Plasma ioontõukuri anoodi ja katoodi vahel.
Foto: Joao Duarte / eLab häckerspace
Portugallane João Duarte pani kodus kokku lihtsa töötava ioonmootori mudeli. Arendaja avaldas oma projektist loo eLab häkkeriruumi portaalis. Selle mootor kasutab mitut hoidikut, alust, korpust ja 3D-prinditud plastikust otsikut, seitset naela, seitset vasktoru ja kõrgepingetrafot.
Ioonmootori ehitamisel on oluline kõigi elementide kõrge elektrijuhtivus. Selle suurendamiseks kattis Duarte küüned õhukese vasekihiga. Ta eemaldas küüned roostest ja kastis need koos oksüdeeritud vaskmüntidega soola ja äädika lahusesse. Tänu vaskplaadistamisele on küünte pinnal suurenenud elektrijuhtivus.
Seejärel võtsid portugallased kahesentimeetrise läbimõõduga vasktoru ja lõikasid selle viieks tükiks, millest igaüks viis sentimeetrit pikk. Seejärel printis Duarte välja toru ja naelahoidjad, aluse, mootori korpuse ja otsiku. Ioonmootori tõhusaks tööks peavad vasknaelte otsad olema täpselt vasktorude ümbermõõdu keskel.
Duarte ei täpsustanud, millisele kaugusele torudest tuleks naelad torudest asetada, kuid märkis, et see peaks olema kõigi küünte puhul sama. Veojõu reguleerimiseks muutsid portugallased naeltega hoidiku horisontaaltasapinnas liigutatavaks. Duarte ühendas torude ja naeltega trafo, mis on võimeline tootma üheksa kilovoldist pinget ja voolu 50 milliamprit.
Mootori konstruktsioonis toimivad naelad katoodina ja vasktorud anoodina. Pinge sisselülitamisel ioniseerub naelte ümber olev õhk ja tõmbab anood enda poole, tekib õhuvool, mis tekitab mootori otsiku taha kerge tõmbe. Selline elektrijaam ei saa oma kohalt liikuda, kuid on võimeline paberijääke raputama.
Ioonmootori kontseptsiooni pakkus esmakordselt välja Ameerika teadlane Robert Goddard. 1954. aastal kirjeldas tehnoloogiat üksikasjalikult teadlane Ernst Stuhlinger ja esimene töötav mootor pandi kokku 1959. aastal NASA-s. Ta sai töötada 31 minutit. Ioonjõusüsteemi kasutati esmakordselt kosmoseaparaadi Deep Space tõukejõuna 1998. aastal.
Kaasaegsed ioonmootorid võivad töötada pidevalt kolm aastat. Tavaliselt kasutavad nad joa tõukejõu tekitamiseks argooni või ksenooni. Neid inertgaase kiirendatakse elektriväljas. Positiivsed omadused Ioonmootoril on madal energia- ja kütusekulu ning tõsiseks puuduseks on kuni 250 millinewtonnine mikroskoopiline tõukejõud.
Pole saladus, et kõik reaktiivmootorid töötavad impulsi jäävuse seaduse järgi. Sellest järeldub, et joa tõukejõud on massivoolu ja töövedeliku düüsist väljumise kiiruse korrutis.
Seda kiirust nimetatakse tavaliselt reaktiivmootori spetsiifiliseks impulsiks. Leiame näitena joa tõukejõud tulistades Kalašnikovi automaatrelvast, mis on tagasilöögi põhikomponent. Laske kuuli mass olla 0,016 kg, kuuli esialgne kiirus 700 m/s ja tulekiirus 10 lasku/s. Seejärel tagasilöök F=700∙0,016∙10=112 N (või 11 kgf). Suur tagasilöök, kuid siin on tehniline tulekiirus 600 lasku/min. Tegelikkuses tulistatakse sarivõtte või üksiklaskudega ja see on ≈50 lasku/min.
Pilt AK-st
Tuleme tagasi tõeliste reaktiivmootorite juurde, mis tavaliselt kasutavad kuulide asemel hüperhelikiirusel väljuvaid gaasivooge. Keemilised reaktiivmootorid on kõige levinumad, kuid mitte ainsad.
Selles artiklis tahan pika eessõnaga rääkida ioonilisest reaktiivmootorid(edaspidi IRD). IRD-d kasutavad töövedelikuna laetud osakesi – ioone. Ioonidel on mass ja kui neid kiirendada elektriväli, saab tekitada joa tõukejõu. See kõik on teoreetiliselt, kuid nüüd üksikasjalikumalt. IRD-l on teatav gaasivaru, mis ioniseeritakse (st neutraalselt laetud gaasiaatomid purustatakse negatiivseteks elektronideks ja positiivseteks ioonideks), kasutades gaaslahendust. Järgmisena kiirendatakse ioone elektrivälja abil eriline süsteem võrgud ja sama võrgusüsteem blokeerib elektronide liikumist. Pärast seda, kui positiivsed ioonid düüsist lahkuvad, neutraliseeritakse need negatiivsete elektronidega (rekombineerides ja pannes gaasi hõõguma), nii et ioone ei tõmbaks tagasi mootorisse, vähendades sellega selle tõukejõudu.
Miks ksenoon?
Tavaliselt kasutatakse IRD-s töövedelikuna ksenoongaasi, kuna sellel on inertgaaside seas madalaim ionisatsioonienergia.
Ioonreaktiivmootorite eriimpulss ulatub 50 km/s, mis on 150 korda suurem helikiirusest! Paraku on selliste mootorite tõukejõud umbes 0,2 N. Miks see nii on? Konkreetne impulss on ju väga suur. Fakt on see, et ioonide mass on väga väike ja massivoolukiirus väike. Milleks siis selliseid mootoreid vaja on, kui nad ei suuda midagi liigutada? Maal ei pruugi nad hakkama saada, kuid kosmoses, kus pole vastupanujõude, on nad üsna tõhusad. On olemas selline asi nagu koguimpulss – tõukejõu ja aja korrutis või eriimpulsi ja kütusemassi korrutis, mis on IRD jaoks üsna suur.
Lahendame järgmise probleemi. Olgu vedela rakettmootori eriimpulss 5 km/s ja meie IRD jaoks on see 50 km/s. Ja oletame, et mõlema mootori töövedeliku mass (vedelkütuse rakettmootoris on see võrdne kütuse massiga) on 50 kg. Võtame kosmoselaeva massiks 100 kg.
Tsiolkovski valemi abil leiame aparaadi lõppkiiruse (st kui töömass saab otsa).
Ja mis juhtub, kui ioon- ja keemilistel reaktiivmootoritel on sama kütusemass, siis suudab IRD kosmoselaeva kiirendada suured kiirused, mitte keemilise RD. Tõsi, IRP-l kulub kosmoselaeva lõppkiiruseni kiirendamiseks kauem aega kui vedelal rakettmootoril. Kuid kaugetele planeetidele reisides kompenseerib selle puuduse suur lõpp- (kiirenduse) kiirus.
Lennuskeem Marsile IRD-l
IRD-sid kasutatakse tänapäevalgi. Näiteks aparaat Deep Space 1 jõudis Braille'i asteroidi ja Borelli komeedi lähedale ning edastas Maale märkimisväärse hulga väärtuslikke teaduslikke andmeid ja pilte.
Süvakosmos 1
Samuti hakkab praegu projekteerimisetapis olev LISA kosmoseantenn orbiidi reguleerimiseks kasutama IRD-d.
Laserinterferomeetri ruumiantenn
Ja lõpuks määrame IRD tõukejõu, teades iooni massi M=6,5∙10^-26 kg, kiirenduspinge U=50 kV, neutraliseerimisvool I = 0,5 A, elementaarlaeng e=1,6∙10^-16 C.
Pinge on laengu ülekande töö, st. düüsist väljumisel on iooni kineetiline energia võrdne pinge ja ioonilaengu korrutisega. Kineetilisest energiast väljendame kiirust (eriimpulss). Leiame voolu definitsioonist massivoolukiiruse, mis on läbiv laeng ajas. Selgub, et massivoolukiirus on iooni massi ja voolu korrutis, mis on jagatud ioonilaenguga. Spetsiifilise impulsi ja massivoolu korrutamisel saame tõukejõu, mis on võrdne 0,1 N.
Kokkuvõtteks tahan öelda, et on plasma reaktiivmootoreid, millel on sarnane konstruktsioon, kuid millel on palju suurem töövedeliku massivoolukiirus. Kes teab, võib-olla lendab inimkond homme selliseid mootoreid kasutades Marsile ja Kuule.
NASA on lõpetanud 2005. aasta juunis alustatud ioniseeritud gaasil töötava jõusüsteemi katsetused. Nüüd saab selle varustada kosmoselaevadega, kiirendades neid varem enneolematule kiirusele.
Katsetamisel on uue põlvkonna ksenoonmootor. (NASA foto.)
Ulmekirjanduses sageli esinevaid ioonmootoreid kasutati praktikas juba 70ndatel. Tõukejõud neis tekib ioniseeritud gaasi kiirenduse tõttu elektrostaatilises väljas.
Selliste kaugjuhtimissüsteemide eelis võrreldes traditsiooniliste keemiliste lahendustega on nende kõrge efektiivsus, nimelt võime kiirendada seadet vähese kütusekuluga kümnete kilomeetriteni sekundis. Tõsi, see juhtub juba avakosmoses, kui ioonmootor töötab pikka aega: selle käivitusjõud on väike. Seetõttu peamise süsteemina sõitmine kosmoselaev, hakati seda skeemi kasutama üsna hiljuti.
Ioonide tõukejõu pioneer oli Ameerika kosmoseaparaat Deep Space 1, mis lasti välja 1998. aastal. Sellele järgnesid Euroopa ja Jaapani sondid ning seni viimane suurem projekt oli automaatne planeetidevaheline jaam Dawn, mille NASA saatis uurima asteroidi Vestat ja kääbusplaneeti Ceres.
Dawni ioonmootorist sai NASA Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) ksenoonsüsteemi loomise mudel. Glenni uurimiskeskuse ja Aerojeti arendajad simuleerisid mitmesuguseid missioone, milles sellist tõukejõusüsteemi saaks kasutada.
Alates 2005. aastast on NEXT töötanud 35,5 tuhat tundi, mis on 5 tuhat rohkem kui eelmine rekord. Katseteks kulus 600 kg ksenooni. Katsemudelite põhjal kujundasid insenerid mitmest tõukejõusüsteemist ioonmootorid, mille kasutusiga ületab 6 aastat ja nüüd saab NASA vaid valida, millistel missioonidel on arendust mugavam juhtida. Võib-olla tuleb siinkohal kasuks USA riikliku teaduste akadeemia pakutud kosmoseprogramm järgmiseks kümnendiks?
Allikas: Computerra-Online
Ioonmootor
Ioonmootor on elektrilise rakettmootori tüüp. Selle töövedelik on ioniseeritud gaas (argoon, ksenoon, tseesium...).
Tööpõhimõte
Mootori tööpõhimõte on gaasi ioniseerimine ja selle kiirendamine elektrostaatilise välja toimel. Samal ajal on suure laengu ja massi suhte tõttu võimalik kiirendada ioone suured kiirused(kuni 210 km/s võrreldes keemiarakettmootorite kiirusega 3-4,5 km/s). Seega on ioonmootoris võimalik saavutada väga kõrge eriimpulss. See võimaldab oluliselt vähendada ioniseeritud gaasi reaktiivmassi tarbimist võrreldes keemiarakettide reaktiivmassi tarbimisega, kuid nõuab suuri energiakoguseid. Mootori puuduseks selle praeguses teostuses on väga nõrk tõukejõud (suurusjärgus kümnendik njuutonit). Seega ei ole planeedilt startimiseks võimalik kasutada ioonmootorit, kuid seevastu avakosmoses on mootori piisavalt pika töötamise korral võimalik kiirendada kosmoselaeva kiirustele, mis hetkel on. kellelegi teisele kättesaamatuks olemasolevad liigid mootorid.
Olemasolevad rakendused kasutavad mootori töö toetamiseks päikesepaneele. Kuid see meetod on sügavas ruumis töötamiseks vastuvõetamatu. Seetõttu kasutatakse mõnikord nendel eesmärkidel tuumarajatisi.
Ioonmootori põhimõte on tuntud juba pikka aega ja laialdaselt esindatud ulmekirjanduses, arvutimängudes ja kinos, kuid astronautika jaoks on see kättesaadav alles hiljuti.
1960. aastal ehitati esimene toimiv laia valgusvihuga elektrostaatiline mootor (loodi USA-s NASA Lewise uurimiskeskuses). 1964. aastal testiti esimese eduka suborbitaalse ioonijõu demonstratsiooniga (SERT I) ioonkiire kosmoses neutraliseerimise teostatavust.
Aastal 1970 - test pikk töö Elavhõbeda iooni elektrostaatilised tõukurid kosmoses (SERT II). Alates 1970. aastatest on NSV Liidus navigatsioonimootoritena kasutatud Halli efektiga ioonmootoreid (1970. aastatel kasutati mootoreid SPT-60 Meteoritel, SPT-70 satelliitidel Cosmos ja Luch 1980. aastatel, SPT-100 mootoreid mitmel satelliidid 1990. aastatel).
Ioonmootorit kasutati esmakordselt kosmoselaeva Deep Space 1 peamise (jõu)mootorina (mootor käivitati esmakordselt 10. novembril 1998). Järgmised seadmed olid 28. septembril 2003 välja lastud Euroopa Kuusond Smart-1 ja 2003. aasta mais asteroidile saadetud Jaapani sond Hayabusa.
Järgmine NASA sustainer-ioonmootoritega kosmoselaev oli (pärast mitut külmumist ja töö jätkamist) Dawni kosmoselaev, mis startis 27. septembril 2007. Dawn on mõeldud Vesta ja Cerese uurimiseks ning sellel on kolm NSTAR-mootorit, mida on Deep Space 1-s edukalt testitud.
Euroopa Kosmoseagentuur paigaldas ioonmootori satelliidi GOCE pardale, mis saadeti 17. märtsil 2009 ülimadalale Maa orbiidile vaid umbes 260 km kõrgusele. Ioonmootor loob pideva impulsi, mis kompenseerib atmosfääri hõõrdumist ja muid satelliidile mittegravitatsioonilisi mõjusid.
Väljavaated
ESA kavatseb Mercury BepiColombo missioonil kasutada ioontõukejõudu. See põhineb Smart-1-l põhineval mootoril, kuid on võimsam (käivitamine on kavandatud 2011-2012).
NASA juhib Prometheuse projekti, mille jaoks töötatakse välja võimsat ioonmootorit, mille toiteallikaks on pardal oleva tuumareaktori elektrienergia. Eeldatakse, et kaheksa neist mootoritest suudavad seadet kiirendada kuni 90 km/s. Selle projekti esimene sõiduk Jupiter Icy Moons Explorer plaaniti Jupiterisse saata 2017. aastal, kuid selle seadme arendus peatati 2005. aastal tehniliste raskuste tõttu. Praegu otsitakse Prometheuse programmi esimeseks testiks lihtsamat AMS-i disaini.
Artikkel Computerras
Tuumareaktorite kasutamise kohta ioonmootorite jaoks (Membrane.ru)
BepiColombo ESA veebisaidil
Projekt "Prometheus" NASA veebisaidil
Ioonjõul liikuv kosmoselaev Dawn startis 25. septembril 2007. aastal.
Footon- ja ioonmootorid
Ilukirjandusest tegelikkuseni
FOTONMOOTORI - reaktiivmootor, mille tõukejõud tekib elektromagnetkiirguse kvantide ehk footonite väljavoolust. Sellise mootori peamine eelis on maksimaalne võimalik väljalaskekiirus relativistliku mehaanika raames, võrdne kiirusega valgus vaakumis. Raketisõiduki jaoks on see ainus laialt tuntud viis valguse kiiruse olulise osa saavutamiseks Tsiolkovski arvu mõistlike väärtuste juures, mis iseloomustab laaditud ja tühja raketi masside suhet. Tuleb siiski märkida, et antud juhul räägime arvust Z suurusjärgus mitukümmend kuni sadu, mitmeastmeliste rakettide tehniliselt teostatud väärtustega suurusjärgus 10. Footonmootori peamiseks puuduseks on energia muundamise ahela madal efektiivsus primaarallikast footonjoale. Annihilatsioonireaktsiooni kasutamine optiliste ja gamma kvantide otseseks tootmiseks ei vähenda oluliselt probleemi tõsidust, kuna tuleb arvestada kaodega antiaine säilitamisel (rääkimata selle tootmisest) ja teravustamise raskustega. tekkiv kiirgus. Lisaks peeti realistlikumaks termotuumaplasma kasutamist footonite allikana (sealhulgas laserkiirguse tekitamiseks) ja pikema lainepikkusega elektromagnetkvantide (nn raadiomootorit) kasutamist. Esimesel juhul jäävad lahendamata vajalike parameetritega plasma genereerimise ja stabiilses olekus hoidmise probleemid. "Raadiomootor" lihtsustab oluliselt "jugavoolu" fokusseerimist, kuid vähendab järsult jõusüsteemi efektiivsust.
Fotoniajam: läbimurre kosmoses
Valguskiirguse mõjul tekkiv tolmuemissioon võimaldab luua huvitava ja paljutõotava kosmosejõu tüübi lendudeks teistele planeetidele päikesesüsteem. Valguse ja kuumusega kokku puutudes trotsivad tolmuosakesed gravitatsiooni ja paiskuvad ülespoole. Seda planeetide ja asteroidide tekkes olulist rolli mänginud efekti võib ka leida praktiline rakendus tolmueemaldusseadmetes, samuti Marsi sondide mootorites ja uut tüüpi kosmosepurjede loomisel.
Kui tolmukiht puutub kokku punase laserkiirgusega, täheldatakse vulkaanilist osakeste emissiooni, mis meenutab pisikese vulkaani purset. Olles seda nähtust põhjalikult uurinud, jõudsid teadlased Gerhard Wurm ja Oliver Krauss Münsteri ülikoolist järeldusele, et selle esinemine on seotud fotoforeesi ja tahkes olekus "kasvuhooneefektiga", vahendab PhysOrg.
Fotoforees – ehk osakeste liikumine valguse mõjul – põhineb ammu tuntud efektil, mida nimetatakse termoforeesiks ehk osakeste liikumisel soojuse mõjul. Temperatuurigradientidega keskkondades liiguvad osakesed kuumematest piirkondadest jahedamatesse piirkondadesse. Kui soojusallikaks on neeldunud valguse energia, nimetatakse seda protsessi fotoforeesiks.
Footonmootor on mootor, mille tõukejõud tekib e/magnetkiirguse kvantide või footonite väljavoolu tõttu. Grafiidipulbri osakeste väljapaiskumine (sisus on klaasjas süsinikuosakeste "purse").
Footoniajam – kas see on reaalsus?
Lisaks pinnatemperatuuri gradiendile mängib tolmupursetes rolli ka tahkis olev "kasvuhooneefekt". Kasvuhooneefekt tekib seetõttu, et laserkiir soojendab kõige tugevamalt pinnakihtidest veidi sügavamal asuvad tolmuosakesed (vähemalt 100 mikroni sügavusel, mis on mitukümmend osakeste kihti).
Teadlased on välja arvutanud, et ühe 1 mikroni suuruse sfäärilise osakese vabastamiseks on vaja jõudu umbes 10-7 N. "Me täheldasime, et osakesed tõusevad keskmiselt 5 cm kõrguseks," ütleb dr Wurm Suurendatakse 10 cm-ni, kuid see ei ole piir, mis sõltub tõenäoliselt osakeste jaotusest ja suurusest, nende vastastikuse adhesiooni tugevusest ja laserkiire võimsusest.
50 mW võimsusel tungib kiirgus tolmukihti mitme millimeetri sügavusele. Temperatuur kipub sügavuse kasvades langema, kuid tegelikult saavutab maksimumi mitte pinnal, vaid 100 µm sügavusel. See tekitab pinna lähedal vastupidise temperatuurigradiendi, mis põhjustab tolmuosakeste purskamist. Katsete käigus avastati ka, et mõnekümne sekundi jooksul pärast laseri väljalülitamist seguneb maksimaalse temperatuurigradiendi punkt pinna kiire jahtumise tõttu sügavamale, mis suurendab veelgi fotoforeesi tugevust.
Fotoforeesi on kõige parem jälgida madalal rõhul. Katsed viidi läbi rõhul 10 millibaari, mis on ligikaudu 0,01 Maa normaalsest atmosfäärirõhust, seega on fotoforeesi mõju Maa tolmule tühine. Planeetide ja tähtede tekke algfaasis mängis aga madalrõhu fotoforees tõenäoliselt olulist rolli gaasi- ja tolmuketaste tekkes, mis omakorda viis asteroidide ja muude kosmiliste objektide tekkeni Kuiperi vöös.
Teadlased usuvad, et tulevikus võib fotoforees leida praktilist rakendust Marsi haruldases atmosfääris. Näiteks saab seda tehnoloogiat kasutada automaatsetes uurimisjaamades tolmu eemaldamiseks päikesepatareidelt ja optiliste instrumentide läätsedelt. Lisaks plaanivad teadlased luua päikesepurje, mis kasutaks kiirgusrõhu asemel fotoforeesi jõudu. Selline kalavõrku meenutav ja negatiivse fotoforeesi alusel töötav puri suudab füüsikute hinnangul juhtida väikseid sonde. 10x10 m mõõtmetega puri on võimeline kandma mitukümmend kilogrammi kaaluvat lasti ainult tänu Päikese “passiivsele” kiirgusele.
Ioonmootor: läbimurre kosmoses
ION ENGINE - laupäeval, 30.09.2003 saatis kanderakett Ariane 5 edukalt Euroopa Kosmoseagentuuri uurimisjaama SMART 1 kosmosesse. Satelliit loodi ESA (Euroopa Kosmoseagentuuri) tellimusel , Euroopa Kosmoseagentuur) Rootsi Kosmosekorporatsiooni poolt, kaasates ligi 30 alltöövõtjat 11 Euroopa riigist ja USA-st. Projekti kogumaksumus oli 110 miljonit eurot.
SMART 1 on ESA esimene Kuu-uurimiseks mõeldud robotsond. Samas on see ainulaadne uut tüüpi uurimisjaam, esimene in uus programm ESA kutsus nimeks Small Missions for Advanced Research in Technology. Programmi käigus on plaanis katsetada mitmeid uusi tehnoloogiaid, näiteks Ka-band sidet ja lasersidet, autonoomset navigatsiooni ja palju muud.
Üsna suure hulga varustusega SMART 1 eristub väikese kaalu (370 kg, sealhulgas teadusseadmetega - 19 kg) ja kompaktsuse poolest. Kokkuvolditud päikesepaneelidega on see meetri suurune ristkülik. SMART 1 maksumus on ligikaudu viis korda väiksem kui tavalise ESA planeetidevahelise jaama hind. Kuid kõige rohkem peamine omadus Uus kosmoselaev seisneb selles, et esimest korda astronautika ajaloos kasutatakse põhilisena ioonmootorit. ESA plaanib lisada veel kaks ioonjõusüsteemiga sõidukit. Need on BepiColombo Mercury uurimiseks ja Solar Orbiter Päikese uurimiseks.
SMART 1-le paigaldatud ioonmootor tarbib 1350 vatti päikesepaneelide toodetud elektrit ja arendab tõukejõudu 0,07 njuutonit, mis on ligikaudu postkaardi kaal. Tööaineks ksenoon (kütusevaru 82 kg). Samal ajal kulus jaamal 16 kuud, et jõuda elliptilisele polaarorbiidile ümber Kuu. SMART 1 käivitamine kavandatud orbiidile oli keeruline mitmeetapiline protsess, mis koosnes etappidest.
Rangelt võttes on ioonmootorid juba kosmoselaevadele paigaldatud – sisse viimastel aastatel, eelkõige NASA uurimisjaamal Deep Space 1 (DS 1) ja ESA eksperimentaalsel geostatsionaarsel sidesatelliidil Artemis. Viimasel juhul õnnestus tänu pardal olevatele ioonmootoritele päästa miljoneid dollareid maksv satelliit, mis tundus täiesti kadunud.
Artemise satelliidi orbiidile viinud kanderaketi Ariane 5 ülemise astme ebanormaalne töö viis selleni, et Artemise orbiit oli arvutuslikust oluliselt madalam. Tavaliselt põhjustab see satelliidi kadumise. Kui see kujutab endast ohtu teistele kosmoselaevadele, uputatakse see (raske kosmoseaparaat) või "põletatakse" atmosfääri. Kuid Artemis pääses sellest kurvast saatusest.
Tänu võetud kiireloomulistele meetmetele ja peaaegu kogu pardal oleva keemilise kütusevaru ärakasutamise hinnaga suudeti satelliit viia ringorbiidile 31 tuhande km kõrgusel. Kuid pärast seda oli vaja Artemis üle viia arvutatud geostatsionaarsesse (kõrgus umbes 36 tuhat km). Siis otsustati kasutada nelja paarikaupa pardale paigaldatud ioonmootorit. Need olid algselt mõeldud satelliidi orientatsiooni (kallutamise) juhtimiseks. Ülemineku tegemiseks suunati mootorite tõukevektor orbitaaltasandiga risti. Kuid seadme päästmiseks oli vaja anda sellele orbitaaltasandil impulss ja seega viia see kõrgemale geostatsionaarsele orbiidile. Artemist tuli tavapärasest asendist 90 kraadi pöörata.
Kõige keerulisem päästeoperatsioon nõudis uue tegevusstrateegia, uute satelliidijuhtimisrežiimide ja pardaseadmete funktsioneerimise "lennult" väljatöötamist. Vaja oli muuta 20% kogu pardal olevast seadmest tarkvara. Ja ometi oli operatsioon väga edukas. Selle keerukusest annab tunnistust asjaolu, et ainult ümberprogrammeerimiseks pardasüsteem juhtseade, mis on vajalik muudetud tarkvaraplokkide allalaadimiseks Maast kogumahuga 15 tuhat sõna. See oli suurim operatsioon telekommunikatsioonisatelliidi ümberprogrammeerimiseks Maalt.
Vaatamata tagasihoidlikule tõukejõule (ainult 15 millinewtonni) hakkas Artemis "ronima" arvutatud orbiidile, tõustes 15 km päevas. Kogu päästeoperatsioon kestis 18 kuud. 31. jaanuaril 2003 leidis Artemis end täpselt sealt, kus ta oleks pidanud olema poolteist aastat tagasi. Maailma esimene päästeoperatsioon, mille tulemus sõltus täielikult ioonmootorite töökindlusest ja inimeste koordineeritud tegevusest Maal, oli edukas. Lootusetult kadunuks peetud satelliit alustas tavapärast tööd.
SMART 1 peamootori disain erineb oluliselt DS 1 ja Artemise mootoritest. Kahe viimase seadme puhul kasutati ioonide kiirendamiseks resti, millele oli rakendatud potentsiaal (nn gridded ion engine). Seevastu SMART 1 on varustatud Halli ioonmootoriga, mis on oma disainilt oluliselt erinev. Oluline eelis Halli efektiga mootoreid iseloomustab võre puudumine, mida pommitavad pidevalt suure energiaga ioonid, mille tulemuseks on selle kiire lagunemine. Mis puutub erineva konstruktsiooniga ioonmootorite muudesse omadustesse, siis olukord ei tundu nii ilmne. Üldiselt toodavad võrgumootorid suurema eriimpulsi ja tarbivad ligikaudu kaks korda rohkem vähem kütust(töövedelik) kui Halli tõukurid. Halli tõukurid võimaldavad aga sama energiatarbimisega arendada suuremat eritõukejõudu. Mõlemal konstruktsioonil on oma eelised ja puudused ning eelistatava variandi valik sõltub igal juhul seadme ees seisvate ülesannete olemusest ja selle energiavõimsusest.
9. märts 2013
Kosmoses liikumise probleem on inimkonnal silmitsi seisnud alates orbiidilendude algusest. Maapinnalt õhku tõusev rakett kulutab peaaegu kogu kütuse, millele lisanduvad kiirendite ja astmete laengud. Ja kui kosmodroomil saab raketi veel maapinnalt üles tõsta, olles seda tohutul hulgal kütust tankinud, siis avakosmoses pole tankida lihtsalt kusagil ega midagi. Kuid pärast orbiidile sisenemist peate edasi liikuma. Kütust aga pole.
Ja see on kaasaegse astronautika põhiprobleem. Selle teooria kohaselt on siiski võimalik laev orbiidile visata, kus on piisavalt kütust, et Kuule jõuda, Kuule on plaanis luua tankimisbaas näiteks Marsile lendavate "kaugmaa" kosmoselaevade jaoks. Aga see kõik on liiga keeruline.
Ja probleemi lahendus loodi juba ammu, aastal 1955, kui Aleksei Ivanovitš Morozov avaldas artikli “Plasma kiirendamisest magnetvälja toimel”. Selles kirjeldas ta põhimõtteliselt uue kosmosemootori kontseptsiooni.
Ioonplasma mootori disain
Tööpõhimõte plasma mootor seisneb selles, et töövedelik ei ole põletav kütus, nagu reaktiivmootorites, vaid ioonide vool, mida kiirendab magnetväli meeletute kiirusteni.
Ioonide allikaks on gaas, tavaliselt argoon või vesinik, gaasipaak asub kohe mootori alguses, sealt suunatakse gaas ionisatsioonikambrisse, saadakse külm plasma, mida järgmises kambris vahenditega soojendatakse. ioontsüklotroni resonantskuumutamine. Pärast kuumutamist juhitakse suure energiaga plasma magnetdüüsi, kus see magnetvälja toimel vormitakse vooluks, kiirendatakse ja väljutatakse keskkond. Nii saavutatakse veojõud.
Sellest ajast alates on plasmamootorid jõudnud kaugele ja jagunevad mitmeks põhitüübiks, need on elektrotermilised mootorid, elektrostaatilised mootorid, suure vooluga või magnetodünaamilised mootorid ja impulssmootorid.
Elektrostaatilised mootorid jagunevad omakorda ioon- ja plasmaks (kvaasineutraalset plasmat kasutavad osakeste kiirendid).
Selles artiklis kirjutame kaasaegsest ioonmootorid ja neid paljutõotavad arengud, sest meie arvates on kosmosepargi tulevik nendes.
Ioonmootor kasutab kütusena ksenooni või elavhõbedat. Esimest ioonmootorit nimetati retikuleeritud elektrostaatiliseks ioonmootoriks.
Selle tööpõhimõte on järgmine:
Ionisaator on kaasas ksenoon, mis on iseenesest neutraalne, kuid ioniseerub, kui seda pommitatakse suure energiaga elektronidega. Seega moodustub kambris positiivsete ioonide ja negatiivsete elektronide segu. Elektronide “filtreerimiseks” tuuakse kambrisse katoodvõredega toru, mis tõmbab elektrone ligi.
Positiivsed ioonid tõmbavad 2 või 3 võrest koosnevasse ekstraheerimissüsteemi. Võrkude vahel säilib elektrostaatiliste potentsiaalide suur erinevus (+1090 volti sisemisel versus -225 volti välisel). Ioonide sattumise tulemusena võrede vahele need kiirendatakse ja paisatakse kosmosesse, kiirendades laeva vastavalt Newtoni kolmandale seadusele.
Vene ioonmootorid. Kõigil neil on katoodtorud düüsi poole suunatud selgelt nähtavad
Katooditorusse kinni jäänud elektronid paiskuvad mootorist välja düüsi ja ioonivoolu suhtes kerge nurga all. Seda tehakse kahel põhjusel:
Esiteks selleks, et laeva kere jääks neutraalselt laetuks ja teiseks, et “neutraliseeritud” ioone ei tõmbaks sel viisil tagasi laeva.
Ioonmootori töötamiseks on vaja ainult kahte asja – gaasi ja elektrit. Esimesega on kõik lihtsalt hästi, 2007. aasta sügisel startinud Ameerika planeetidevahelise kosmoselaeva Dawn mootor vajab ligi 6 aastaks lendamiseks vaid 425 kilogrammi ksenooni. Võrdluseks, ISS-i orbiidi reguleerimine tavapäraste rakettmootorite abil nõuab igal aastal 7,5 tonni kütust.
Üks halb asi on see, et ioonmootoritel on väga väike tõukejõud, suurusjärgus 50–100 millinewtonni, mis on Maa atmosfääris liikudes absoluutselt ebapiisav. Kuid kosmoses, kus vastupanu praktiliselt puudub, võib ioonmootor saavutada pikaajalisel kiirendusel märkimisväärseid kiirusi. Kogukiiruse kasv kogu Dawni missiooni kestuse jooksul on umbes 10 kilomeetrit sekundis.
Deep Space laeva ioonmootorite test
Ameerika ettevõtte Ad Astra Rocket hiljutised katsed, mis viidi läbi vaakumkambris, näitasid, et nende uus muutuva spetsiifilise impulsi magnetoplasma rakett VASIMR VX-200 suudab tekitada nii madala tõukejõu kui 5 njuutonit.
Teine probleem on elekter. Sama VX-200 tarbib 201 kW energiat. Päikesepaneelid Sellest mootorist lihtsalt ei piisa. Seetõttu on vaja leiutada uusi viise energia saamiseks kosmoses. Siin on kaks võimalust – korduvtäidetavad akud, näiteks triitiumpatareid, mis lastakse koos laevaga orbiidile, või autonoomne tuumareaktor, mis annab laevale toite kogu lennu vältel.
2006. aastal katsetasid Euroopa Kosmoseagentuur ja Austraalia Riiklik Ülikool edukalt uue põlvkonna kosmoseioonmootoreid, saavutades rekordilise jõudluse.
Mootorid, milles laetud osakesi elektriväljas kiirendatakse, on tuntud juba ammu. Neid kasutatakse orienteerumiseks, orbiidi korrigeerimiseks mõnedel satelliitidel ja planeetidevahelistel sõidukitel ning paljudes kosmoseprojektides (nii juba ellu viidud kui ka äsja kavandatud – loe ja) – isegi marssivatena.
Eksperdid seostavad nendega päikesesüsteemi edasist uurimist. Ja kuigi kõik niinimetatud elektrilised rakettmootorid on maksimaalse tõukejõu poolest (grammid versus kilogrammid ja tonnid) keemilistest palju madalamad, on need tõhususe poolest (kütusekulu grammi tõukejõu kohta sekundis) neist radikaalselt paremad. Ja see kasutegur (spetsiifiline impulss) on otseselt võrdeline väljapaisatud joavoolu kiirusega.
Nii saavutas Austraalias ESA lepingu alusel ehitatud eksperimentaalmootoris nimega “Dual-Stage 4-Grid” (DS4G) see kiirus rekordilise 210 kilomeetrini sekundis.
See on näiteks 60 korda kõrgem kui heade keemiamootorite heitgaaside kiirus ja 4-10 korda suurem kui varasematel “ioonmootoritel”.
Nagu arenduse nimest selgub, saavutati see kiirus kaheastmelise ioonikiirenduse protsessiga, kasutades nelja järjestikust võre (traditsioonilise üheastmelise ja kolme resti asemel), samuti kõrgepinge- 30 kilovolti. Lisaks oli väljundreaktiivkiire lahknevus vaid 3 kraadi, võrreldes eelmiste süsteemide umbes 15 kraadiga.
Siin on info viimastest päevadest.
Ioonmootor (ID) töötab lihtsalt: paagist väljuv gaas (ksenoon, argoon jne) ioniseeritakse ja kiirendatakse elektrostaatilise välja toimel. Kuna iooni mass on väike ja see võib saada märkimisväärse laengu, lendavad ioonid mootorist välja kiirusega kuni 210 km/s. Keemiamootorid võib saavutada... ei, mitte midagi sellist, aga ainult erandjuhtudel vaid paarkümmend korda vähem kui põlemisproduktide ammendumiskiirus. Seega on gaasikulu võrreldes keemilise kütuse kuluga äärmiselt väike.
Seetõttu on sellised "kaugmaa" sondid nagu Hayabusa, Deep Space One ja Dawn töötanud ja töötavad täielikult või osaliselt ID-ga. Ja kui te ei kavatse mitte ainult inertsist kaugete taevakehade juurde lennata, vaid ka nende läheduses aktiivselt manööverdada, siis ei saa te ilma selliste mootoriteta hakkama.
2014. aastal tähistavad ioonmootorid oma poole sajandi juubelit kosmoses. Kogu selle aja jooksul ei suudetud erosiooniprobleemi lahendada isegi esialgselt. (Siin ja all illustratsioon. NASA, Wikimedia Commons.)
Nagu kõik head asjad, meeldib ka ID-le toide olla: üks njuuton tõukejõudu nõuab kuni 25 kW energiat. Kujutagem ette, et meile tehti ülesandeks saata Pluutole 100-tonnine kosmoselaev (andestate meile, et me unistasime!). Ideaalis vajame isegi Jupiteri jaoks 1000 njuutonit tõukejõudu ja 10 kuud ning Neptuunile sama tõukejõuga - poolteist aastat. Üldiselt ärme Pluutost räägi, muidu on see kuidagi kurb...
Noh, et saada need endiselt spekulatiivsed 1000 njuutonit, vajame 25 megavatti. Põhimõtteliselt pole midagi tehniliselt võimatut – 100-tonnine laev mahutaks tuumareaktori. Muide, NASA ja USA energeetikaministeerium töötavad praegu projektiga Fission Surface Power. Tõsi, me räägime Kuu ja Marsi baasidest, mitte laevadest. Kuid reaktori mass pole nii suur - ainult viis tonni, mõõtmetega 3x3x7 m...
Noh, okei, unistame ja sellest piisab, ütlete ja meenub kohe see rämps, mille Leo Tolstoi Krimmi sõja ajal väidetavalt leiutas. Lõppkokkuvõttes põhjustab nii suur mootorit läbiv ioonivoog (ja see on peamine takistus) selle erosiooni ja palju kiiremini kui kümne kuu või pooleteise aasta pärast. Pealegi pole see konstruktsioonimaterjali valiku probleem – õnneks hävivad sellistes tingimustes nii titaan kui teemant –, vaid ioonmootori konstruktsiooni lahutamatu osa iseenesest.
Valmistatud Gizmagist. ja http://lab-37.com
Kas teate, mis on Venemaal aktiivne või näiteks mis võib peagi ilmuda? Algne artikkel on veebisaidil InfoGlaz.rf Link artiklile, millest see koopia tehti -
YAHOO väljaanne pakub materjale teabega uue revolutsionääri kohta ioonmootor kosmoselendudeks.
NASA kosmoseaparaat Dawn veetis rohkem kui seitse aastat reisides üle päikesesüsteemi, et püüda kinni asteroid Vesta ja kääbusplaneet Ceres. Nüüd on sond Cerese orbiidilt edastanud esimesed pildid ja andmed nendest kaugetest objektidest. Kuid üllatav pole mitte ainult see, vaid ka tõsiasi, et selle kosmoseluuremissiooni jaoks ei kasutanud nad tavalisi rakettmootoreid, vaid elektrilist ioonmootorit, millel maailmas analooge pole.
Sellised ioonmootorid panevad edaspidi liikuma järgmise põlvkonna kosmoselaevad. Siin kasutatakse elektrienergiat laetud kütuseosakeste tekitamiseks, kasutades tavaliselt ksenoongaasi, ja nende kiirendamiseks ülisuurtele kiirustele. Tavaliste rakettide osakeste heitgaaside kiirust piirab raketikütuse molekulaarsetesse sidemetesse salvestatud keemiline energia, mis piirab nende tõukejõu umbes 5 km/s. Kuid ioonmootorite puhul on see põhimõtteliselt piiratud elektrienergia, mis võib olla laeval saadaval, kuid tavaliselt kiirus heitgaasid laetud osakeste hulk on meie aja jaoks uskumatutes piirides – 15 km/s kuni 35 km/s.
See tähendab praktikas, et elektriajamiga mootorid on tunduvalt ökonoomsemad kui keemiliselt käitatavad, seega saab tänu väiksemale kütusevajadusele pardal säästa tohutul hulgal kosmoselaeva stardimassi. Kuna ühe kilogrammi massi Maa orbiidile saatmine maksab umbes 20 000 dollarit, võib see kosmoselaeva oluliselt odavamaks muuta. See võib olla väga kasulik geostatsionaarsete satelliitide kaubanduslikele tootjatele, kus elektriline tõukejõusüsteem võimaldab neil manööverdada, lisades satelliidimissioonidele uusi võimalusi. Kuid selliste teaduslike missioonide jaoks nagu planeetidevaheline rännak Päikesesüsteemi välises tohututel vahemaadel on elektrilised tõukejõusüsteemid vaid vahend kasulikku tööd teadusliku aparatuuriga.
Elektriliste ioontõukurite tüübid
Kosmoselaev Rassveti on varustatud suurte päikesepaneelidega, mis toidavad oma elektrimootorit.
Sõltuvalt kiirendamiseks kasutatavast meetodist on kolm peamist tüüpi elektrimootoreid.
Termoelektrilised süsteemid kasutavad kütuse soojendamiseks elektrit, juhtides voolu läbi kütteelement või suunates voolu läbi kuuma ioniseeritud gaasi või plasma enda reaktiivmootoris.
Elektromagnetilised mootorid interakteeruvad raketikütuse ioniseerimisel elektrit juhtiva plasmaga, kiirendus toimub koostoimel tugeva elektrilöök ja magnetväli. See meetod, mida tuntakse impulssplasmamootorina, on tegelikult väga sarnane selle toimimisele elektrimootor. Elektrostaatilised mootorid kasutavad kütuse kiirendamiseks elektrivälja, mis tekib kahele perforeeritud võrele, millel on palju väikeseid auke, kõrgepinge rakendamisel. Teine elektrostaatiline Halli efekti konstruktsioon töötab samamoodi, kuid kõrgepingevõrkude asemel tekitab see elektrivälja, püüdes elektronid tõukuri väljundtasandil asuvasse magnetvälja.
Pool sajandit ioonmootorite loomisel
Elektri mõiste elektrijaam oli kohal 50 aastat või kauem, kuid peeti liiga eksperimentaalseks ja ei suutnud suuri projekte ette võtta. Alles nüüd hakkab see suund tõelisi rakendusi saama. Näiteks selleks, et hoida geostatsionaarseid satelliite õigel orbiidil aerodünaamiline takistus väga haruldases atmosfääris 200 km kõrgusel Maa pinnast. Või planeetidevahelisel missioonil nagu Deep Space 1, mis oli esimene eksperimentaalne missioon ioonmootorite abil, et esialgu demonstreerida tehnoloogia võimekust asteroidil 9969 Braille ja komeedil Borrelly 15 aastat tagasi, kirjutab YAHOO.
Oli veel üks projekt satelliidiga, mis neli aastat kuni 2013. aastani uuris Maa gravitatsioonivälja.
Ioonmootoreid kasutavad tulevased projektid
Elektriline kosmoselaeva tõukejõud on valmis vähendama satelliidi kasutuselevõtu kulusid. Kasutades satelliitide pardal asuvaid kompaktseid ioonmootoreid, saavad nad end madalalt Maa orbiidilt oma lõplikule geostatsionaarsele orbiidile tõsta. See säästab tohutut summat, mis on vajalik satelliidi tõstmiseks tavaliste keemiarakettide abil, kütust ja võimaldab kasutada palju väiksemaid kanderakette, mis säästab oluliselt raha. Esimesed seadmed, millel oli 2012. aastal ioonjõul töötav satelliidiplatvormi täiselektriline versioon, olid varustatud võrku ühendatud ksenoonjõuga.
Pikemas perspektiivis sõltuvad kosmosepuksiirid ja isegi mehitatud missioonid Marsile suure tõenäosusega tuumaelektri jõul.
Allikas – phys.org/news
Kas artikkel on kasulik? Seejärel andke teistele teada, klõpsates allolevatel sotsiaalmeedia nuppudel (Twitter, Facebook jne).
Tõenäoliselt pakuvad teile huvi ja kasu järgmised postitused:
,
Samuti on kasulik tellida saidil uusi huvitavaid materjale lehe ülaosas või külgmises veerus oleva oranži nupu kaudu.
Lisage see artikkel järjehoidjatesse, et selle juurde uuesti naasta, klõpsates nuppe Ctrl+D. Saate tellida teatisi uute artiklite avaldamise kohta lehe külgmises veerus oleva vormi "Telli see sait" kaudu. Kui midagi jääb arusaamatuks, siis lugege.
