Napęd jonowy

Próbne uruchomienie silnika ksenonowo-jonowego z NASA
Silnik jonowy NSTAR sondy kosmicznej Deep Space 1
Japońska sonda kosmiczna Hayabusa z silnikami jonowymi (po lewej)

Napęd jonowy to metoda napędu statku kosmicznego ; jonów strumieniowy wykorzystuje odrzut wygenerowanego (zobojętnionego) wiązki jonów do przeniesienia. W zależności od zastosowanego źródła energii rozróżnia się energię słoneczną elektryczną (ang. Solar Electric Propulsion , SEP) i jądrową napęd elektryczny (ang. Nuclear Electric Propulsion , NEP).

Silniki jonowe generują zbyt mały ciąg, aby wystrzelić rakietę bezpośrednio z Ziemi , ale zużywają mniej masy nośnej niż silniki chemiczne. Dlatego nadają się jako silniki pomocnicze do energooszczędnej pracy ciągłej, zwłaszcza przy długich trajektoriach sond międzyplanetarnych.

funkcjonować

Wiązka jonów jest generowana przez pierwszą jonizację cząstek gazu (np. ksenonu ) lub maleńkich kropelek (np. rtęci ) przez katodę . Są one następnie przyspieszane w polu elektrycznym . Po przejściu przez tzw. neutralizator , który wprowadza elektrony z powrotem do wiązki i tym samym czyni ją elektrycznie obojętną, cząstki są wyrzucane w postaci wiązki.

Neutralizator jest ważną częścią systemu. Bez niego zostałby naładowany, a wiązka rozproszyłaby się i powróciłaby do statku kosmicznego po łuku. Siła przyciągania między jonami a pociskiem pochłonęłaby efekt ciągu.

Moc napędowa nie jest związana z reagującymi składnikami paliwa, jak ma to miejsce w przypadku rakiet działających chemicznie, ale pochodzi z przyłożonego pola elektromagnetycznego. Energia do generowania pól była dotychczas pozyskiwana głównie za pomocą ogniw słonecznych . Paliwo w tradycyjnym sensie nie istnieje, ale masa nośna jest tracona.

W silnikach jonowych o częstotliwości radiowej (RIT) silnik zwykle wykorzystuje ksenon gazu szlachetnego jako masę podtrzymującą. Gaz roboczy jest jonizowany przez jonizację elektronową, w której swobodne elektrony są przyspieszane do energii od 3 do 10 elektronowoltów przez elektryczne pole wirowe generowane  przez cewkę indukcyjną owiniętą wokół silnika . Powstałe wyładowanie plazmowe należy do klasy plazmy niskotemperaturowej, która znajduje zastosowanie w wielu obszarach technologicznych (m.in. dla lamp fluorescencyjnych). Jony powstałe w wyniku jonizacji (w przypadku ksenonu są naładowane dodatnio) są usuwane z silnika za pomocą pola elektrostatycznego poprzez układ siatki, co zgodnie z zasadą zachowania pędu powoduje ciąg w kierunku przeciwnym do uciekające jony.

Do pomyślnego uruchomienia RIT wymagane jest kilka dodatkowych urządzeń, takich jak regulatory przepływu gazu i źródła energii, które na przykład zapewniają wysokie napięcia wymagane do ekstrakcji . Zasilanie wysokowydajnej wysokiej częstotliwości jest zwykle osiągane za pomocą topologii półmostka w szeregowym przetworniku rezonansowym , ponieważ umożliwia to wysoką sprawność elektryczną, która nadal sprzyja zarządzaniu temperaturą satelity.

Zarówno procesy plazmowo-fizyczne, jak i budowa układów silnikowych są przedmiotem badań wielu instytucji i firm związanych z przestrzenią kosmiczną na całym świecie. Technologię RIT reprezentuje na przykład firma ArianeGroup . W Niemczech, oprócz ArianeGroup ( Lampoldshausen ), tą technologią zajmują się przede wszystkim uniwersytety w Giessen ( Uniwersytet Justusa Liebiga w Giessen i Politechnika Środkowej Hesji ) oraz Niemieckie Centrum Lotnicze w Getyndze .

porównanie

W porównaniu z konwencjonalnymi chemicznymi silnikami rakietowymi poprzednie napędy jonowe mają znacznie niższy ciąg, w przypadku napędów sondy z grubsza porównywalną z wagą pocztówki (70 milinewtonów ), ale przy znacznie zwiększonej prędkości wylotowej gazu (10 do 130 km). /s, prototypy do 210 km/s) i znacznie dłuższy czas działania. Niemniej jednak całkowita masa statku kosmicznego musi być jak najmniejsza, aby osiągnąć wystarczające przyspieszenia, a tym samym dopuszczalne czasy ciągu dla działania. Sonda SMART-1 waży m.in. B. 367 kilogramów i niósł 84 kg ksenonu jako masę podtrzymującą.

Jednym z problemów z pędnikami jonowymi jest ich zapotrzebowanie na moc (ze SMART-1 1300 W tylko dla pędnika). Tylko najnowsze trójzłączowe ogniwa słoneczne GaInP2 / GaAs / Ge zapewniają wystarczającą moc na powierzchnię (przy SMART-1 ok. 370  watów / m², wydajność 27%) do zasilania użytecznych napędów jonowych o rozsądnej wielkości panelu słonecznego .

Podwojenie prędkości wyjściowej określonej masy wymaga czterokrotności energii. Celem konstrukcji napędu jonowego jest utrzymanie wymaganej masy nośnej na jak najniższym poziomie. Zgodnie z podstawowym równaniem rakiety wymaga to maksymalnej prędkości wypływu. Konstrukcja napędu jonowego jest zatem zawsze kompromisem pomiędzy zapotrzebowaniem na energię a masą podtrzymującą.

Przewaga napędu jonowego nad napędem chemicznym polega na tym, że przy takim samym dostarczonym całkowitym impulsie (tj. zmianie osiągniętej prędkości) zużywa się mniej masy nośnika, ponieważ prędkość wyłaniających się cząstek jest znacznie większa. Impuls właściwy znormalizowany do przyspieszenia wywołanego grawitacją jest około sześciokrotnie wyższy w dostępnych obecnie silnikach jonowych z ponad 3000 s niż w silnikach chemicznych z 470 s.

Konwencjonalne napędy jonowe działały tylko w próżni. Siła wywierana przez normalne ruchy powietrza jest zwykle większa niż siła ciągu. W listopadzie 2018 roku naukowcy z MIT zaprezentowali rozwój silnika jonowego, który pracuje w atmosferze.

Silniki jonowe mają moc wejściową w zakresie od watów do kilowatów i ciągi poniżej 1 N. Dlatego też silniki jonowe nadają się do transportu większych mas tylko wtedy, gdy mogą pracować przez dłuższy czas (tygodnie, miesiące lub lata).

historia

Zasada napędu jonowego została wprowadzona przez pioniera kosmosu Hermanna Obertha w swoim najsłynniejszym dziele „Rakieta do przestrzeni planetarnych” już w 1923 roku, w którym po raz pierwszy opisał napęd jonowy, który zaprojektował.

W latach 60. w początkowych eksperymentach jako paliwo stosowano cez lub rtęć , ale składniki metaliczne wykorzystywane do generowania jonów szybko korodowały . Największym problemem była korozja ostrej jak brzytwa krawędzi, na której za pomocą jonizacji kropelkowej generowano niezbędne jony. Dopiero zastosowanie ksenonu z gazu szlachetnego jako paliwa pozwoliło lepiej rozwiązać ten problem. Kolejnymi zaletami ksenonu są to, że w przeciwieństwie do metali nie trzeba go odparowywać, jest nietoksyczny i można go łatwo przetransportować do silnika ze zbiornika gazu pod ciśnieniem. Ekstrakcja normalnie stałego cezu była szczególnie trudna w praktyce. Wadą w porównaniu z rtęcią jest mniejsza masa atomowa . Ponadto ksenon wymaga wyższych energii jonizacji niż dwa metale.

W silniku RIT ( Radiofrequency Ion Thruster ) jony są generowane przez indukcyjne sprzężenie sygnału o wysokiej częstotliwości, podczas gdy w elektrostatycznym silniku Kaufmana gaz jest jonizowany przez wyładowanie prądu stałego. Silnik HET (ang. pędniki Hall Effect , Hall Drive ) jonizuje gaz napędowy za pomocą elektronów, które są prowadzone po torze kołowym. Prototyp silnika RIT pierwszy pracował na stronie internetowej Europejskiej EURECA satelity w 1992 roku . SMART-1 został wyposażony w silnik HET.

Dzisiejsze silniki jonowe nadają się do dwóch głównych zastosowań ze względu na ograniczoną ilość dostępnej energii elektrycznej:

  • Silnik marszowy dla sond międzyplanetarnych na planety Wenus i Merkury, które są blisko Słońca, ponieważ energia słoneczna może być tu nadal wykorzystywana podczas długich czasów ciągu.
  • Silniki sterujące orbitą dla dużych satelitów na wysokich orbitach Ziemi, ponieważ w tym przypadku siły zakłócające i niezbędne impulsy korekcyjne do ich kompensacji są bardzo małe.

Użyj w podróżach kosmicznych

Pierwszym statkiem kosmicznym napędzanym jonami był Deep Space 1 . Deep Space 1 został wystrzelony w 1998 roku i miał silnik NSTAR oparty na typie Kaufmana. Drugą sondą o napędzie jonowym była Hayabusa , wystrzelona przez JAXA w 2003 roku. Trzecią sondą o napędzie jonowym była sonda SMART-1 wystrzelona przez ESA w 2003 roku i orbitująca wokół Księżyca. Misje Dawn z 2007 r. i Hayabusa 2 z 2014 r., a od 2018 r. BepiColombo były silnie uzależnione od silników jonowych . W 1992 roku satelita testowy EURECA miał na pokładzie eksperymentalny silnik jonowy RIT RITA-10 firmy MBB/EADS. W 2001 roku ESA wystrzeliła satelitę Artemis , na którym zainstalowano testowo dwa nowe typy silników jonowych, różniące się sposobem wytwarzania jonów ksenonowych. Satelita pokonał ostatnie 5000 km do planowanej orbity geostacjonarnej za pomocą silnika jonowego RIT-10 , który pierwotnie był przeznaczony tylko do korekcji orbity, ponieważ górny stopień jego Ariane 5 wprowadził go na orbitę geotransferową (GTO) z niskie apogeum .

Silnik jonowy jest obecnie osadzony na wielu komercyjnych satelitach komunikacyjnych . Tam nie służy jako główny napęd dotarcia na orbitę, ale jako silnik kontrolujący ścieżkę dla dryfu północ-południe, ponieważ satelita musi generować około 45 do 50 m / s zmiany prędkości ( delta v ) rocznie ze względu na na grawitacyjne wpływy słońca i księżyca . Zastosowanie silników jonowych do regulacji orbity zwiększa żywotność satelitów, ponieważ potrzeba mniej paliwa, ponieważ impuls właściwy jest wyższy niż w przypadku silników chemicznych. Europejski Alphabus , amerykański Boeing 702 i chiński DFH-5 to autobusy satelitarne wyposażone w silniki jonowe.

Cztery satelity Cubesat firmy NetSat mają napędy jonowe, więc nawet bardzo małe satelity mogą korzystać z napędu jonowego.

Realizacja w atmosferze

W listopadzie 2018 r. MIT po raz pierwszy udało się przenieść pocisk w atmosferze za pomocą napędu jonowego. W tym celu skonstruowano nadwozie przypominające samolot o rozpiętości skrzydeł 5 metrów. Pod skrzydłami znajdowały się elektrody, do których przyłożono napięcie +20 000 woltów . Azot w powietrzu zjonizowany na elektrodach . Jony zostały przyspieszone przez przyłożone do skrzydeł napięcie −20 000 woltów. Czas lotu wyniósł 10 sekund i pokonano około 60 metrów w hali sportowej. Według zaangażowanych naukowców odległość była ograniczona wyłącznie wielkością hali. Obecnie nie ma możliwości przewozu osób ani towarów. Jako możliwe obszary zastosowań naukowcy nazywają z. B. cichsze drony.

Postępy

Zobacz też

literatura

  • Heinz Mielke : Technologia lotów kosmicznych – wprowadzenie . Transpress VEB Verlag for Transport, Berlin 1974.
  • Dan M. Goebel i in.: Podstawy napędu elektrycznego - silniki typu Ion i Hall. Wiley, Hoboken 2008, ISBN 978-0-470-42927-3 .

linki internetowe

Commons : napęd jonowy  - kolekcja obrazów, filmów i plików audio
Wikisłownik: napęd jonowy  - wyjaśnienia znaczeń, pochodzenie słów, synonimy, tłumaczenia

Indywidualne dowody

  1. ↑ Ujawniono super mocny nowy silnik jonowy . Nowy naukowiec, 18 stycznia 2006 r.
  2. ↑ a b Pierwszy samolot z napędem jonowym wykonuje lot testowy. W: wired.de. 22 listopada 2018 . Źródło 27 listopada 2018 .
  3. ^ Napęd jonowy: Pierwszy lot. W: film przyrodniczy ( Youtube ). 21 listopada 2018 . Źródło 27 listopada 2018 .