن و شتاب دادن آن در محفظه دوم استفاده شد.

شایان ذکر است کاوشگر بین سیاره‌ای آمریکایی داون که در پاییز 2007 پرتاب شد (در سال 2011 به اولین هدف خود، وستا خواهد رسید) را یادآوری کرد. داون برای شتاب به کمربند سیارک‌ها از سه رانشگر یونی استفاده می‌کند که هر کدام حداکثر نیروی رانش 90 میلی‌نیوتن را ایجاد می‌کنند.

ناسا به شکل مجازی توضیح می‌دهد: «این با وزن یک تکه کاغذ از یک دفترچه یکسان است». می پرسی نکته چیست؟ واقعیت این است که "یونیک" حدود 10 برابر موثرتر از مواد شیمیایی است. موتورهای موشکی. به طور خاص، ضربه خاص دستگاه های ایستاده در سحر 3100 ثانیه است.

بنابراین 425 کیلوگرم سیال عامل (زنون) برای 2100 روز کار برای آنها کافی خواهد بود. حتی اگر شتاب داون با چشم نامرئی باشد، کل افزایش سرعت در کل ماموریت حدود 10 کیلومتر در ثانیه خواهد بود.

و خود دستگاه نسبتاً سبک بود (یک تن و یک چهارم). بنابراین، برای پرتاب آن از زمین، موشکی از کلاس کوچکتر (دلتا II) و بنابراین ارزانتر در مقایسه با موشکی که برای بلند کردن یک کاوشگر فرضی سیارکی ساخته شده بر اساس موتورهای شیمیایی به مدار لازم است، مورد نیاز بود.

ضربه خاص VX-200 حدود 5000 ثانیه است. به طور کلی می تواند تغییر کند که در نام دستگاه منعکس می شود. راندمان بیشتر را می توان در رانش کم، کمتر - در حداکثر به دست آورد.

بنابراین می توانید حالت عملکرد موتور اصلی را بسته به اهداف ماموریت فضاپیما تغییر دهید. در جایی می توانید کمی مایع کار بیشتری خرج کنید، اما زمان پرواز را کاهش دهید، در جایی، برعکس، کار را برای مدت طولانی تری انجام دهید، اما با حداقل مصرف "سوخت"، به این معنی - حداقل وزندستگاه

در اینجا لازم به ذکر است که VASIMR ادعا می کند که نوعی گزینه میانی برای ایجاد رانش در فضا است. بین تقویت‌کننده‌های شیمیایی (قوی اما حریص) و موتورهای موشک الکتریکی بسیار ریز، که می‌توانند حتی از VX-200 اقتصادی‌تر باشند، اما نیروی رانش تنها کسری از گرم خواهد بود.

VASIMR به طور کلی یک مزیت دیگر نسبت به رقبای پیشرانه الکتریکی دارد: در آن، پلاسما در هیچ نقطه‌ای با جزئیات دستگاه تماس پیدا نمی‌کند، بلکه فقط با میدان‌ها تماس دارد.

این بدان معناست که دستگاه Ad Astra قادر خواهد بود برای ماه‌ها و حتی سال‌ها بدون تخریب ساختاری کار کند - آنچه برای شتاب دادن فضاپیماها در مسیرشان به اعماق منظومه شمسی یا تصحیح مدار ماهواره‌ها لازم است. موتورهای موشک یون کلاسیک یک نقطه درد دارند - فرسایش شبکه های الکترود. VASIMR به سادگی آنها را ندارد.

Ad Astra Rocket برنامه های غنی برای VASIMR در تعدادی از پروژه ها دارد. بنابراین، طبق توافق با آژانس فضایی ایالات متحده در سال 2013، نسخه پروازی VX-200 با نام VF-200-1 باید در ایستگاه فضایی بین المللی آزمایش شود. دستگاهی که در حال حاضر در حال توسعه است بر اساس طراحی کلی VX-200 خواهد بود، اما از دو موتور تقریباً موازی هر کدام 100 کیلووات تشکیل خواهد شد.

(جالب اینجاست که Ad Astra Rocket در حال مذاکره برای تحویل VF-200-1 به ایستگاه با استفاده از یک حامل خصوصی از SpaceX یا Orbital Sciences است).

VF-200-1 سعی خواهد کرد مدار ایستگاه را افزایش دهد، که به طور منظم به دلیل "افتادگی" ترمز ضعیفدر بقایای جو، حتی در ارتفاع 400 کیلومتری. VF-200-1 برای مدت کوتاهی (چند دقیقه) به صورت پراکنده روشن می شود. و از آنجایی که توان گرفته شده توسط آن از شبکه بسیار زیاد است، موتور باید انرژی ذخیره شده در آن را مصرف کند باتری های مخصوص، که به نوبه خود در طول مکث در عملکرد شتاب دهنده پلاسما به تدریج از صفحات خورشیدی ISS شارژ می شود.

در صورت موفقیت آمیز بودن آزمایش، ایستگاه ممکن است به این روش افزایش مدار منتقل شود. و این وعده پس انداز بزرگ را می دهد. از این گذشته، نسخه فعلی بلند کردن مدار (با کمک موتورهای شیمیایی کشتی های حمل و نقل تامین کننده) به معنای مصرف 7.5 تن سوخت در سال است، در حالی که VASIMR سالانه برای همان هدف به 300 کیلوگرم آرگون نیاز دارد. چشم انداز فناوری حتی وسوسه انگیزتر است.

بر اساس یک یا چند VF-200-1، این شرکت بر این باور است که امکان ساخت یک کامیون بدون سرنشین وجود دارد که حمل و نقل را انجام دهد. بارهای بزرگاز مدار پایین زمین تا مدار ماه. این موتورها با پنل های خورشیدی تامین می شوند.

برای چنین وسیله ای، به احتمال زیاد، یک نیروگاه هسته ای روی برد مورد نیاز است - پانل های خورشیدی با قدرت مورد نیاز به سادگی بسیار بزرگ بیرون می آیند.

کارشناسان در مورد این واقعیت صحبت می کنند که موتورهای موشک الکتریکی برای ماموریت های دوربرد برای مدت طولانی "درخواست" سوخت هسته ای دارند. در حال حاضر هیچ مشکل اساسی و غیر قابل حلی در ساخت چنین ژنراتوری وجود ندارد.

هنوز همه سؤالات مربوط به پیچیدگی های کار خود VASIMR حذف نشده است. دانشمندان باید کارایی کلی سیستم را افزایش دهند و پیدا کنند بهترین راهخلاص شدن از گرمای اضافی که توسط چنین موتوری دفع می شود. اما به طور کلی، این فناوری در حال حاضر به مرحله ای نزدیک می شود که تأسیسات آزمایشی منحصراً زمینی باید تغییراتی را ایجاد کنند که قرار است به مدار ارسال شوند. چان دیاز و همکارانش معتقدند که نسخه های تجاری موتورهای نوع VASIMR ممکن است در سال 2014 در بازار ظاهر شوند.

انسان به لطف موتورهای موشک سوخت مایع و جامد به فضا رفت. اما آنها همچنین اثربخشی پروازهای فضایی را زیر سوال بردند. برای اینکه یک نسبتاً کوچک حداقل روی آن "گیر" کند ، آنها در بالای یک وسیله نقلیه پرتاب با اندازه چشمگیر نصب می شوند. و خود موشک در واقع یک مخزن پرنده است که سهم شیر از وزن آن به سوخت اختصاص دارد. هنگامی که تمام آن تا آخرین قطره استفاده می شود، ذخایر ناچیزی در کشتی باقی می ماند.

برای اینکه به زمین نیفتد، به طور دوره ای مدار خود را با تکانه ها بالا می برد.سوخت برای آنها - حدود 7.5 تن - توسط کشتی های خودکار چندین بار در سال تحویل می شود. اما چنین سوخت گیری در مسیر مریخ انتظار نمی رود. آیا وقت آن نرسیده که با مدارهای قدیمی خداحافظی کنیم و به موتور یونی پیشرفته تری توجه کنیم؟

برای کارکرد آن، به مقادیر غیرمجاز سوخت نیاز نیست. فقط گاز و برق الکتریسیته در فضا با جذب نور ساطع شده از خورشید توسط صفحات خورشیدی تولید می شود. هرچه از ستاره دورتر باشد، قدرت آنها کمتر است، بنابراین باید بیشتر استفاده کنید و گاز وارد محفظه احتراق اولیه می شود، جایی که توسط الکترون ها بمباران می شود و یونیزه می شود. پلاسمای سرد حاصل برای گرم شدن و سپس - برای شتاب به نازل مغناطیسی فرستاده می شود. موتور یونی پلاسمای داغ را با سرعتی غیرقابل دسترس برای موتورهای موشک معمولی از خود خارج می کند. و تقویت مورد نیاز خود را دریافت می کند.

اصل کار به قدری ساده است که می توانید یک موتور یونی نمایشی را با دستان خود مونتاژ کنید. اگر الکترود چرخ‌شکل از قبل متعادل شده باشد، روی نوک سوزن قرار گیرد و ولتاژ بالایی اعمال شود، درخششی آبی در انتهای تیز الکترود ظاهر می‌شود که توسط الکترون‌هایی که از آنها فرار می‌کنند ایجاد می‌شود. انقضای آنها یک نیروی واکنش ضعیف ایجاد می کند، الکترود شروع به چرخش می کند.

افسوس، رانشگرهای یونی چنان نیروی رانش ناچیزی دارند که نمی توانند فضاپیمایی را از سطح ماه بلند کنند، چه رسد به پرتاب زمینی. اگر دو کشتی را که به مریخ می روند، مقایسه کنیم، این را می توان به وضوح مشاهده کرد. یک کشتی سوخت مایع پس از چند دقیقه شتاب شدید پرواز خود را آغاز می کند و زمان کمی کمتری را صرف کاهش سرعت در نزدیکی سیاره سرخ می کند. کشتی با موتورهای یونی به مدت دو ماه در یک مارپیچ به آرامی شتاب می گیرد و همان عملیات در مجاورت مریخ در انتظار آن است ...

و با این حال، موتور یونی قبلاً کاربرد خود را پیدا کرده است: این موتور مجهز به تعدادی فضاپیمای بدون سرنشین است که در مأموریت‌های شناسایی بلندمدت به سیارات دور و نزدیک منظومه شمسی، به کمربند سیارک‌ها فرستاده می‌شوند.

موتور یونی همان لاک پشتی است که از آشیل تندپا پیشی می گیرد. پس از مصرف تمام سوخت در عرض چند دقیقه، موتور مایعبرای همیشه ساکت می شود و تبدیل به یک تکه آهن بی مصرف می شود. و پلاسما می تواند سال ها کار کند. این احتمال وجود دارد که آنها به اولین فضاپیمایی مجهز شوند که با سرعت کمتر از نور به نزدیکترین ستاره به زمین می رود. فرض بر این است که پرواز فقط 15-20 سال طول می کشد.

9 مارس 2013

مشکل حرکت در فضا از ابتدای پروازهای مداری بشر با آن مواجه بوده است. موشکی که از زمین بلند می شود تقریباً تمام سوخت آن به اضافه بارهای تقویت کننده ها و مراحل را مصرف می کند. و اگر هنوز بتوان موشک را از زمین جدا کرد و آن را با مقدار زیادی سوخت پر کرد، در کیهان، در فضای بیرونی به سادگی هیچ جا و چیزی برای سوخت گیری وجود ندارد. اما پس از ورود به مدار، باید حرکت کنید. و هیچ سوختی وجود ندارد.

و این مشکل اصلی فضانوردی مدرن است. هنوز امکان پرتاب یک کشتی با سوخت به ماه به مدار زمین وجود دارد، بر اساس این نظریه، برنامه ریزی برای ایجاد پایگاهی برای سوخت گیری "دوربرد" در ماه انجام می شود. سفینه های فضاییبرای مثال پرواز به مریخ. اما همه چیز خیلی پیچیده است.

و راه حل این مشکل مدتها پیش ایجاد شد، در سال 1955، زمانی که الکسی ایوانوویچ موروزوف مقاله "در مورد شتاب پلاسما توسط میدان مغناطیسی" منتشر کرد. او در آن مفهوم یک موتور فضایی اساساً جدید را توصیف کرد.

دستگاه موتور پلاسما یونی

اصول کارکرد، اصول جراحی، اصول عملکرد موتور پلاسماشامل این واقعیت است که سوخت غیر سوزان مانند یک سیال در حال کار عمل می کند موتور جت، اما جریانی از یون ها که توسط یک میدان مغناطیسی شتاب گرفته و به سرعت های دیوانه کننده می رسد.

منبع یون ها گاز است معمولاً آرگون یا هیدروژن، مخزن گاز در همان ابتدای موتور قرار دارد، از آنجا گاز به محفظه یونیزاسیون می رسد، پلاسمای سرد به دست می آید که در محفظه بعدی با استفاده از دستگاه گرم می شود. گرمایش تشدید سیکلوترون یونی پس از گرم شدن، پلاسمای پرانرژی وارد نازل مغناطیسی می شود و در آنجا به یک جریان تبدیل می شود. میدان مغناطیسی، شتاب می گیرد و به داخل پرتاب می شود محیط. به این ترتیب کشش به دست می آید.

از آن زمان، موتورهای پلاسما راه طولانی را پیموده اند و به چند نوع اصلی تقسیم شده اند، این موتورهای الکتروترمال، موتورهای الکترواستاتیک، موتورهای جریان بالا یا مغناطیسی دینامیکی و موتورهای ضربه ای هستند.

موتورهای الکترواستاتیک به نوبه خود به یون و پلاسما (شتاب دهنده های ذرات روی پلاسمای شبه خنثی) تقسیم می شوند.

در این مقاله در مورد مدرن خواهیم نوشت موتورهای یونیو آنها تحولات امیدوار کنندهاز آنجایی که به نظر ما آینده ناوگان فضایی پشت سر آنهاست.

موتور یونی از زنون یا جیوه به عنوان سوخت استفاده می کند. اولین رانشگر یونی رانشگر یون الکترواستاتیک شبکه ای نام داشت.

اصل عملکرد آن به شرح زیر است:

یونیزر تغذیه می شود زنونکه به خودی خود خنثی است، اما با بمباران الکترون های پر انرژی یونیزه می شود. بنابراین مخلوطی از یون های مثبت و الکترون های منفی در محفظه تشکیل می شود. برای "فیلتر کردن" الکترون ها، یک لوله با شبکه های کاتدی وارد محفظه می شود که الکترون ها را به سمت خود جذب می کند.

یون های مثبت به سیستم استخراج جذب می شوند که از 2 یا 3 شبکه تشکیل شده است. بین شبکه های پشتیبانی شده یک تفاوت بزرگپتانسیل های الکترواستاتیک (+1090 ولت در داخل در برابر - 225 در خارج). طبق قانون سوم نیوتن، در نتیجه یون‌ها که بین شبکه‌ها می‌افتند، شتاب می‌گیرند و به فضا پرتاب می‌شوند و کشتی را شتاب می‌دهند.

موتورهای یونی روسی لوله های کاتدی که به سمت نازل هدایت می شوند به وضوح روی همه قابل مشاهده هستند

الکترون های به دام افتاده در لوله کاتدی با زاویه کمی نسبت به نازل و جریان یون از موتور خارج می شوند. این به دو دلیل انجام شده است:

اولاً، به طوری که بدنه کشتی به طور خنثی شارژ می شود و ثانیاً به طوری که یون های "خنثی شده" از این طریق به کشتی باز نمی گردند.

برای کارکرد موتور یونی فقط دو چیز لازم است - گاز و برق. در مورد اول، همه چیز خوب است، موتور دستگاه بین سیاره ای آمریکایی داون که در پاییز 2007 راه اندازی شد، برای پرواز تقریباً 6 سال فقط به 425 کیلوگرم زنون نیاز دارد. برای مقایسه، سالانه 7.5 تن سوخت برای اصلاح مدار ایستگاه فضایی بین‌المللی با استفاده از موتورهای موشکی معمولی مصرف می‌شود.

یک چیز بد - رانشگرهای یونی نیروی رانش بسیار کمی دارند، در حد 50-100 میلی‌نیوتن، که در هنگام حرکت در جو زمین کاملاً ناکافی است. اما در فضا که عملاً هیچ مقاومتی وجود ندارد، موتور یونی می تواند در طول شتاب طولانی به سرعت های قابل توجهی برسد. مجموع افزایش سرعت در کل مدت ماموریت داون حدود 10 کیلومتر در ثانیه خواهد بود.

تست رانشگر یونی برای کشتی فضایی عمیق

آزمایش‌های اخیر شرکت آمریکایی Ad Astra Rocket که در یک محفظه خلاء انجام شد، نشان داد که موشک جدید Variable Specific Impulse Magnetoplasma VASIMR VX-200 می‌تواند نیروی رانش تا 5 نیوتن تولید کند.

موضوع دوم برق است. همان VX-200 201 کیلووات انرژی مصرف می کند. پنل های خورشیدیچنین موتوری به سادگی کافی نیست. بنابراین لازم است راه های جدیدی برای به دست آوردن انرژی در فضا ابداع شود. در اینجا دو راه وجود دارد - سوخت گیری باتری ها، به عنوان مثال، تریتیوم، که همراه با کشتی به مدار پرتاب می شود، یا یک راکتور هسته ای خودمختار، که کشتی را در طول پرواز تغذیه می کند.

در سال 2006، آژانس فضایی اروپا و دانشگاه ملی استرالیا (دانشگاه ملی استرالیا) با موفقیت نسل جدیدی از رانشگرهای یونی فضایی را آزمایش کردند و به سطوح رکوردی رسیدند.

موتورهایی که در آنها ذرات باردار در میدان الکتریکی شتاب می گیرند، مدت هاست شناخته شده اند. آنها برای جهت یابی، تصحیح مدار در برخی از ماهواره ها و وسایل نقلیه بین سیاره ای، و در تعدادی از پروژه های فضایی (هر دو قبلا اجرا شده و تازه تصور شده - خوانده شده، و) - حتی به عنوان راهپیمایی استفاده می شود.

با آنها، کارشناسان توسعه بیشتر منظومه شمسی را مرتبط می کنند. و اگرچه همه انواع موتورهای موشک الکتریکی به اصطلاح از نظر نیروی رانش (گرم در مقابل کیلوگرم و تن) بسیار پایین‌تر از موتورهای شیمیایی هستند، اما از نظر کارایی (مصرف سوخت به ازای هر گرم رانش در ثانیه) بسیار برتر هستند. و این اقتصاد (تکانه خاص) با سرعت جت پرتاب شده متناسب است.

بنابراین، در یک موتور آزمایشی به نام "Dual-Stage 4-Grid - DS4G" که بر اساس قرارداد ESA در استرالیا ساخته شد، این سرعت به رکورد 210 کیلومتر در ثانیه رسید.

برای مثال، این سرعت 60 برابر بیشتر از سرعت اگزوز موتورهای شیمیایی خوب و 4-10 برابر بیشتر از سرعت "موتورهای یونی" قدیمی است.

همانطور که از نام توسعه مشخص است، این سرعت با یک فرآیند شتاب یونی دو مرحله ای با استفاده از چهار توری متوالی (به جای توری سنتی یک مرحله ای و سه گریتینگ) و همچنین به دست آمد. ولتاژ بالا- 30 کیلو ولت علاوه بر این، واگرایی پرتو جت خروجی تنها 3 درجه بود، در حالی که برای سیستم های قبلی حدود 15 درجه بود.

و این هم اطلاعات روزهای آخر.

موتور یونی (ID) به سادگی کار می کند: گاز حاصل از مخزن (زنون، آرگون و غیره) توسط یک میدان الکترواستاتیک یونیزه شده و شتاب می گیرد. از آنجایی که جرم یون کوچک است و می تواند بار قابل توجهی دریافت کند، یون ها با سرعت 210 کیلومتر بر ثانیه از موتور خارج می شوند. موتورهای شیمیایی می توانند ... نه، چنین چیزی را ندارند، بلکه فقط در موارد استثنایی سرعت خروجی اگزوز محصولات احتراق را فقط بیست برابر کمتر می کنند. بر این اساس مصرف گاز در مقایسه با مصرف سوخت شیمیایی بسیار کم است.

به همین دلیل است که کاوشگرهای "دوربرد" مانند هایابوسا، دیپ اسپیس وان و داون به طور کامل یا جزئی روی ID کار می کنند. و اگر قصد دارید نه تنها با اینرسی به اجسام آسمانی دور پرواز کنید، بلکه به طور فعال در نزدیکی آنها مانور دهید، بدون چنین موتورهایی نمی توانید انجام دهید.

در سال 2014، رانشگرهای یونی پنجاهمین سالگرد خود را در فضا جشن گرفتند. در تمام این مدت، مشکل فرسایش حتی در اولین تقریب قابل حل نبود. (در اینجا و پایین تر. ناسا، Wikimedia Commons.)

مانند همه چیزهای خوب، ID دوست دارد تغذیه شود: تا 25 کیلو وات انرژی برای یک نیوتن رانش مورد نیاز است. بیایید تصور کنیم که به ما مأموریت داده شده است که یک فضاپیمای 100 تنی را به سمت پلوتو پرتاب کنیم (ما را به خاطر رویاپردازی ببخشید!). در حالت ایده آل، حتی برای مشتری، ما به 1000 نیوتن رانش و 10 ماه نیاز داریم، و به نپتون با همان رانش - یک سال و نیم. به طور کلی، اجازه دهید در مورد پلوتون صحبت نکنیم، وگرنه به نوعی غم انگیز است ...

خوب، برای به دست آوردن این 1000 نیوتن فرضی، ما به 25 مگاوات نیاز داریم. در اصل، هیچ چیز از نظر فنی غیرممکن نیست - یک کشتی 100 تنی می تواند یک راکتور هسته ای را بگیرد. اتفاقاً ناسا و وزارت انرژی ایالات متحده در حال حاضر روی پروژه Fission Surface Power کار می کنند. درست است، ما در مورد پایگاه های ماه و مریخ صحبت می کنیم، نه در مورد کشتی ها. اما جرم راکتور چندان زیاد نیست - فقط پنج تن، با ابعاد 3 × 3 × 7 متر ...

خوب، باشه، خواب دیدی و بس است، تو می گویی، و فورا به یاد بیاوری که گفته می شود توسط لئو تولستوی در طول جنگ کریمه اختراع شده است. به هر حال، چنین جریان بزرگی از یون ها که از موتور عبور می کند (و این یک مانع کلیدی است) باعث فرسایش آن می شود و بسیار سریعتر از ده ماه یا یک سال و نیم. علاوه بر این، این یک مشکل در انتخاب یک ماده ساختاری نیست - هر دو تیتانیوم و الماس در چنین شرایطی از بین می روند، بلکه بخشی جدایی ناپذیر از طراحی یک موتور یونی هستند.

برگرفته از Gizmag. و http://lab-37.com

آیا می دانید که در روسیه فعال است یا مثلاً ممکن است به زودی ظاهر شود اصل مقاله در سایت موجود است InfoGlaz.rfپیوند به مقاله ای که این کپی از آن ساخته شده است -

موتورهای فضایی آینده

ایجاد موتور یونی

ما به صحبت کردن ادامه می دهیم انواع موتورها.

و این مشکل اصلی فضانوردی مدرن است. هنوز امکان پرتاب یک کشتی با سوخت به ماه در مدار وجود دارد، بر اساس این تئوری برنامه‌هایی برای ایجاد یک پایگاه سوخت‌گیری در ماه برای فضاپیماهای "دوربرد" که به عنوان مثال به مریخ پرواز می‌کنند، انجام می‌شود. اما همه چیز خیلی پیچیده است.

دستگاه موتور پلاسما یونی

اصول کارکرد، اصول جراحی، اصول عملکرد موتور پلاسمااین است که سیال در حال کار سوخت نمی سوزاند، مانند جریانی از یون ها که توسط یک میدان مغناطیسی شتاب می گیرد و به سرعت های دیوانه کننده می رسد.

منبع یون ها گاز است معمولاً آرگون یا هیدروژن، مخزن گاز در همان ابتدای موتور قرار دارد، از آنجا گاز به محفظه یونیزاسیون می رسد، پلاسمای سرد به دست می آید که در محفظه بعدی با استفاده از دستگاه گرم می شود. گرمایش تشدید سیکلوترون یونی پس از گرم شدن، پلاسمای پرانرژی وارد نازل مغناطیسی می شود، جایی که با استفاده از یک میدان مغناطیسی به جریان تبدیل می شود، شتاب می گیرد و در محیط آزاد می شود. به این ترتیب کشش به دست می آید.

موتورهای الکترواستاتیک به نوبه خود به یون و پلاسما (شتاب دهنده های ذرات روی پلاسمای شبه خنثی) تقسیم می شوند.

در این مقاله در مورد مدرن خواهیم نوشت موتورهای یونیو تحولات امیدوارکننده آنها، زیرا به نظر ما آینده ناوگان فضایی پشت سر آنهاست.

اصل عملکرد آن به شرح زیر است:

یون های مثبت به سیستم استخراج جذب می شوند که از 2 یا 3 شبکه تشکیل شده است. تفاوت زیادی در پتانسیل های الکترواستاتیک بین شبکه ها وجود دارد (+1090 ولت در داخل در مقابل - 225 در خارج). طبق قانون سوم نیوتن، در نتیجه یون‌ها که بین شبکه‌ها می‌افتند، شتاب می‌گیرند و به فضا پرتاب می‌شوند و کشتی را شتاب می‌دهند.

موتورهای یونی روسی لوله های کاتدی که به سمت نازل هدایت می شوند به وضوح روی همه قابل مشاهده هستند

یک چیز بد - موتورهای یونی نیروی رانش بسیار کمی دارند، در حد 50-100 میلی‌نیوتن، که در هنگام حرکت در جو زمین کاملاً ناکافی است. اما در فضا که عملاً هیچ مقاومتی وجود ندارد، موتور یونی می تواند در طول شتاب طولانی به سرعت های قابل توجهی برسد. مجموع افزایش سرعت در کل مدت ماموریت داون حدود 10 کیلومتر در ثانیه خواهد بود.

تست رانشگر یونی برای کشتی فضایی عمیق

آزمایشات اخیر انجام شده توسط شرکت آمریکایی Ad Astra Rocket که در یک محفظه خلاء انجام شده است، نشان داد که موشک جدید Variable Specific Impulse Magnetoplasma VASIMR VX-200 می تواند نیروی رانش تا 5 نیوتن تولید کند.

موضوع دوم برق است. همان VX-200 201 کیلووات انرژی مصرف می کند. پنل های خورشیدی به سادگی برای چنین موتوری کافی نیستند. بنابراین لازم است راه های جدیدی برای به دست آوردن انرژی در فضا ابداع شود. در اینجا دو راه وجود دارد - سوخت گیری باتری ها، به عنوان مثال، تریتیوم، که همراه با کشتی به مدار پرتاب می شود، یا یک راکتور هسته ای خودمختار، که کشتی را در طول پرواز تغذیه می کند.

در حالت دوم، در شرایط فضا و آن دمای پایینجالب تر از آن پروژه یک کشتی با یک رآکتور حرارتی هسته ای در کشتی است، اما تا کنون ناسا تنها در حال توسعه یک راکتور هسته ای است.

این مطالعات به عنوان بخشی از پروژه پرومتئوس انجام می شود. ناسا قصد دارد یک کاوشگر هسته ای را به داخل منظومه شمسی پرتاب کند که مجهز به موتورهای یونی قدرتمندی است که توسط یک رآکتور هسته ای درونی کار می کنند.

آخرین ویدئوی تست موتور یونی VX-200.

آژانس فضایی اروپا یک رانشگر یونی رامجت را با استفاده از هوای اتمسفر اطراف به عنوان سیال کاری آزمایش کرده است. طبق بیانیه مطبوعاتی آژانس، فرض بر این است که ماهواره‌های کوچک با چنین موتوری می‌توانند در مدارهایی با ارتفاع 200 کیلومتری یا کمتر تقریباً به طور نامحدود قرار بگیرند.

اصل کار موتورهای یونی بر اساس یونیزاسیون ذرات گاز و شتاب آنها با استفاده از میدان الکترواستاتیک است. ذرات گاز در چنین موتورهایی به میزان قابل توجهی شتاب می گیرند سرعت های بالا، نسبت به موتورهای شیمیایی، به همین دلیل است که موتورهای یونی دارای تکانه ویژه بسیار بالاتری هستند و سوخت کمتری مصرف می کنند. اما موتور یونی دارد و نقطه ضعف مهم- رانش بسیار کم در مقایسه با موتورهای شیمیایی. به همین دلیل، آنها به ندرت در عمل، عمدتا در دستگاه های کوچک استفاده می شوند. به عنوان مثال، چنین موتورهایی در کاوشگر داون که در حال حاضر به دور سیاره کوتوله سرس می چرخد، استفاده می شود و در ماموریت BepiColombo که قرار است در پایان سال 2018 به عطارد برود استفاده خواهد شد.

مانند پیشرانه های شیمیایی، سیستم های پیشران یونی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرند، از منبع سوخت، معمولا زنون استفاده می کنند. اما مفهوم موتورهای یونی جریان مستقیم نیز وجود دارد که با این حال هنوز در وسایل نقلیه ای که به فضا پرواز می کنند استفاده نشده است. تفاوت آن در این واقعیت است که پیشنهاد می شود به عنوان یک سیال کار از منبع نهایی گاز بارگیری شده به مخزن قبل از پرتاب استفاده شود، بلکه از هوای جو زمین یا یک جسم جوی دیگر استفاده شود.

نمودار عملکرد موتور

ESA-A. دی جاکومو

فرض بر این است که دستگاه نسبتاً کوچکی با چنین موتوری می تواند عملاً در مدارهای پایین با ارتفاع حدود 150 کیلومتر نامحدود باشد و ترمز اتمسفر را با نیروی رانش موتوری که بر روی هوای وارد شده از جو وارد می شود جبران کند. در سال 2009، ESA ماهواره GOCE را به فضا پرتاب کرد که به دلیل یک موتور یونی با منبع زنون، توانست تقریباً پنج سال در مداری 255 کیلومتری بماند. از آن زمان، آژانس در حال توسعه یک رانشگر یونی رام جت برای ماهواره‌های مشابه در مدار پایین بوده است و اکنون اولین آزمایش‌های این رانشگر را انجام داده است.

آزمایش ها در یک محفظه خلاء که موتور در آن قرار داشت انجام شد. در ابتدا زنون تسریع شده به آن وارد شد. پس از آن مخلوطی از اکسیژن و نیتروژن به دستگاه مکش گاز اضافه شد و جو را در ارتفاع 200 کیلومتری شبیه سازی کرد. در پایان آزمایشات، مهندسان به طور انحصاری آزمایشاتی را انجام دادند مخلوط هوابرای بررسی عملکرد در حالت اصلی.

تست موتور با هوا به عنوان سوخت

موتور یونی جریان مستقیم