Propulsor ionic

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Testarea unui propulsor de ioni

Un propulsor de ioni este un tip de propulsie electrică utilizată pentru propulsia spațială capabilă să creeze o împingere din accelerația ionilor . Propulsoarele ionice diferă prin modul în care accelerează ionii, folosind forțe electrostatice sau electromagnetice . Propulsoarele electrostatice folosesc forța Coulomb , accelerând astfel ionii în direcția câmpului electric , în timp ce cei electromagnetici folosesc forța Lorentz .

Împingerea creată în motor ionic este foarte mică în comparație cu chimice convenționale rachete , dar un foarte mare impuls specific sau eficiența propulsiei, este atins.

Datorită nevoilor lor relativ ridicate de energie, având în vedere puterea specifică a surselor de energie, propulsoarele ionice sunt considerate convenabile numai pentru aplicațiile de propulsie spațială.

Origini

Principiile propulsiei ionice se bazează pe conceptele dezvoltate de fizicianul german / austriac Hermann Oberth care au fost publicate în celebra sa lucrare din 1929 "Wege zur Raumschiffahrt" "(Moduri de zbor spațial). Un întreg capitol al lucrării este dedicat propulsiei și alimentării cu energie și sunt explicate gândurile sale despre reducerea masei necesare propulsoarelor electrice, asigurând utilizarea lor în propulsia spațială sau controlul direcțional al zborului și apărarea accelerării electrostatice a gazelor ionizate. [1]

Primul propulsor ionic funcțional a fost construit de Harold R. Kaufman în 1959 la fabricile NASA din Centrul de Cercetare Glenn . A fost similar cu designul generic al unui propulsor de ioni electrostatic cu rețea care a folosit mercurul ca propulsor . Testele suborbitale ale motorului au urmat în anii 1960 și în 1964 a fost trimis în zbor suborbital pe SERT-1 („Space Electric Rocket Test 1”). A funcționat cu succes pentru cele 31 de minute preconizate înainte de a cădea din nou la pământ. [2]

Propulsoare de efect sovietice și ruse

Propulsorul cu efect Hall a fost studiat independent de Statele Unite și Uniunea Sovietică în anii 1950 și 1960, cu toate acestea, conceptul propulsorului Hall a fost dezvoltat într-un instrument de propulsie eficient doar în fosta Uniune Sovietică, în timp ce oamenii de știință americani s-au concentrat pe dezvoltarea propulsoarelor de rețea ionică. Propulsoarele cu efect Hall au fost utilizate în sateliții sovietici din 1972 și până în anii 1990 au fost utilizate în principal pentru stabilizarea sateliților în direcțiile Nord-Sud și Est-Vest. 100 până la 200 de motoare și-au finalizat misiunea pe sateliții ruși și sovietici până la sfârșitul anilor '90. [3] Proiectul propulsorului sovietic a fost introdus în Occident în 1992 după ce o echipă de specialiști în propulsie electrică, cu sprijinul Organizației de apărare a rachetelor balistice , a vizitat fostele laboratoare sovietice.

Descriere generala

Propulsorii ionici folosesc raze de ioni (atomi sau molecule încărcate electric) pentru a crea împingere în conformitate cu al treilea principiu al dinamicii . Metoda de accelerare a ionilor variază, dar toate proiectele profită de raportul încărcare- masă al ionilor. Această relație poate însemna că chiar și diferențele de potențial relativ mici pot crea viteze mari în gazele de eșapament. Acest lucru reduce cantitatea de masă reactivă sau combustibil necesară, dar crește cantitatea de putere specifică necesară în comparație cu cea a rachetelor chimice . Prin urmare, propulsoarele ionice sunt capabile să obțină impulsuri specifice extrem de ridicate. Dezavantajul tracțiunii scăzute este accelerarea slabă a vehiculului, deoarece masa unităților de curent electric este direct proporțională cu cantitatea de energie furnizată. Acest lucru face ca propulsoarele ionice să nu fie adecvate pentru lansarea vehiculelor pe orbită, dar ideale pentru aplicații de propulsie în spațiu.

Au fost proiectate mai multe propulsoare de ioni și toate pot fi grupate în două categorii: electrostatice sau electromagnetice . Principala diferență este modul în care ionii sunt accelerați.

Propulsoare de ioni electrostatici

Propulsoarele ionice de acest tip folosesc forța Coulomb pentru a accelera ionii în direcția câmpului electrostatic.

Propulsoare de ioni de rețea electrostatică

O diagramă care descrie funcționarea unui motor electrostatic cu ioni de rețea

Propulsoarele ionice de rețea electrostatică utilizează în mod obișnuit gazul xenon , care este în mod normal neîncărcat și ionizat prin bombardarea acestuia cu electroni dintr-un catod roșu. Acest bombardament creează ioni încărcați pozitiv din cauza pierderii unui electron. Acești ioni pozitivi se difuzează apoi prin grila pozitivă și intră în zona diferenței de potențial între grila pozitivă și negativă (anod și respectiv catod). Această diferență de potențial accelerează ionii la viteză mare, care, traversând grila negativă, generează impulsul. Un alt catod din exteriorul motorului emite mai mulți electroni care se combină cu ionii pentru a-i neutraliza. Aceasta pentru a preveni revenirea fasciculului de ioni la vehicul, anulând tracțiunea. [2]

Cercetări privind propulsoarele de rețea electrostatică (trecut și prezent):

  • Pregătirea tehnologică a aplicației pentru propulsie electrică solară NASA (NSTAR)
  • Propulsorul evolutiv de xenon al NASA (NEXT)
  • Sistemul de ioni de xenon electric nuclear (NEXIS)
  • Propulsie electrică de mare putere (HiPEP)
  • 4-rețea în două etape (DS4G) [4] [5]

Propulsoare cu efect Hall

Diagrama unui propulsor cu efect Hall

Propulsoarele cu efect Hall accelerează ionii prin utilizarea unui potențial electric ținut între un anod cilindric și o plasmă încărcată negativ care formează catodul. Masa propulsorului (de obicei xenon sau gaz bismut ) este introdusă în apropierea anodului, unde este ionizat, apoi ionii sunt atrași de catod și accelerați către și prin el, colectând electroni în timp ce se mișcă pentru a neutraliza fasciculul și a lăsa -motor de viteză.

Anodul se află la capătul unui tub cilindric cu un vârf în centru care produce un câmp magnetic radial între acesta și tub. Ionii nu sunt afectați prea mult de câmpul magnetic, deoarece sunt prea grei; cu toate acestea, electronii produși aproape de capătul vârfului pentru a crea catodul sunt afectați mai mult prin prinderea și păstrarea în zonă prin atracția lor către anod. Unii electroni spiralează către anod, circulând în jurul vârfului într-un curent Hall. Când ajung la anod, lovesc combustibilul neîncărcat și îl ionizează, înainte de a ajunge la anod închizând circuitul. [6]

Propulsie cu emisie de câmp electric (FEEP)

Propulsie electrică câmp emisii (câmp emisie Electric Propulsia, FEEP) utilizează un sistem foarte simplu pentru a accelera ionii de metal lichid pentru a genera forța de tracțiune. Majoritatea proiectanților folosesc cesiu sau indiu ca propulsor. Proiectul constă dintr-o mică rezervă de propulsor care conține metalul lichid, o fantă foarte mică prin care curge lichidul și un inel accelerator. Cesiul și indiul sunt utilizate datorită greutății lor atomice mari, potențialelor de ionizare scăzute și temperaturilor scăzute de topire. Odată ce metalul lichid ajunge în interiorul fantei emițătorului, un câmp electric aplicat între acesta și inelul de accelerație provoacă instabilitate în metalul lichid provocând ionizarea acestuia. Acest lucru creează ioni pozitivi care pot fi apoi accelerați în câmpul electric creat între emițător și inel. Acești ioni încărcați pozitiv sunt apoi neutralizați de o sursă externă de electroni pentru a evita încărcarea fuselajului vehiculului. [7] [8]

Comparații

Tabelul următor compară datele actuale ale testelor pentru unele propulsoare de ioni, dintre care majoritatea propulsează ioni cu o diferență de potențial de 300 de volți .

Motor Propulsor Putere necesară
( kW )		 Impuls specific
( s )		 Împingere
( mN )
NSTAR Xenon 2.3 3300 nouăzeci și doi
URMĂTORUL Xenon 10.5 3900 364
NEXIS Xenon 20.5 6000-7500 400
HiPEP Xenon 25-50 6000-9000 460-670
efectul de hol Bismut 25 3000 1130
efectul de hol Bismut 140 8000 2500
efectul de hol Xenon 25 3250 950
efectul de hol Xenon 75 2900 2900
FEEP Ceziu lichid 6x10 −5 -0.06 6000-10000 0,001-1

Durată

Principalul factor limitativ al propulsoarelor de ioni este forța lor mică de împingere . Această forță este rezultatul vitezei mari a gazelor de eșapament, care necesită multă energie, iar performanța este limitată în continuare de puterea specifică a surselor de energie. În plus, multe propulsoare sunt capabile să manipuleze numai fluxuri mici de propulsor, de exemplu, modelele de rețele electrostatice suferă de efecte de „încărcare spațială” în fluxurile mari. Această accelerație slabă are ca rezultat necesitatea de a oferi un impuls continuu pentru o lungă perioadă de timp pentru a realiza o schimbare rezonabilă a vitezei ( Delta-v ). Pentru a realiza aceste delta-v, propulsoarele ionice sunt proiectate să dureze de la săptămâni la ani.

Deși nu conțin piese în mișcare supuse la frecare, aceste motoare sunt încă supuse fenomenelor de uzură, în principal datorită coliziunilor dintre ioni și rețeaua electrostatică, care provoacă eroziunea acestuia. Timpul necesar pentru o eroziune semnificativă este, pentru aplicațiile actuale, în general mult mai mare decât durata de funcționare necesară. Un test al propulsiei electrice solare NASA ( NASA NSTAR) pentru propulsoarele electrostatice a dus la 30.472 ore (aproximativ 3,5 ani) de împingere continuă la putere maximă. Testul a fost încheiat înainte de orice defecțiune și rezultatele sale au arătat că motorul nu se apropia nici măcar de defecțiune. [9]

Propulsori

Energia de ionizare reprezintă un procent mare din energia necesară pentru funcționarea motoarelor cu ioni. Propulsorul ideal pentru aceste motoare este, prin urmare, o moleculă sau un atom cu un raport mare de masă la energie de ionizare. În plus, combustibilul nu ar trebui să provoace un grad mare de eroziune a motorului pentru a permite o durată lungă de viață și nu ar trebui să contamineze vehiculul.

Multe dintre modelele actuale utilizează gazul xenon datorită energiei sale reduse de ionizare, a numărului atomic relativ mare, a naturii inerte și a gradului scăzut de eroziune. Cu toate acestea, xenonul este greu de prezentat în natură și este foarte scump.

Modelele mai vechi foloseau mercur , care este toxic, scump și tinde să contamineze vehiculul.

Alți propulsori precum bismutul au arătat posibilități bune și sunt încă domenii de cercetare, în special pentru modelele fără grilă, cum ar fi propulsoarele cu efect Hall.

Aplicații

Propulsoarele ionice ar putea avea multe aplicații în propulsia spațială. Cele mai bune utilizări ale propulsoarelor sunt în capacitatea de a-și folosi viața lungă atunci când nu este necesară o împingere excesivă. Exemplele includ transferuri de orbită, ajustări de aliniere, compensarea tragerii pentru orbite joase și ajustări fine în misiuni mai științifice. Propulsoarele ionice pot fi, de asemenea, utilizate pentru misiuni interplanetare și spațiale adânci în care timpul nu este crucial. Impingerea continuă pe o perioadă foarte lungă de timp permite viteze mai mari decât cele realizabile cu rachetele chimice tradiționale. [6] [10]

Misiuni

Dintre toate propulsoarele electrice, propulsoarele ionice au fost cele mai considerate din punct de vedere comercial și academic în cercetarea misiunilor interplanetare și a manevrelor de ridicare orbitală. Propulsoarele ionice sunt considerate cele mai potrivite pentru aceste misiuni, deoarece necesită o schimbare mare a vitezei în ansamblu, care poate fi construită pe perioade lungi de timp. Mai multe nave spațiale au exploatat această tehnologie.

SERT

Primul vehicul a fost SERT ( Space Electric Rocket Test ) care a testat două motoare cu ioni de mercur timp de mii de ore în anii 1970. [11]

Deep Space 1

NASA a dezvoltat un propulsor de ioni numit NSTAR pentru utilizare în misiunile lor interplanetare. Acest propulsor a fost testat cu succes în nava spațială Deep Space 1 , lansată de la Cape Canaveral la 24 octombrie 1998 cu ajutorul unei rachete Delta II. Huges a dezvoltat XIPS (Xenon Ion Propulsion System) pentru a menține staționaritatea sateliților geosincroni . Acestea sunt propulsoare de ioni electrostatici și funcționează pe un principiu diferit de cele cu efect Hall.

Artemis

La 12 iulie 2001,Agenția Spațială Europeană nu a reușit să lanseze satelitul de telecomunicații Artemis , lăsându-l pe o orbită în descompunere. Cu toate acestea, propulsorul chimic al satelitului a fost suficient pentru a-l transfera pe o orbită semi-stabilă și în următoarele 18 luni a fost utilizat sistemul experimental de propulsie ionică la bord (conceput pentru manevre de întreținere a orbitei secundare) pentru a-l transfera pe orbita geostaționară. [12]

Hayabusa

Satelitul Hayabusa al agenției spațiale japoneze, care a fost lansat în 2003 și a întâlnit cu succes asteroidul 25143 Itokawa și a rămas acolo timp de mai multe luni pentru a colecta probe și informații, este alimentat de patru motoare cu ioni xenon. Folosește ioni de xenon generați de microunde ECR și un material compozit carbon / carbon pentru rețeaua de accelerație rezistentă la eroziune. [13]

Inteligent 1

Propulsorul de efect Hall este un tip de propulsor de ioni care a fost utilizat de zeci de ani în menținerea orbitei staționare de către Uniunea Sovietică și este folosit acum de Vest: satelitul Smart 1al Agenției Spațiale Europene lansat în 2003 a folosit Snecma PPS-1350 - G. Acest satelit și-a finalizat misiunea pe 3 septembrie 2006 într-o coliziune controlată împotriva suprafeței lunii după o deviere a traiectoriei pentru a putea vedea craterul de trei metri generat în impactul pe partea vizibilă a lunii.

Zori

The Dawn a fost lansat pe 27 septembrie 2007 pentru a explora planeta pitică Ceres și asteroidul Vesta . Pentru a călători între Pământ și țintele sale, folosește trei propulsoare de ioni de xenon moștenite din Deep Space 1 (care trag unul câte unul) pentru a-l duce într-o spirală îndelungată. Este previzibilă și o misiune ulterioară în care Dawn explorează alți asteroizi în afară de Ceres. Motorul ionic al Dawn este capabil să-l accelereze de la 0 la 60 mph (97 km / h) în 4 zile. [14]

LISA Pathfinder

LISA Pathfinder este un vehiculESA care trebuia să fie lansat în 2011, dar a plecat pe 3 decembrie 2015. Nu folosește motoare cu ioni ca sistem de propulsie primar, ci folosește atât propulsoare coloidale, cât și FEEP pentru un control foarte precis al atitudinii. forța mică generată de aceste instrumente de propulsie face posibilă deplasarea vehiculului pe distanțe incrementale foarte precis. Acesta este unul dintre testele posibile pentru misiunea LISA .

BepiColombo

BepiColombo este o misiune aAgenției Spațiale Europene (ESA) în colaborare cu Agenția Spațială Japoneză (JAXA), misiunea a fost lansată pe 20 octombrie 2018; conține modulul de transfer al mercurului al Agenției Spațiale Europene [15], care va folosi atât propulsia ionică, cât și cea chimică, în combinație cu praștie gravitațională oferită de Pământ, Venus și Mercur, pentru a aduce doi orbitatori științifici suficient de aproape de Mercur.

Notă

  1. ^ EY Choueiri, A Critical History of Electric Propulsion: The First 50 Years (1906–1956) ( PDF ), pe alfven.princeton.edu . Adus la 7 noiembrie 2007 .
  2. ^ a b Motoare inovatoare , la nasa.gov . Accesat la 19 noiembrie 2007 (depus de „Adresa URL originală la 27 noiembrie 2007).
  3. ^ (Rus) Native Electric Propulsion Engines Today , Novosti Kosmonavtiki , 1999, nr. 7.
  4. ^ ESA și ANU fac descoperirea propulsiei spațiale , ESA, 11 ianuarie 2006. Adus pe 29 iunie 2007 .
  5. ^ ANU Space Plasma, Power & Propulsion Group (SP3), ANU realizează propulsie spațială și ESA pe DS4G Web Story, Australian National University, 6 decembrie 2006. Accesat la 30 iunie 2007 (depus de „url original 27 iunie 2007) .
  6. ^ a b Oleson, SR și Sankovic, J. M, Advanced Hall Electric Propulsion for Future In-Space Transportation ( PDF ), la gltrs.grc.nasa.gov . Adus la 21 noiembrie 2007 (arhivat din original la 22 ianuarie 2004) .
  7. ^ Marcuccio, S, Principiul FEEP , pe centrospazio.cpr.it . Adus la 21 noiembrie 2007 (arhivat din original la 25 decembrie 2007) .
  8. ^ Colleen Marrese-Reading, Jay Polk, Juergen Mueller, Al Owens, In-FEEP Thruster Neutralizarea fasciculului de ioni cu catozi de emisie termionică și de câmp ( PDF ), la trs-new.jpl.nasa.gov . Adus la 21 noiembrie 2007 (arhivat din original la 13 octombrie 2006) .
  9. ^ Analiza fizică distructivă a catodelor goale din spațiul adânc 1 motor de rezervă de zbor de 30.000 ore Test de viață ( PDF ), la trs-new.jpl.nasa.gov . Adus la 21 noiembrie 2007 (arhivat din original la 27 februarie 2009) .
  10. ^ K. Sankaran, L. Cassady, AD Kodys și EY Choueiri, Un studiu al opțiunilor de propulsie pentru încărcături și misiuni pilotate pe Marte , pe alfven.princeton.edu . Adus pe 21 noiembrie 2007 .
  11. ^ Space Electric Rocket Test Arhivat 14 februarie 2017 la Internet Archive.
  12. ^ ESA , echipa Artemis primește premiul pentru salvarea spațială , pe esa.int . Adus la 16 noiembrie 2006 .
  13. ^ ( JA ) ISAS , 倏 惑 怟 悢 惻 恟 は や ぶ さ 怭 耉 イ オ ン エ ン ジ ン (Motoare Ion utilizate pe sonda de asteroizi Hayabusa) , pe ep.isas.ac.jp. Adus la 13 octombrie 2006 (arhivat din original la 19 august 2006) .
  14. ^ Zori .
  15. ^ BepiColombo, a configurat cele două orbite , pe ASI . Adus la 30 octombrie 2018 (Arhivat din original la 30 octombrie 2018) .

Bibliografie

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=ionic_Power&oldid=122169880 ”