فن آوری ها: رانشگرهای فوتون و یون - رانشگر یونی جدید آماده پرواز به فضا است. موتور یونی - افق های فضایی جدید

مشکل اصلی در اکتشاف فضای بیرونی بسیار است سرعت های پاییندر هواپیماهای ساخت بشر تحولات مدرن نیز دارد هزینه هنگفتسوخت بنابراین، اگر شما یک موشک بسازید و آن را به عنوان مثال به مریخ و به عقب پرتاب کنید، آنگاه کشتی بسیار بزرگ خواهد بود. و بیشتر آن توسط سوخت اشغال خواهد شد. تقریباً بیش از یک میلیارد تن سوخت موشک با کیفیت بالا برای فرود بر روی مریخ مورد نیاز است. خوشبختانه، چنین پیشرفت مدرنی از دانشمندان به عنوان یک موتور یونی قادر به حل این مشکل در آینده نزدیک خواهد بود. از نظر تئوری، با کمک آن می توانید تا دویست کیلومتر در ثانیه شتاب بگیرید. مزایای اصلی را می توان دقیقاً سرعت توسعه یافته عظیم و عرضه اندک سوخت نامید. برای عملکرد چنین واحدی به عنوان موتور یونی، فقط برق و گاز بی اثر نیاز است. با این حال، معایبی نیز دارد، به عنوان مثال، سرعت شتاب ضعیف. این باعث می شود که به مشکلات بسیاری در استفاده از موتور در حضور میدان های گرانشی فکر کنیم.

موتور یونی: اصل کار

به دلیل ولتاژ بالا، گاز در یک محفظه مخصوص یونیزه می شود. در نتیجه، یون های گاز شروع به پرتاب شدن به دور از محفظه و ایجاد رانش می کنند. با این حال، از آنجایی که این یک واکنش زنجیره ای است و رانش بسیار آهسته و تدریجی افزایش می یابد، حدود نیم سال طول می کشد تا به دویست کیلومتر در ثانیه شتاب بگیرد. تقریباً به همان میزان زمان صرف ترمزگیری خواهد شد. از سوی دیگر، از نظر عینی این ارقام در مقایسه با شاخص های مدرن بسیار ناچیز است موتورهای فضاییکه برای دستیابی به نتایجی با کیفیت مشابه باید بیست برابر زمان صرف کنند. علاوه بر این، گاز بی اثر صدها برابر کمتر از سوخت موشک فضای اشغال می کند. تنها مشکلی که حل آن دشوار است، در دسترس بودن برق است. پنل های خورشیدی به سادگی برای تامین انرژی چیزهایی مانند رانشگرهای یونی کافی نیستند، بنابراین یک راکتور هسته ای محتمل است.

یکی دیگر از معایب را می توان مانور کم در نظر گرفت. همچنین مسئله اصلی مشکل گرانش است. با قرار گرفتن در میدان زمین، موتور به سادگی کار نخواهد کرد. از سوی دیگر، در فضای باز هیچ آنالوگ از چنین وسیله ای به عنوان موتور یونی وجود ندارد.

کمی تاریخ و دیدگاه

در ادبیات فانتزی، چنین وسایلی بسیار رایج هستند. با این حال، تنها در سال 1960 بود که یک موتور یونی به دست خود شخص (یا بهتر است بگوییم، به دست دانشمندان ناسا) ایجاد شد. به آن دستگاه الکترواستاتیک پرتو عریض می گفتند. قبلاً در اوایل دهه هفتاد، موتورهای الکترواستاتیک جیوه در فضای بیرونی آزمایش شدند.

تا پایان دهه هفتاد، ژنراتورهای اثر هال در اتحاد جماهیر شوروی مورد استفاده قرار گرفتند. به عنوان موتور اصلی، یون در سال 1998 در فضاپیمای آمریکایی استفاده شد. به دنبال آن یک کاوشگر اروپایی، یک ژاپنی دنبال شد سفینه فضاییدر سال 2003 تا به امروز، ناسا در حال توسعه یک پروژه معروف به نام پرومتئوس است. یک موتور یونی فوق العاده قدرتمند برای آن در حال طراحی است که از یک راکتور هسته ای نیرو می گیرد.

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 کیهان‌دروم، در فضای بیرونی به سادگی هیچ جا و چیزی برای سوخت‌گیری 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 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.

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 پلاسمااین است که سیال کار مانند موتورهای جت سوخت نمی سوزاند، بلکه یک جریان یونی است 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 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 شودزنونکه 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 - 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

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 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 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 انتخاب یک ماده ساختاری نیست - هم تیتانیوم و هم الماس در چنین شرایطی از بین می روند - بلکه بخشی جدایی ناپذیر از طراحی یک موتور یونی است.

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

آیا می دانید روسیه فعال است؟کار بر روی یک موتور هسته ای برای موشکیا مثلا
چیزی که ممکن است به زودی بیاید

هدف کار: مطالعه تاریخچه موتور یونی، چشم انداز استفاده از آن در آینده نزدیک و انجام محاسبات مربوط به استفاده از آن.

در طول کار، وظایف زیر تعیین شد:
پیدا کردن، مطالعه و تجزیه و تحلیل ادبیات شکل یونی موتورها
یک دوره کوتاه مقدماتی در مورد تاریخچه ایجاد، کاربرد و همچنین اصل عملکرد موتورهای یونی بنویسید.
پس از تجزیه و تحلیل نتایج پروازهای فضایی انجام شده، محاسبات خود را انجام دهم تا اطلاعات لازم را در مورد پروازی که شبیه سازی می کنم به دست بیاورم.
نتیجه گیری

یک فرضیه مطرح شد: موتور یونی دارای مزایای قابل توجهی نسبت به موتورهای موشکی معمولی است که استفاده از آن را امیدوارکننده می کند.

در کار از روش های تحقیق زیر استفاده شده است:
تحلیل و بررسی
سنتز
مدل سازی
اندازه گیری

موضوع مطالعه: موتور یونی

مرتبط بودن موضوع:

انسان سعی می کند بیشتر و بیشتر از او دور شود و از او دور شودمکان های فضایی و برای پیشرفت موفقیت آمیز بشر در این صنعت،لازم است به طور مداوم فضاپیماها را با استفاده از آنها بهبود دهیمفن آوری های جدید که مصرف سوخت را بهینه می کند، افزایش می یابدظرفیت و غیره از نظر موتور یونی بسیار سودمند استمصرف سوخت کم، به این معنی که می تواند جایگزین شودموتورهای معمولی و کمک به انسان در اکتشافات فضایی بیشتر.

فرضیه: رانشگر یونی مزایای قابل توجهی نسبت به آن داردموتورهای موشکی معمولی، استفاده از آنامیدوار کننده

تعریف

رانشگر یونی – نوع موتور موشک الکتریکی، اصلکار، که بر اساس ایجاد رانش واکنشی بر اساسگاز یونیزه شتاب به سرعت های بالادر برقرشته.

اصل عملیات

اصل کار موتور یونیزه کردن گاز و شتاب دادن به آن استمیدان الکترواستاتیک با این حال، به دلیل نسبت شارژ بالابه جرم، شتاب دادن یون ها به سرعت های بسیار بالا ممکن می شود. بنابراین، دستیابی به یک ضربه خاص بسیار بالا در یک رانشگر یونی امکان پذیر است، که باعث می شود مصرف توده واکنش پذیر گاز یونیزه به میزان قابل توجهی کاهش یابد، اما به مقادیر زیادی انرژی نیاز دارد.زنون به یونیزر عرضه می شود که به خودی خود خنثی است، اما زمانی کهبا بمباران الکترون های پرانرژی، یونیزه می شود. بنابراینبنابراین مخلوطی از یون های مثبت و یون های منفی در محفظه تشکیل می شود.الکترون ها یک لوله برای "فیلتر کردن" الکترون ها به محفظه وارد می شود.با شبکه های کاتدی که الکترون ها را به سمت خود جذب می کند.یون های مثبت به سیستم استخراج جذب می شوند که شامل2 یا 3 شبکه. تفاوت بزرگ بین شبکه ها پشتیبانی می شودپتانسیل های الکترواستاتیک (+1090 ولت در داخلی در مقابل - 225 روشنخارجی). در نتیجه ورود یون ها بین شبکه ها، شتاب می گیرند وطبق قانون سوم به فضا پرتاب می شوند و کشتی را شتاب می دهندنیوتنالکترون های به دام افتاده در لوله کاتد از موتور زیر بیرون می ریزندزاویه کوچک نسبت به نازل و جریان یون. این کار به گونه ای انجام می شود که یون ها"خنثی" بنابراین به کشتی جذب نشدند.

داستان

اصل موتور یونی برای مدت طولانی شناخته شده است و به طور گسترده در ادبیات علمی تخیلی ارائه شده است. بازی های کامپیوتریو سینما، اما برای فضانوردی به تازگی در دسترس قرار گرفته است. در سال 1960، اولین رانشگر الکترواستاتیک یونی پرتو گسترده ساخته شد (در ایالات متحده آمریکا در مرکز تحقیقات لوئیس ناسا ایجاد شد). در سال 1964، اولین نمایش موفقیت آمیز رانشگر یون زیر مداری (SERT I)، آزمایشی برای امکان سنجی خنثی سازی پرتو یونی در فضا. در سال 1970 - یک آزمون برای کار طولانیپیشرانه های الکترواستاتیک یون جیوه در فضا (SERT II). از دهه 1970، رانشگرهای یونی اثر هال در اتحاد جماهیر شوروی به عنوان پیشران ناوبری مورد استفاده قرار گرفته اند (رانشگرهای SPT-60 در دهه 1970 در ماهواره های Meteors، SPT-70 در ماهواره های Kosmos و Luch در دهه 1980، SPT-100 در ماهواره استفاده شدند. تعداد ماهواره ها در دهه 1990). به عنوان موتور اصلی (پیشران)، موتور یونی برای اولین بار در فضاپیمای Deep Space 1 استفاده شد (موتور برای اولین بار در 10 نوامبر 1998 به فضا پرتاب شد). کاوشگر اروپایی قمری Smart-1 که در 28 سپتامبر 2003 پرتاب شد و کاوشگر ژاپنی Hayabusa که در می 2003 به سمت سیارک پرتاب شد، وسایل نقلیه بعدی بودند. 27 سپتامبر 2007. سحر برای کاوش وستا و سرس در نظر گرفته شده است و سه پیشران NSTAR را حمل می کند که با موفقیت در Deep Space 1 آزمایش شده اند. آژانس فضایی اروپا یک رانشگر یونی را روی ماهواره GOCE نصب کرده است که در 17 مارس 2009 فقط به مدار بسیار پایین زمین پرتاب شد. ارتفاع حدود 260 کیلومتر موتور یونی یک پالس ثابت ایجاد می کند که اصطکاک اتمسفر و سایر اثرات غیر گرانشی روی ماهواره را جبران می کند.

برنامه های فضایی آینده

در آینده نزدیک، ESA (آژانس فضایی اروپا) به همراه JAXA (آژانس فضایی ژاپن) و Roscosmos قصد دارند از یک رانشگر یونی در ماموریت BepiColombo Mercury (آوریل 2018) استفاده کنند. دو ایستگاه مداری با یک ماژول انتقال عطارد (MTM) به این سیاره خواهند رفت. BepiColombo از پیشرانه های یونی آزمایش شده روی ماژول Smart-1 استفاده خواهد کرد.

ناسا پروژه پرومتئوس را رهبری می کند، که برای آن یک موتور یونی قدرتمند در حال توسعه است که با برق از یک رآکتور هسته ای روی برد کار می کند. فرض بر این است که چنین موتورهایی در تعداد هشت قطعه می توانند دستگاه را تا 90 کیلومتر در ثانیه شتاب دهند. اولین دستگاه این پروژه Jupiter Icy Moons Explorer قرار بود در سال 2017 به مشتری ارسال شود، اما توسعه این دستگاه در سال 2005 به دلیل مشکلات فنی متوقف شد. در حال حاضر در جستجوی موارد بیشتر پروژه ساده AMS برای اولین آزمایش تحت برنامه Prometheus.

توانایی تحویل کالا

با توجه به شتاب کم، استفاده از دستگاه هایی با موتور یونی برای بین سیاره ای (یا موارد دیگر، در) منطقی تر است. مسافت های طولانی) پروازها (که قبلاً بیش از یک بار برای آن استفاده شده است).
و اگر خصوصیات موتورهای معمولی و یونی را با هم مقایسه کنیم، در این بازه، سودآوری استفاده از دومی به وضوح قابل مشاهده خواهد بود. با سوخت کمتر افزایش می یابد ظرفیت ترابری، هزینه های نقدی برای سوخت کاهش می یابد و خود دستگاه سریعتر به هدف می رسد و سرعت را بسیار بیشتر از وسایل نقلیه با انواع موتورهای دیگر توسعه می دهد.

من محاسبات خود را انجام دادم تا بفهمم دستگاه با جرم و غیره چقدر طول می کشد مشخصات فنیقادر خواهد بود با استفاده از درایو یونی به عنوان درایو اصلی به مریخ برود. به عنوان پایه، داده های دستگاه سپیده دم را که قبلاً توسط من فراخوانده شده بود و برخی از داده های پرواز آن را گرفتم.

من از داون زنون یون رانش، که بر اساس نمونه آزمایش شده بر روی کاوشگر Deep Space 1 با نیروی رانش 30 mN و ضربه خاص 3100 ثانیه ساخته شد، به عنوان موتور در محاسبات استفاده کردم.

با استفاده از یک طرح پرواز و مانور تقریبی، آن را محاسبه کردم طول کلمسیر حدود 1 میلیارد کیلومتر است.

با استفاده از داده های پرواز، متوجه شدم که حدود 275 کیلوگرم زنون توسط یک موتور برای پرواز از زمین به وستا مصرف می شود، سپس با مقایسه طول مسیرهای پرواز به مریخ و وستا، محاسبه کردم که تنها 100 کیلوگرم زنون می تواند برای یک موتور مورد نیاز است.

من تصمیم گرفتم 3 موتور با این مشخصات را روی وسیله نقلیه پیشنهادی نصب کنم که در نتیجه جرم سوخت با حاشیه کم باید 325 کیلوگرم باشد.به عنوان هدف این دستگاه، حمل و نقل یک طرفه کالا از زمین به مریخ را انتخاب کردم. در چنین شرایطی، جرم کامیون شامل: 325 کیلوگرم سوخت، 250 کیلوگرم نرم افزار و مقداری از محموله حمل شده خواهد بود. مثلا من 600 کیلوگرم، 1 تن و 5 تن گرفتم.با توجه به فرمول های حرکت شتاب یکنواخت، متوجه شدم که دستگاه تنها پس از 3.5 سال، 4.5 سال و حدود 10 سال با سرعت نهایی 17، 13 و 6 کیلومتر بر ثانیه به هدف می رسد، که زمانی که باید کاهش یابد. نزدیک شدن به مریخ در نتیجه، من یک نتیجه ضعیف نسبتا ضعیف به دست آوردم، با این حال، برای 3 موتور با چنین رانش کمی، این نتیجه بد نیست. در آینده، داده‌هایی را از موتورهای یونی قدرتمندتر، مدرن و پیشرفته‌تر به‌عنوان پایه می‌گیرم یا ویژگی‌های مدل خود را ایجاد و محاسبه خواهم کرد.

- کار شتاب دهنده های خطی ذرات بنیادی به انرژی زیادی نیاز دارد. تنها فناوری موجود در حال حاضر که اجازه می دهد مقدار مورد نیازانرژی برای زمان مورد نیاز یک راکتور هسته ای در کشتی است. با این حال، در این مورد، دستگاه کاملاً ایمن نیست.

رانشگر یونی به کندی شتاب می گیرد، بنابراین نمی توان از آن برای به حرکت درآوردن یک فضاپیما به مدار زمین استفاده کرد. این فقط برای کشتی هایی که در حال حاضر در فضا هستند کاربردی است.

خلاصه کردن

من معتقدم که در حال حاضر، موتور یونی یکی از امیدوارکننده‌ترین دستگاه‌ها برای حرکت در فضا است که نسبت به انواع دیگر موتورها مزایای زیادی دارد.

دانشمندان در حال حاضر ماهواره‌ها و ایستگاه‌های فضایی کوچک برای کاوش در سیارات دیگر را با موتورهای یونی برای تثبیت دستگاه‌ها در فضا و به عنوان موتور اصلی تامین می‌کنند.

با توجه به مزایای خاص آن، شاید در آینده، این درایو یونی است که کشتی های ستاره ای عظیم بین سیاره ای و بین کهکشانی را با افراد زیادی در عرشه جابه جا می کند.

نتیجه

اهداف و اهداف تعیین شده در پروژه محقق شده است. من اصل رانشگر یونی را مطالعه کردم، مزایا و معایب استفاده از آن را در نظر گرفتم و با برنامه های فضایی اصلی مربوط به این نوع رانشگر آشنا شدم. در آینده، کار را می توان با انجام محاسبات دقیق تر در سایر زمینه های ممکن استفاده از موتور یونی، بر اساس سایر داده های رسمی، و همچنین با مونتاژ مدل کاری موتور یونی، بهبود بخشید.

ناسا آزمایش یک سیستم پیشران گاز یونیزه را که در ژوئن 2005 آغاز شد، به پایان رساند. اکنون می توان آن را با فضاپیماها تجهیز کرد و آنها را به سرعت هایی که قبلا دیده نشده بود، شتاب داد.

نسل جدید موتور زنون در حال آزمایش است. (عکس از ناسا.)

رانشگرهای یونی که اغلب در داستان های علمی تخیلی دیده می شوند، از دهه 70 در عمل مورد استفاده قرار گرفته اند. رانش در آنها به دلیل شتاب گاز یونیزه شده در یک میدان الکترواستاتیک ایجاد می شود.

مزیت این گونه پیشرانه ها در مقایسه با راه حل های شیمیایی سنتی، راندمان بالا، یعنی توانایی شتاب دهی دستگاه تا ده ها کیلومتر در ثانیه با مصرف سوخت کم است. درست است، این در حال حاضر در فضای بیرونی در طی یک کار طولانی موتور یونی اتفاق می افتد: رانش شروع آن کوچک است. بنابراین، به عنوان سیستم اصلی که فضاپیما را به حرکت در می آورد، این طرح اخیراً شروع به استفاده کرد.

فضاپیمای آمریکایی Deep Space 1 که در سال 1998 به فضا پرتاب شد، پیشگام پیشرانه یونی شد. پس از آن، کاوشگرهای اروپایی و ژاپنی و آخرین پروژه بزرگامروز به ایستگاه بین سیاره ای خودکار داون تبدیل شد که توسط ناسا برای مطالعه سیارک وستا و سیاره کوتوله سرس فرستاده شد.

موتور یون Dawn مدلی برای ایجاد سیستم زنون زنون تکاملی (NEXT) ناسا شد.توسعه دهندگان از مرکز تحقیقات گلن و Aerojet طیف گسترده ای از ماموریت ها را مدل سازی کرده اند که در آن چنین کنترل از راه دور می تواند نقش داشته باشد.

از سال 2005، NEXT 35.5 هزار ساعت کار کرده است که 5 هزار ساعت بیشتر از رکورد قبلی است. آزمایشات 600 کیلوگرم زنون مصرف کردند. بر اساس مدل های آزمایشی، مهندسان یک سیستم محرکه از چندین رانشگر یونی طراحی کرده اند که عمر مفید آن بیش از 6 سال خواهد بود و اکنون ناسا فقط باید انتخاب کند که کدام ماموریت برای اجرای توسعه راحت تر است. شاید برنامه فضایی پیشنهاد شده توسط آکادمی ملی علوم ایالات متحده برای دهه آینده در اینجا مفید باشد؟

منبع: Computerra-Online

موتور یونی

رانشگر یونی نوعی موتور موشک الکتریکی است. سیال عامل آن یک گاز یونیزه (آرگون، زنون، سزیم...) است.

اصول کارکرد، اصول جراحی، اصول عملکرد

اصل کار موتور یونیزه کردن گاز و شتاب دادن به آن با میدان الکترواستاتیک است. در عین حال، به دلیل نسبت بار به جرم بالا، شتاب دادن یون ها به سرعت های بسیار بالا (تا 210 کیلومتر بر ثانیه در مقایسه با 3-4.5 کیلومتر بر ثانیه برای موتورهای موشک شیمیایی) ممکن می شود. بنابراین، یک تکانه خاص بسیار بالا را می توان در یک رانشگر یونی به دست آورد. این امر باعث می شود تا مصرف توده واکنش پذیر گاز یونیزه به میزان قابل توجهی در مقایسه با مصرف توده راکتیو در موشک های شیمیایی کاهش یابد، اما به مقدار زیادی انرژی نیاز دارد. نقطه ضعف موتور در اجراهای فعلی آن، رانش بسیار ضعیف (در حد دهم نیوتن) است. بنابراین، استفاده از موتور یونی برای پرتاب از یک سیاره امکان پذیر نیست، اما، از طرف دیگر، در فضای بیرونی، با کارکرد طولانی مدت موتور، می توان فضاپیما را به سرعت هایی که در حال حاضر غیرقابل دسترسی است، شتاب داد. به هر دیگری گونه های موجودموتورها

پیاده سازی های موجود از پنل های خورشیدی برای پشتیبانی از عملکرد موتور استفاده می کنند. اما برای کار در فضای عمیق، این روش غیرقابل قبول است. بنابراین، حتی در حال حاضر نیز گاهی اوقات از تاسیسات هسته ای برای این اهداف استفاده می شود.

اصل موتور یونی برای مدت طولانی شناخته شده است و به طور گسترده در ادبیات علمی تخیلی، بازی های رایانه ای و سینما ارائه شده است، اما اخیراً برای فضانوردی در دسترس قرار گرفته است.
در سال 1960، اولین رانشگر الکترواستاتیک یونی پرتو پهن (پرتو گسترده) ساخته شد (در ایالات متحده آمریکا در مرکز تحقیقات لوئیس ناسا ایجاد شد). در سال 1964، اولین نمایش موفق زیر مداری یک رانشگر یونی (SERT I) آزمایشی برای امکان سنجی خنثی سازی پرتو یونی در فضا بود.

در سال 1970، آزمایش عملکرد طولانی مدت پیشرانه های الکترواستاتیک یون جیوه در فضا (SERT II). از دهه 1970، رانشگرهای یونی اثر هال در اتحاد جماهیر شوروی به عنوان پیشران ناوبری مورد استفاده قرار گرفته اند (رانشگرهای SPT-60 در دهه 1970 در ماهواره های Meteors، SPT-70 در ماهواره های Kosmos و Luch در دهه 1980، SPT-100 در ماهواره استفاده شدند. تعداد ماهواره ها در دهه 1990).

به عنوان موتور اصلی (پیشران)، موتور یونی برای اولین بار در فضاپیمای Deep Space 1 استفاده شد (موتور برای اولین بار در 10 نوامبر 1998 به فضا پرتاب شد). کاوشگر اروپایی Smart-1 که در 28 سپتامبر 2003 پرتاب شد و کاوشگر ژاپنی Hayabusa که در می 2003 به سمت سیارک پرتاب شد، وسایل نقلیه بعدی بودند.

فضاپیمای بعدی ناسا با موتورهای یونی پایدار (پس از یک سری انجماد و از سرگیری کار) AMS Dawn بود که در 27 سپتامبر 2007 پرتاب شد. Dawn برای مطالعه Vesta و Ceres در نظر گرفته شده است و سه موتور NSTAR را حمل می کند که با موفقیت در Deep Space 1 آزمایش شده اند.
آژانس فضایی اروپا یک رانشگر یونی را روی ماهواره GOCE نصب کرده است که در 17 مارس 2009 به مداری بسیار پایین زمین با ارتفاع حدود 260 کیلومتر پرتاب شد. موتور یونی یک پالس ثابت ایجاد می کند که اصطکاک اتمسفر و سایر اثرات غیر گرانشی روی ماهواره را جبران می کند.

چشم انداز

ESA قصد دارد از یک رانشگر یونی در ماموریت BepiColombo Mercury استفاده کند. این بر اساس موتور مبتنی بر Smart-1 خواهد بود، اما قدرتمندتر خواهد بود (راه اندازی برای سال 2011-2012 برنامه ریزی شده است).
ناسا پروژه پرومتئوس را رهبری می کند، که برای آن یک موتور یونی قدرتمند در حال توسعه است که با برق از یک رآکتور هسته ای روی برد کار می کند. فرض بر این است که چنین موتورهایی در تعداد هشت قطعه می توانند دستگاه را تا 90 کیلومتر در ثانیه شتاب دهند. اولین دستگاه این پروژه Jupiter Icy Moons Explorer قرار بود در سال 2017 به مشتری ارسال شود، اما توسعه این دستگاه در سال 2005 به دلیل مشکلات فنی متوقف شد. در حال حاضر، جستجو برای یک پروژه ساده تر AMC برای اولین آزمایش تحت برنامه Prometheus در حال انجام است.

مقاله در Computerra
در مورد استفاده از راکتورهای هسته ای برای موتورهای یونی (Membrana.ru)
BepiColombo در وب سایت ESA
پروژه Prometheus در وب سایت ناسا
AMS Dawn با انرژی یونی در 25 سپتامبر 2007 راه اندازی شد.

رانشگرهای فوتونیک و یونی

از خیال تا واقعیت

موتور فوتون - موتور جتکه نیروی رانش آن در اثر خروج کوانتوم های تابش الکترومغناطیسی یا فوتون ها ایجاد می شود. مزیت اصلی چنین موتوری حداکثر سرعت ممکن اگزوز در چارچوب مکانیک نسبیتی است. برابر با سرعتنور در خلاء برای یک دستگاه موشک، این تنها راه شناخته شده برای دستیابی به کسر قابل توجهی از سرعت نور در مقادیر معقول عدد Tsiolkovsky است که نسبت جرم یک موشک سوخت‌شده و خالی را مشخص می‌کند. البته لازم به ذکر است که در این مورد ما در مورد عدد Z از مرتبه چند ده تا صدها با مقادیر فنی از مرتبه 10 برای موشک های چند مرحله ای صحبت می کنیم. اشکال اصلی موتور فوتون راندمان پایین زنجیره تبدیل انرژی از منبع اولیه به جت فوتون است. استفاده از واکنش نابودی برای تولید مستقیم کوانتوم های نوری و گاما شدت مشکل را تا حد زیادی کاهش نمی دهد، زیرا لازم است تلفات ذخیره سازی پادماده (بدون ذکر تولید آن) و دشواری آن در نظر گرفته شود. تمرکز تابش حاصل علاوه بر این، به عنوان واقعی تر، استفاده از پلاسمای گرما هسته ای به عنوان منبع فوتون (از جمله برای تولید تابش لیزر) و استفاده از کوانتوم های الکترومغناطیسی با دامنه طول موج بلندتر ("موتور رادیویی") در نظر گرفته شد. در مورد اول مشکلات تولید و نگهداری پلاسما با پارامترهای لازم. "موتور رادیویی" کار تمرکز "جت واکنشی" را بسیار ساده می کند، اما کارایی مجموعه پیشرانه را به شدت کاهش می دهد.

موتور فوتون: پیشرفت فضایی

اثر انتشار غبار تحت تأثیر تابش نور، ایجاد یک نوع پیشرانه فضایی جالب و امیدوارکننده برای پرواز به سایر سیارات منظومه شمسی را ممکن می کند. ذرات گرد و غبار تحت تأثیر نور و گرما، جاذبه را به چالش می کشند و به سمت بالا می شتابند. این اثر که نقش مهمی در شکل‌گیری سیارات و سیارک‌ها داشت، می‌تواند کاربرد عملی در دستگاه‌های حذف گرد و غبار و همچنین در موتورهای کاوشگرهای مریخ و ایجاد نوع جدیدی از بادبان‌های فضایی پیدا کند.
هنگامی که لایه ای از غبار در معرض تابش لیزر قرمز قرار می گیرد، انتشار ذرات فورانی مشاهده می شود که یادآور فوران یک آتشفشان کوچک است. به گزارش PhysOrg، دانشمندان گرهارد ورم (گرهارد ورم) و الیور کراوس (الیور کراوس) از دانشگاه مونستر با مطالعه جامع این پدیده به این نتیجه رسیدند که وقوع آن با فوتوفورز و "اثر گلخانه ای" در حالت جامد مرتبط است.
فوتوفورز - یا حرکت ذرات تحت تأثیر نور - بر اساس یک اثر شناخته شده از دیرباز به نام ترموفورز است، یعنی حرکت ذرات تحت تأثیر گرما. در محیط‌هایی با گرادیان دما، ذرات از ناحیه‌ای گرم‌تر به ناحیه‌ای با دمای کمتر حرکت می‌کنند. هنگامی که منبع گرما انرژی نور جذب شده باشد، به این فرآیند فوتوفورز می گویند.

موتور فوتون - موتوری که نیروی رانش آن به دلیل انقضای کوانتوم ها یا فوتون های تابش مغناطیسی e / ایجاد می شود. انتشار ذرات پودر گرافیت (داخل - "فوران" ذرات کربن شیشه ای).
موتور فوتون - آیا این یک واقعیت است؟

علاوه بر گرادیان دمای سطح، «اثر گلخانه ای» جامدات نیز در فوران گرد و غبار نقش دارد. اثر گلخانه ای به این دلیل رخ می دهد که پرتو لیزر به شدت ذرات گرد و غبار را که کمی عمیق تر از لایه های سطحی هستند (حداقل در عمق 100 میکرون که چندین ده لایه ذره است) گرم می کند.
دانشمندان محاسبه کرده‌اند که برای آزاد کردن یک ذره کروی 1 میکرومتری به نیرویی حدوداً 10-7 نیوتن نیاز است. اما این حد هنوز محدود نیست. این حد احتمالاً به توزیع و اندازه ذرات و قدرت متقابل آنها بستگی دارد. چسبندگی و قدرت پرتو لیزر."
با توان 50 مگاوات، تشعشع تا عمق چند میلی متری لایه غبار نفوذ می کند. دما با افزایش عمق تمایل به کاهش دارد، اما در واقع نه در سطح، بلکه در عمق 100 میکرومتر به حداکثر خود می رسد. بنابراین، یک گرادیان دما معکوس در نزدیکی سطح ایجاد می شود که باعث فوران ذرات گرد و غبار می شود. در طول آزمایش‌ها، همچنین مشخص شد که در عرض چند ده ثانیه پس از خاموش شدن لیزر، به دلیل سرد شدن سریع سطح، نقطه حداکثر گرادیان دما عمیق‌تر می‌شود که باعث افزایش بیشتر قدرت فوتوفورز می‌شود.
فتوفورز بهتر است در فشار کم مشاهده شود. آزمایش ها در فشار 10 میلی بار انجام شد که تقریباً 0.01 فشار جوی معمولی زمین است، بنابراین تأثیر فوتوفورز بر گرد و غبار زمینی ناچیز است. با این حال، در مراحل اولیه شکل‌گیری سیارات و ستارگان، فوتوفورز در فشارهای پایین احتمالاً نقش مهمی در تشکیل دیسک‌های گاز و غبار داشت که به نوبه خود منجر به تشکیل سیارک‌ها و دیگر اجرام فضایی کمربند کویپر شد.
دانشمندان بر این باورند که در آینده، فوتوفورز ممکن است کاربرد عملی در جو نادر مریخ پیدا کند. به عنوان مثال، این فناوری را می توان در ایستگاه های تحقیقاتی خودکار برای حذف گرد و غبار از بلوک های سلول خورشیدی و عدسی های ابزارهای نوری استفاده کرد. علاوه بر این، دانشمندان قصد دارند یک بادبان خورشیدی بسازند که به جای فشار تشعشع، از قدرت فوتوفورز استفاده کند. به گفته فیزیکدانان، چنین بادبانی که شبیه یک تور ماهیگیری است و بر اساس فوتوفورز منفی کار می کند، می تواند کاوشگرهای کوچکی را به حرکت درآورد. بادبانی با ابعاد 10x10 متر تنها به دلیل تابش "غیرفعال" خورشید قادر به حمل باری با وزن چند ده کیلوگرم است.

Ion Drive: Space Breakthrough

ION ENGINE - در روز شنبه 30/09/2003، ایستگاه تحقیقاتی آژانس فضایی اروپا SMART 1 با موفقیت از فضاپیمای Kourou توسط پرتابگر Ariane 5 پرتاب شد. مشارکت تقریباً 30 پیمانکار فرعی از 11 مورد. کشورهای اروپاییو ایالات متحده آمریکا هزینه کل این پروژه 110 میلیون یورو بوده است.
SMART 1 اولین ایستگاه خودکار ESA برای اکتشاف ماه است. در عین حال، این یک ایستگاه تحقیقاتی منحصر به فرد از نوع جدید است، اولین ایستگاه در یک برنامه جدید ESA به نام ماموریت های کوچک برای تحقیقات پیشرفته در فناوری. در طول اجرای برنامه، برنامه ریزی شده است که تعدادی از فن آوری های جدید، به عنوان مثال، ارتباطات در باند کا و ارتباطات لیزری، ناوبری مستقل و موارد دیگر آزمایش شود.
وقتی به اندازه کافی در تعداد زیادتجهیزات، SMART 1 سبک وزن (370 کیلوگرم، از جمله تجهیزات علمی - 19 کیلوگرم) و جمع و جور است. با تا شده پنل های خورشیدییک مستطیل به اندازه یک متر است. هزینه SMART 1 حدود پنج برابر کمتر از یک ایستگاه بین سیاره ای معمولی ESA است. اما بیشترین ویژگی اصلیفضاپیمای جدید این است که برای اولین بار در تاریخ فضانوردی از موتور یونی به عنوان موتور اصلی استفاده می شود. ESA قصد دارد دو وسیله نقلیه دیگر مجهز به پیشرانه یونی را شامل شود. اینها BepiColombo برای مطالعه عطارد و مدارگرد خورشیدی برای مطالعه خورشید هستند.
موتور یونی نصب شده در SMART 1 1350 وات برق تولید شده توسط پنل های خورشیدی مصرف می کند و نیروی رانش 0.07 نیوتن را ایجاد می کند که تقریباً وزن یک کارت پستال است. ماده کار زنون است (تامین سوخت 82 کیلوگرم). در همان زمان، 16 ماه طول کشید تا ایستگاه وارد مدار قطبی بیضی شکل به دور ماه شود. پرتاب SMART 1 به مدار محاسبه شده یک فرآیند پیچیده چند مرحله ای متشکل از مراحل بود.

به بیان دقیق، پیشرانه‌های یونی قبلاً روی فضاپیماها نصب شده‌اند - در سال‌های اخیر، به‌ویژه در ایستگاه تحقیقاتی فضای عمیق 1 (DS 1) ناسا و در ماهواره ارتباطی زمین‌ایستا آزمایشی آرتمیس ESA. در مورد دوم، به لطف وجود موتورهای یونی در هواپیما، می توان ماهواره ای را که به نظر می رسید کاملاً گم شده بود، با هزینه میلیون ها دلار نجات داد.
عملکرد غیرعادی مرحله فوقانی پرتابگر آریان 5 که ماهواره آرتمیس را به مدار پرتاب کرد، منجر به کاهش چشمگیر مدار آرتمیس از مدار محاسبه شده شد. این معمولا منجر به از دست دادن یک ماهواره می شود. اگر تهدیدی برای فضاپیماهای دیگر باشد، غرق می شود (وسایل نقلیه سنگین) یا در جو «سوخته» می شود. اما آرتمیس از این سرنوشت غم انگیز فرار کرد.
به لطف اقدامات فوری انجام شده و به قیمت صرف تقریباً کل ذخیره سوخت شیمیایی در هواپیما، ماهواره به مداری دایره ای با ارتفاع 31 هزار کیلومتر منتقل شد. اما پس از آن، انتقال آرتمیس به زمین ثابت تخمینی (با ارتفاع حدود 36 هزار کیلومتر) ضروری بود. سپس تصمیم گرفته شد از چهار موتور یونی نصب شده روی کشتی به صورت جفت استفاده شود. آنها در ابتدا برای کنترل جهت (شیب) ماهواره در نظر گرفته شده بودند. برای انجام این انتقال، بردار رانش موتورها عمود بر صفحه مدار هدایت شد. اما برای نجات دستگاه، باید در صفحه مدار به آن ضربه داده شود و بنابراین به مدار زمین ثابت بالاتر منتقل شود. آرتمیس باید 90 درجه از جهت طبیعی خود بچرخد.
سخت ترین عملیات نجات، نیازمند توسعه "در حال حرکت" بود استراتژی جدیداقدامات، حالت های جدید کنترل ماهواره ای و بهره برداری از تجهیزات داخل هواپیما. 20٪ از کل نرم افزارهای آنبورد اصلاح شدند. و با این حال عملیات بسیار موفقیت آمیز بود. پیچیدگی آن با این واقعیت مشهود است که فقط برای برنامه ریزی مجدد سیستم آنبردمدیریت مورد نیاز برای دانلود بلوک های نرم افزاری اصلاح شده از زمین با حجم کل 15 هزار کلمه است. این بزرگترین عملیات برنامه ریزی مجدد یک ماهواره مخابراتی از زمین بود.
با وجود رانش متوسط ​​(فقط 15 میلی‌نیوتن)، آرتمیس شروع به "صعود" به مدار محاسبه شده کرد و 15 کیلومتر در روز بالا رفت. کل عملیات نجات 18 ماه طول کشید. 31 ژانویه 2003 آرتمیس دقیقا همان جایی بود که یک سال و نیم پیش باید می بود. اولین عملیات نجات در جهان، که نتیجه آن کاملاً به قابلیت اطمینان موتورهای یونی و اقدامات هماهنگ مردم روی زمین بستگی داشت، موفقیت آمیز بود. ماهواره که گمان می رفت به طرز ناامیدکننده ای گم شده بود، به حالت عادی بازگشت.

طراحی موتور اصلی SMART 1 تفاوت قابل توجهی با موتورهای نصب شده روی DS 1 و Artemis دارد. در مورد دو دستگاه آخر، یک توری با پتانسیل اعمال شده روی آن (به اصطلاح موتور یون شبکه ای) برای شتاب دادن به یون ها استفاده شد. در مقابل، SMART 1 مجهز به موتور یونی هال است که در طراحی آن تفاوت چشمگیری دارد. یک مزیت مهمموتورهای هال افکت عدم وجود شبکه ای است که در معرض بمباران مداوم یون های پرانرژی قرار می گیرد و در نتیجه تخریب سریع آن رخ می دهد. در مورد سایر ویژگی های رانشگرهای یونی با طرح های مختلف، وضعیت چندان واضح نیست. به طور کلی، موتورهای توری به شما این امکان را می دهند که یک ضربه خاص بیشتری دریافت کنید و حدود دو برابر مصرف کنید سوخت کمتر(سیال کاری) نسبت به موتورهای هال. با این حال، در همان زمان، موتورهای هال ایجاد یک نیروی رانش خاص بزرگ با مصرف انرژی یکسان را ممکن می کند. هر دو طرح مزایا و معایب خود را دارند و انتخاب گزینه ارجح در هر مورد به ماهیت وظایف پیش روی دستگاه و توانایی انرژی آن بستگی دارد.

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