Plasma entre l'anode et la cathode d'un propulseur ionique.
Photo : Joao Duarte / hackerspace eLab
Le Portugais João Duarte a assemblé chez lui un modèle fonctionnel simple d'un moteur ionique. Le développeur a publié un article sur son projet sur le portail hackerspace eLab. Son moteur utilise plusieurs supports, un support, un boîtier et une buse en plastique imprimé en 3D, sept clous, sept tubes de cuivre et un transformateur haute tension.
Lors de la construction d’un moteur ionique, une conductivité électrique élevée de tous les éléments est importante. Pour l'augmenter, Duarte a enduit les ongles d'une fine couche de cuivre. Il enleva la rouille des clous puis les trempa, ainsi que les pièces de cuivre oxydées, dans une solution de sel et de vinaigre. Grâce au cuivrage, la conductivité électrique à la surface des ongles a augmenté.
Les Portugais prirent ensuite un tuyau en cuivre d'un diamètre de deux centimètres et le coupèrent en cinq morceaux de cinq centimètres chacun. Duarte a ensuite imprimé le tube et les porte-clou, le support, le boîtier du moteur et la buse. Pour que le moteur ionique fonctionne efficacement, les pointes des clous en cuivre doivent être exactement au centre de la circonférence des tubes en cuivre.
Duarte n'a pas précisé à quelle distance des tubes les clous devaient être placés, mais a noté qu'elle devrait être la même pour tous les clous. Pour réguler la traction, les Portugais fabriquaient le support avec des clous mobiles dans un plan horizontal. Duarte a connecté aux tubes et aux clous un transformateur capable de produire une tension de neuf kilovolts et un courant de 50 milliampères.
Dans la conception du moteur, les clous font office de cathode et les tubes de cuivre font office d'anode. Lorsque la tension est activée, l'air autour des clous est ionisé et attiré par l'anode, un flux d'air apparaît, qui forme un léger courant d'air derrière la tuyère du moteur. Une telle centrale ne peut pas bouger, mais elle est capable de secouer des bouts de papier.
Le concept de moteur ionique a été proposé pour la première fois par le scientifique américain Robert Goddard. En 1954, la technologie a été décrite en détail par le scientifique Ernst Stuhlinger, et le premier moteur fonctionnel a été assemblé en 1959 à la NASA. Il a pu travailler pendant 31 minutes. Le système de propulsion ionique a été utilisé pour la première fois comme moteur de propulsion sur le vaisseau spatial Deep Space en 1998.
Les moteurs ioniques modernes peuvent fonctionner en continu pendant trois ans. Ils utilisent généralement de l'argon ou du xénon pour créer une poussée de jet. Ces gaz inertes sont accélérés dans un champ électrique. Des qualités positives Le moteur ionique consomme peu d'énergie et de carburant, et un inconvénient majeur est la poussée microscopique pouvant atteindre 250 millinewtons.
Ce n’est un secret pour personne que tous les moteurs à réaction fonctionnent selon la loi de conservation de la quantité de mouvement. Il en résulte que la poussée du jet est le produit du débit massique et de la vitesse de sortie du fluide de travail de la buse.
Cette vitesse est communément appelée impulsion spécifique d’un moteur à réaction. Trouvons à titre d'exemple poussée du jet lors du tir avec un fusil d'assaut Kalachnikov, qui est la principale composante du recul. Que la masse de la balle soit 0,016 kg, vitesse initiale de la balle 700 m/s, et la cadence de tir 10 coups/s. Puis recul F=700∙0,016∙10=112 N (ou 11 kgf). Excellent recul, mais ici la cadence de tir technique est de 600 coups/min. En réalité, le tir s'effectue en rafale ou en coups uniques et est d'environ 50 coups/min.
Tiré depuis AK
Revenons aux vrais moteurs à réaction, qui utilisent généralement des flux de gaz s'échappant à une vitesse hypersonique au lieu de balles. Les moteurs à réaction chimiques sont les plus courants, mais pas les seuls.
Dans cet article, avec une longue préface, je veux parler d'ionic moteurs à réaction(ci-après dénommé IRD). Les IRD utilisent des particules chargées – des ions – comme fluide de travail. Les ions ont une masse et s’ils sont accélérés par un champ électrique, une poussée de jet peut être créée. Tout cela est en théorie, mais maintenant plus en détail. L'IRD dispose d'une certaine réserve de gaz, qui est ionisé (c'est-à-dire que les atomes de gaz chargés de manière neutre sont divisés en électrons négatifs et en ions positifs) à l'aide d'une décharge gazeuse. Ensuite, les ions sont accélérés par le champ électrique en utilisant système spécial grilles, et le même système de grille bloque le mouvement des électrons. Une fois que les ions positifs quittent la tuyère, ils sont neutralisés par des électrons négatifs (se recombinant et faisant briller le gaz) afin que les ions ne soient pas attirés vers le moteur, réduisant ainsi sa poussée.
Pourquoi le xénon ?
En règle générale, le gaz xénon est utilisé comme fluide de travail dans l'IRD, car il possède l'énergie d'ionisation la plus faible parmi les gaz inertes.
L'impulsion spécifique des moteurs à réaction ioniques atteint 50 km/s, soit 150 fois la vitesse du son ! Hélas, la poussée de tels moteurs est d'environ 0,2 N. Pourquoi en est-il ainsi ? Après tout, l’impulsion spécifique est très importante. Le fait est que la masse des ions est très petite et le débit massique est faible. Pourquoi alors de tels moteurs sont-ils nécessaires s’ils ne peuvent rien déplacer ? Sur Terre, ils ne le peuvent peut-être pas, mais dans l’espace, où il n’y a pas de forces de résistance, ils sont très efficaces. Il existe une chose telle que impulsion totale - le produit de la poussée et du temps ou le produit de l'impulsion spécifique et de la masse de carburant, ce qui est assez important pour l'IRD.
Résolvons le problème suivant. Supposons qu'un moteur-fusée liquide ait une impulsion spécifique de 5 km/s, et pour notre IRD ce sera 50 km/s. Et disons que la masse du fluide de travail (dans un moteur-fusée à propergol liquide, elle est égale à la masse du carburant) pour les deux moteurs sera de 50 kg. Supposons que la masse du vaisseau spatial soit de 100 kg.
En utilisant la formule de Tsiolkovsky, nous trouverons la vitesse finale de l'appareil (c'est-à-dire lorsqu'il manque de masse de travail).
Et que se passe-t-il si les moteurs à réaction ioniques et chimiques ont la même masse de carburant, alors l'IRD sera capable d'accélérer le vaisseau spatial jusqu'à vitesses élevées, plutôt que la RD chimique. Certes, sur un IRP, il faudra plus de temps à un vaisseau spatial pour accélérer jusqu'à sa vitesse finale que sur un moteur de fusée liquide. Mais lors d'un voyage vers des planètes lointaines, une vitesse finale (d'accélération) élevée compensera cet inconvénient.
Schéma de vol vers Mars sur IRD
Les IRD sont encore utilisés aujourd’hui. Par exemple, l’appareil Deep Space 1 s’est approché de l’astéroïde Braille et de la comète Borelli et a transmis une quantité importante de données et d’images scientifiques précieuses à la Terre.
Espace profond 1
Par ailleurs, l'antenne spatiale LISA, actuellement en phase de conception, utilisera l'IRD pour ajuster l'orbite.
Antenne spatiale pour interféromètre laser
Et enfin, déterminons la poussée de l'IRD, connaissant la masse de l'ion M=6,5∙10^-26 kg, tension accélératrice U=50kV, courant de neutralisation I=0,5 A, charge élémentaire e=1,6∙10^-16C.
La tension est le travail de transfert de charge, c'est-à-dire à la sortie de la buse, l'ion aura une énergie cinétique égale au produit de la tension et de la charge ionique. A partir de l'énergie cinétique, nous exprimons la vitesse (impulsion spécifique). Trouvons le débit massique à partir de la définition du courant ; le courant électrique est la charge qui passe au fil du temps. Il s’avère que le débit massique est le produit de la masse ionique et du courant, divisé par la charge ionique. En multipliant l'impulsion spécifique et le débit massique, on obtient une poussée égale à 0,1 N.
Pour résumer, je tiens à dire qu'il existe des moteurs à réaction à plasma qui ont une conception similaire, mais qui ont un débit massique de fluide de travail beaucoup plus élevé. Qui sait, peut-être que demain l’humanité s’envolera vers Mars et la Lune avec de tels moteurs.
La NASA a terminé les tests d'un système de propulsion fonctionnant au gaz ionisé, qui ont débuté en juin 2005. Il peut désormais être équipé de vaisseaux spatiaux, les accélérant à des vitesses sans précédent.
Un moteur xénon de nouvelle génération est en cours de test. (Photo de la NASA.)
Les moteurs ioniques, souvent présentés dans la science-fiction, ont été utilisés en pratique dans les années 70. La poussée en eux est créée en raison de l'accélération du gaz ionisé dans un champ électrostatique.
L'avantage de tels systèmes de contrôle à distance par rapport aux solutions chimiques traditionnelles est leur grande efficacité, à savoir la capacité d'accélérer l'appareil jusqu'à des dizaines de kilomètres par seconde avec une faible consommation de carburant. Certes, cela se produit déjà dans l'espace lorsque le moteur ionique fonctionne longtemps : sa poussée de démarrage est faible. Par conséquent, en tant que système principal pilotant vaisseau spatial, ce schéma a commencé à être utilisé assez récemment.
Le pionnier de la propulsion ionique fut le vaisseau spatial américain Deep Space 1, lancé en 1998. Viennent ensuite les sondes européennes et japonaises, et le dernier grand projet en date est la station interplanétaire automatique Dawn, envoyée par la NASA pour étudier l'astéroïde Vesta et la planète naine Cérès.
Le moteur ionique Dawn est devenu le modèle pour la création du système xénon Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) de la NASA. Les développeurs du Glenn Research Center et d'Aerojet ont simulé une grande variété de missions dans lesquelles un tel système de propulsion pourrait être utilisé.
Depuis 2005, NEXT a travaillé 35 500 heures, soit 5 000 de plus que le record précédent. Les expériences ont nécessité 600 kg de xénon. Sur la base de modèles de test, les ingénieurs ont conçu un système de propulsion à partir de plusieurs moteurs ioniques, dont la durée de vie dépassera 6 ans, et désormais la NASA ne peut choisir que dans quelles missions il sera plus pratique d'exploiter le développement. C’est peut-être là que le programme spatial proposé par l’Académie nationale des sciences des États-Unis pour la prochaine décennie sera utile ?
Source : Computerra-Online
Moteur ionique
Un moteur ionique est un type de moteur de fusée électrique. Son fluide de travail est un gaz ionisé (argon, xénon, césium...).
Principe de fonctionnement
Le principe de fonctionnement du moteur est l'ionisation du gaz et son accélération par un champ électrostatique. Dans le même temps, grâce au rapport charge/masse élevé, il devient possible d’accélérer les ions à un niveau très élevé. vitesses élevées(jusqu'à 210 km/s contre 3-4,5 km/s pour les moteurs de fusée chimiques). Ainsi, une impulsion spécifique très élevée peut être obtenue dans un moteur ionique. Ceci permet de réduire significativement la consommation de la masse réactive du gaz ionisé par rapport à la consommation de la masse réactive des fusées chimiques, mais nécessite de grandes quantités d'énergie. L'inconvénient du moteur dans sa mise en œuvre actuelle est une poussée très faible (de l'ordre du dixième de newton). Ainsi, il n'est pas possible d'utiliser un moteur ionique pour lancer depuis la planète, mais, en revanche, dans l'espace, si le moteur fonctionne suffisamment longtemps, il est possible d'accélérer l'engin spatial à des vitesses actuellement inaccessible à tout autre espèces existantes moteurs.
Les implémentations existantes utilisent des panneaux solaires pour soutenir le fonctionnement du moteur. Mais cette méthode est inacceptable pour travailler dans l’espace lointain. C’est pourquoi les installations nucléaires sont déjà parfois utilisées à ces fins.
Le principe du moteur ionique est connu depuis un certain temps et est largement représenté dans la littérature de science-fiction, les jeux informatiques et le cinéma, mais ce n'est que récemment qu'il est devenu disponible pour l'astronautique.
En 1960, le premier moteur électrostatique ionique à large faisceau fonctionnel a été construit (créé aux États-Unis au Lewis Research Center de la NASA). En 1964, la première démonstration suborbitale réussie de propulsion ionique (SERT I) testait la faisabilité de neutraliser un faisceau d'ions dans l'espace.
En 1970 - un test pour long travail Propulseurs électrostatiques à ions mercure dans l'espace (SERT II). Depuis les années 1970, les moteurs ioniques à effet Hall sont utilisés en URSS comme moteurs de navigation (les moteurs SPT-60 ont été utilisés dans les années 1970 sur Meteors, SPT-70 sur les satellites Cosmos et Luch dans les années 1980, SPT-100 sur un certain nombre de satellites). satellites dans les années 1990).
Le moteur ionique a été utilisé pour la première fois comme moteur principal (de propulsion) sur le vaisseau spatial Deep Space 1 (premier lancement du moteur le 10 novembre 1998). Les appareils suivants furent la sonde lunaire européenne Smart-1, lancée le 28 septembre 2003, et la sonde japonaise Hayabusa, lancée sur l'astéroïde en mai 2003.
Le prochain vaisseau spatial de la NASA doté de moteurs ioniques de maintien était (après une série de gels et de reprises de travaux) le vaisseau spatial Dawn, lancé le 27 septembre 2007. Dawn est conçu pour explorer Vesta et Cérès et embarque trois moteurs NSTAR, testés avec succès sur Deep Space 1.
L'Agence spatiale européenne a installé un moteur ionique à bord du satellite GOCE, lancé le 17 mars 2009 sur une orbite terrestre ultra basse à une altitude d'environ 260 km seulement. Le moteur ionique crée une impulsion constante qui compense la friction atmosphérique et d'autres influences non gravitationnelles sur le satellite.
Perspectives
L'ESA prévoit d'utiliser la propulsion ionique sur la mission BepiColombo de Mercury. Il sera basé sur le moteur basé sur le Smart-1, mais sera plus puissant (le lancement est prévu pour 2011-2012).
La NASA dirige le projet Prometheus, pour lequel un puissant moteur ionique est en cours de développement, alimenté par l'électricité d'un réacteur nucléaire embarqué. On suppose que huit de ces moteurs seront capables d'accélérer l'appareil jusqu'à 90 km/s. Le premier appareil de ce projet, Jupiter Icy Moons Explorer, devait être envoyé sur Jupiter en 2017, mais le développement de cet appareil a été suspendu en 2005 en raison de difficultés techniques. Actuellement, une recherche est en cours pour une conception AMS plus simple pour le premier test du programme Prometheus.
Article dans Computerra
Sur l'utilisation de réacteurs nucléaires pour les moteurs ioniques (Membrane.ru)
BepiColombo sur le site de l'ESA
Projet "Prometheus" sur le site de la NASA
Le vaisseau spatial à propulsion ionique Dawn a été lancé le 25 septembre 2007.
Moteurs photoniques et ioniques
De la fiction à la réalité
MOTEUR PHOTON - un moteur à réaction dont la poussée est créée par la sortie de quanta de rayonnement électromagnétique ou de photons. Le principal avantage d'un tel moteur est la vitesse d'échappement maximale possible dans le cadre de la mécanique relativiste, égal à la vitesse lumière dans le vide. Pour un véhicule-fusée, c'est le seul moyen largement connu d'atteindre une fraction significative de la vitesse de la lumière à des valeurs raisonnables du nombre de Tsiolkovsky, qui caractérise le rapport des masses d'une fusée chargée et vide. Il convient cependant de noter que dans ce cas nous parlons du nombre Z de l'ordre de plusieurs dizaines - centaines, avec des valeurs techniquement mises en œuvre de l'ordre de 10 pour les fusées à plusieurs étages. Le principal inconvénient du moteur à photons est le faible rendement de la chaîne de conversion d'énergie de la source primaire au jet de photons. L'utilisation de la réaction d'annihilation pour la production directe de quanta optiques et gamma ne réduit pas significativement la gravité du problème, puisqu'il faut prendre en compte les pertes de stockage de l'antimatière (sans parler de sa production) et les difficultés de focalisation le rayonnement qui en résulte. De plus, l'utilisation du plasma thermonucléaire comme source de photons (y compris pour générer un rayonnement laser) et l'utilisation de quanta électromagnétiques d'une gamme de longueurs d'onde plus longue (« moteur radio ») ont été considérées comme plus réalistes. Dans le premier cas, les problèmes de génération et de maintien du plasma avec les paramètres nécessaires dans un état stable restent non résolus. Le « moteur radio » simplifie grandement la tâche de focalisation du « jet stream », mais réduit considérablement l'efficacité du système de propulsion.
Photon Drive : percée spatiale
L'effet de l'émission de poussières sous l'influence du rayonnement lumineux permettra de créer un type de propulsion spatiale intéressant et prometteur pour les vols vers d'autres planètes système solaire. Lorsqu’elles sont exposées à la lumière et à la chaleur, les particules de poussière défient la gravité et s’élancent vers le haut. Cet effet, qui a joué un rôle important dans la formation des planètes et des astéroïdes, se retrouve également utilisation pratique dans les dispositifs de dépoussiérage, ainsi que dans les moteurs des sondes martiennes et dans la création d'un nouveau type de voile spatiale.
Lorsqu’une couche de poussière est exposée au rayonnement laser rouge, on observe une émission jaillissante de particules, rappelant l’éruption d’un petit volcan. Après avoir étudié ce phénomène de manière approfondie, les scientifiques Gerhard Wurm et Oliver Krauss de l'Université de Münster sont arrivés à la conclusion que son apparition est associée à la photophorèse et à « l'effet de serre » à l'état solide, rapporte PhysOrg.
La photophorèse - ou le mouvement des particules sous l'influence de la lumière - est basée sur un effet connu depuis longtemps appelé thermophorèse, c'est-à-dire le mouvement des particules sous l'influence de la chaleur. Dans les environnements présentant des gradients de température, les particules se déplaceront des régions les plus chaudes vers les régions plus froides. Lorsque la source de chaleur est l’énergie de la lumière absorbée, ce processus est appelé photophorèse.
Le moteur à photons est un moteur dont la poussée est créée en raison de la sortie de quanta de rayonnement électronique/magnétique ou de photons. L’éjection de particules de poudre de graphite (dans l’encadré il y a une « éruption » de particules de carbone vitreuses).
Lecteur de photons – est-ce une réalité ?
En plus du gradient de température de surface, « l'effet de serre » à l'état solide joue également un rôle dans les éruptions de poussière. L'effet de serre se produit parce que le faisceau laser chauffe plus fortement les particules de poussière situées légèrement plus profondément que les couches superficielles (au moins à une profondeur de 100 microns, soit plusieurs dizaines de couches de particules).
Les scientifiques ont calculé qu'une force d'environ 10-7 N est nécessaire pour libérer une particule sphérique de 1 micron. "Nous avons observé que les particules s'élèvent jusqu'à une hauteur moyenne de 5 cm", explique le Dr Wurm. "La hauteur peut être augmentée à 10 cm", mais ce n'est pas la limite. La limite dépend probablement de la répartition et de la taille des particules, de la force de leur adhésion mutuelle et de la puissance du faisceau laser."
Avec une puissance de 50 mW, le rayonnement pénètre dans la couche de poussière jusqu'à une profondeur de plusieurs millimètres. La température a tendance à diminuer avec l'augmentation de la profondeur, mais elle atteint en réalité un maximum non pas à la surface, mais à une profondeur de 100 µm. Cela crée un gradient de température inverse près de la surface, ce qui provoque l'éruption de particules de poussière. Au cours des expériences, il a également été découvert que quelques dizaines de secondes après l'extinction du laser, le point de gradient de température maximum se mélange plus profondément en raison du refroidissement rapide de la surface, ce qui augmente encore la force de la photophorèse.
La photophorèse est mieux observée à basse pression. Les expériences ont été réalisées à une pression de 10 millibars, soit environ 0,01 de la pression atmosphérique normale de la Terre, de sorte que l'effet de la photophorèse sur la poussière terrestre est négligeable. Cependant, dans les premiers stades de la formation des planètes et des étoiles, la photophorèse à basse pression a probablement joué un rôle important dans la formation de disques de gaz et de poussière, ce qui a conduit à la formation d'astéroïdes et d'autres objets cosmiques dans la ceinture de Kuiper.
Les scientifiques pensent qu'à l'avenir, la photophorèse pourrait trouver une application pratique dans l'atmosphère raréfiée de Mars. Par exemple, cette technologie peut être utilisée dans les stations de recherche automatiques pour éliminer la poussière des cellules solaires et des lentilles des instruments optiques. De plus, les scientifiques envisagent de créer une voile solaire qui utiliserait la puissance de la photophorèse au lieu de la pression des radiations. Une telle voile, rappelant un filet de pêche et fonctionnant sur la base de la photophorèse négative, selon les physiciens, peut entraîner de petites sondes. Une voile mesurant 10x10 m est capable d'emporter une charge utile de plusieurs dizaines de kilogrammes uniquement grâce au rayonnement « passif » du Soleil.
Moteur ionique : une percée spatiale
ION ENGINE - le samedi 30/09/2003, la station de recherche de l'Agence Spatiale Européenne SMART 1 a été lancée avec succès dans l'espace depuis le cosmodrome de Kourou par le lanceur Ariane 5. Le satellite a été créé sur ordre de l'ESA (Agence Spatiale Européenne , Agence spatiale européenne) par la Swedish Space Corporation, impliquant près de 30 sous-traitants de 11 pays européens et des États-Unis. Le coût total du projet était de 110 millions d'euros.
SMART 1 est la première sonde robotique de l'ESA destinée à l'exploration lunaire. En même temps, il s'agit d'une station de recherche unique d'un type nouveau, la première en nouveau programme L'ESA a intitulé Petites missions pour la recherche avancée en technologie. Au cours du programme, il est prévu de tester un certain nombre de nouvelles technologies, par exemple les communications en bande Ka et les communications laser, la navigation autonome et bien plus encore.
Doté d'un nombre d'équipements assez important, SMART 1 se distingue par son faible poids (370 kg, matériel scientifique compris - 19 kg) et sa compacité. Avec des panneaux solaires pliés, c'est un rectangle de la taille d'un mètre. Le coût de SMART 1 est environ cinq fois inférieur à celui d'une station interplanétaire typique de l'ESA. Mais le plus caractéristique principale Le nouveau vaisseau spatial est que, pour la première fois dans l'histoire de l'astronautique, un moteur ionique sera utilisé comme moteur principal. L'ESA prévoit d'inclure deux autres véhicules équipés d'un système de propulsion ionique. Il s'agit de BepiColombo pour l'étude de Mercure et de Solar Orbiter pour l'étude du Soleil.
Le moteur ionique installé sur SMART 1 consomme 1 350 watts d'électricité générée par des panneaux solaires et développe une poussée de 0,07 Newton, soit environ le poids d'une carte postale. La substance de travail est le xénon (réserve de carburant 82 kg). Dans le même temps, il a fallu 16 mois à la station pour entrer sur une orbite polaire elliptique autour de la Lune. Le lancement de SMART 1 sur l'orbite prévue était un processus complexe en plusieurs étapes composé d'étapes.
À proprement parler, des moteurs ioniques ont déjà été installés sur des engins spatiaux - en dernières années, notamment sur la station de recherche Deep Space 1 (DS 1) de la NASA et sur le satellite expérimental de communications géostationnaires Artemis de l'ESA. Dans ce dernier cas, grâce à la présence de moteurs ioniques à bord, il a été possible de sauver un satellite qui semblait complètement perdu au prix de millions de dollars.
Le fonctionnement anormal de l'étage supérieur du lanceur Ariane 5, qui a mis en orbite le satellite Artemis, a conduit au fait que l'orbite d'Artemis était nettement inférieure à celle calculée. Cela entraîne généralement la perte du satellite. S’il constitue une menace pour d’autres engins spatiaux, il est coulé (engin spatial lourd) ou « brûlé » dans l’atmosphère. Mais Artémis a échappé à ce triste sort.
Grâce à des mesures urgentes prises et au prix de l'épuisement de la quasi-totalité des réserves de carburant chimique à bord, le satellite a pu être transféré sur une orbite circulaire à une altitude de 31 000 km. Mais après cela, il a fallu transférer Artemis vers le système géostationnaire calculé (altitude d'environ 36 000 km). Ensuite, il a été décidé d'utiliser quatre moteurs ioniques installés à bord par paires. Ils étaient initialement destinés à contrôler l’orientation (inclinaison) du satellite. Pour effectuer la transition, le vecteur poussée des moteurs était dirigé perpendiculairement au plan orbital. Mais pour sauver l'appareil, il fallait lui donner une impulsion dans le plan orbital, et ainsi le transférer sur une orbite géostationnaire supérieure. Artemis devait pivoter de 90 degrés par rapport à son orientation normale.
L'opération de sauvetage la plus complexe a nécessité l'élaboration « à la volée » d'une nouvelle stratégie d'action, de nouveaux modes de contrôle des satellites et du fonctionnement des équipements embarqués. Il a fallu modifier 20% de l'ensemble du bord logiciel. Et pourtant, l’opération a été très réussie. Sa complexité est attestée par le fait que uniquement pour la reprogrammation système embarqué contrôle nécessaire pour télécharger des blocs logiciels modifiés depuis la Terre avec un volume total de 15 000 mots. Il s’agit de la plus grande opération de reprogrammation d’un satellite de télécommunications depuis la Terre.
Malgré la poussée modeste (seulement 15 millinewtons), Artemis a commencé à « grimper » sur l'orbite calculée, s'élevant de 15 km par jour. L'ensemble de l'opération de sauvetage a duré 18 mois. Le 31 janvier 2003, Artemis se trouvait exactement là où elle aurait dû être il y a un an et demi. La première opération de sauvetage au monde, dont le résultat dépendait entièrement de la fiabilité des moteurs ioniques et des actions coordonnées des habitants de la Terre, a été un succès. Le satellite, considéré comme désespérément perdu, a commencé à fonctionner normalement.
La conception du moteur principal SMART 1 est très différente de celle des moteurs installés sur DS 1 et Artemis. Dans le cas des deux derniers appareils, un réseau auquel est appliqué un potentiel (appelé moteur ionique en grille) a été utilisé pour accélérer les ions. En revanche, SMART 1 est équipé d'un moteur à ions Hall, dont la conception est sensiblement différente. Un avantage important Les moteurs à effet Hall se caractérisent par l’absence de réseau constamment bombardé par des ions de haute énergie, entraînant sa dégradation rapide. Quant aux autres caractéristiques des moteurs ioniques de différentes conceptions, la situation ne semble pas si évidente. En général, les moteurs à grille permettent une impulsion spécifique plus importante et consomment environ deux fois plus moins de carburant(fluide de travail) que les propulseurs Hall. Cependant, les propulseurs Hall permettent de développer une poussée spécifique plus importante avec la même consommation électrique. Les deux conceptions ont leurs avantages et leurs inconvénients, et le choix de l'option préférée dépend dans chaque cas de la nature des tâches auxquelles l'appareil est confronté et de ses capacités énergétiques.
9 mars 2013
Le problème des déplacements dans l'espace se pose à l'humanité depuis le début des vols orbitaux. Une fusée qui décolle du sol consomme la quasi-totalité de son carburant, ainsi que les charges des accélérateurs et des étages. Et si une fusée peut encore être décollée du sol, après l'avoir ravitaillée avec une énorme quantité de carburant, au cosmodrome, alors dans l'espace, il n'y a tout simplement nulle part ni rien pour faire le plein. Mais après être entré en orbite, vous devez continuer. Mais il n'y a pas de carburant.
Et c’est le principal problème de l’astronautique moderne. Il est encore possible de lancer un vaisseau en orbite avec suffisamment de carburant pour atteindre la Lune ; selon cette théorie, il est prévu de créer une base de ravitaillement sur la Lune pour les engins spatiaux « à longue portée » volant, par exemple, vers Mars. Mais tout cela est trop compliqué.
Et la solution au problème a été créée il y a longtemps, en 1955, lorsqu'Alexeï Ivanovitch Morozov a publié l'article « Sur l'accélération du plasma par un champ magnétique ». Il y décrit le concept d'un moteur spatial fondamentalement nouveau.
Conception du moteur à plasma ionique
Principe de fonctionnement moteur à plasma c'est que le fluide de travail ne brûle pas du carburant, comme dans les moteurs à réaction, mais un flux d'ions accéléré par un champ magnétique à des vitesses insensées.
La source d'ions est du gaz, généralement de l'argon ou de l'hydrogène, un réservoir de gaz est situé au tout début du moteur, de là le gaz est fourni au compartiment d'ionisation, un plasma froid est obtenu, qui est chauffé dans le compartiment suivant au moyen de chauffage par résonance cyclotronique ionique. Après chauffage, le plasma à haute énergie est introduit dans une buse magnétique, où il est transformé en flux au moyen d'un champ magnétique, accéléré et éjecté dans environnement. C'est ainsi que la traction est obtenue.
Depuis, les moteurs à plasma ont parcouru un long chemin et se divisent en plusieurs types principaux, à savoir les moteurs électrothermiques, les moteurs électrostatiques, les moteurs à courant élevé ou magnétodynamiques et les moteurs à impulsions.
À leur tour, les moteurs électrostatiques sont divisés en ions et plasma (accélérateurs de particules utilisant un plasma quasi neutre).
Dans cet article, nous parlerons du moderne moteurs ioniques et eux évolutions prometteuses, car à notre avis l’avenir de la flotte spatiale dépend d’eux.
Un moteur ionique utilise du xénon ou du mercure comme carburant. Le premier moteur ionique s’appelait moteur ionique électrostatique réticulé.
Le principe de son fonctionnement est le suivant :
Le ioniseur est fourni xénon, qui est neutre en soi, mais devient ionisé lorsqu'il est bombardé par des électrons de haute énergie. Ainsi, un mélange d’ions positifs et d’électrons négatifs se forme dans la chambre. Pour « filtrer » les électrons, un tube doté de grilles cathodiques est introduit dans la chambre, qui attire les électrons.
Les ions positifs sont attirés vers le système d'extraction, composé de 2 ou 3 grilles. Une grande différence de potentiels électrostatiques est maintenue entre les grilles (+1090 volts sur celle interne contre -225 sur celle externe). Lorsque les ions pénètrent entre les grilles, ils sont accélérés et projetés dans l'espace, accélérant ainsi le vaisseau, selon la troisième loi de Newton.
Moteurs ioniques russes. Sur chacun d'eux, les tubes cathodiques sont bien visibles, dirigés vers la buse
Les électrons piégés dans le tube cathodique sont éjectés du moteur sous un léger angle par rapport à la buse et au flux d'ions. Ceci est fait pour deux raisons:
Premièrement, pour que la coque du navire reste chargée de manière neutre, et deuxièmement, pour que les ions « neutralisés » ne soient pas ainsi attirés vers le navire.
Pour qu’un moteur ionique fonctionne, vous n’avez besoin que de deux choses : du gaz et de l’électricité. Avec le premier, tout va bien : le moteur du vaisseau interplanétaire américain Dawn, lancé à l'automne 2007, n'aura besoin que de 425 kilogrammes de xénon pour voler pendant près de 6 ans. À titre de comparaison, l’ajustement de l’orbite de l’ISS à l’aide de moteurs-fusées conventionnels nécessite 7,5 tonnes de carburant chaque année.
Le seul inconvénient est que les moteurs ioniques ont très peu de poussée, de l’ordre de 50 à 100 millinewtons, ce qui est absolument insuffisant pour se déplacer dans l’atmosphère terrestre. Mais dans l'espace, où il n'y a pratiquement aucune résistance, un moteur ionique peut atteindre des vitesses importantes lors d'une accélération prolongée. L'augmentation totale de la vitesse sur toute la durée de la mission Dawn sera d'environ 10 kilomètres par seconde.
Test du moteur ionique pour le vaisseau Deep Space
Des tests récents menés par la société américaine Ad Astra Rocket, effectués dans une chambre à vide, ont montré que leur nouvelle fusée à magnétoplasme à impulsion spécifique variable VASIMR VX-200 peut produire une poussée aussi faible que 5 newtons.
Le deuxième problème est l'électricité. Le même VX-200 consomme 201 kW d'énergie. Panneaux solaires Ce moteur n'est tout simplement pas suffisant. Il est donc nécessaire d’inventer de nouvelles façons d’obtenir de l’énergie dans l’espace. Il existe deux manières de le faire : des batteries rechargeables, comme celles au tritium, mises en orbite avec le navire, ou un réacteur nucléaire autonome, qui alimentera le navire tout au long du vol.
En 2006, l'Agence spatiale européenne et l'Université nationale australienne ont testé avec succès une nouvelle génération de moteurs spatiaux ioniques, atteignant des performances record.
Les moteurs dans lesquels des particules chargées sont accélérées dans un champ électrique sont connus depuis longtemps. Ils sont utilisés pour l'orientation, la correction d'orbite sur certains satellites et véhicules interplanétaires, et dans un certain nombre de projets spatiaux (à la fois déjà mis en œuvre et juste planifiés - lire, et) - même en marche.
Les experts y associent la poursuite de l’exploration du système solaire. Et bien que tous les types de moteurs de fusée dits électriques soient bien inférieurs aux moteurs chimiques en termes de poussée maximale (grammes contre kilogrammes et tonnes), ils leur sont radicalement supérieurs en termes d'efficacité (consommation de carburant par gramme de poussée par seconde). Et cette efficacité (impulsion spécifique) est directement proportionnelle à la vitesse du jet stream éjecté.
Ainsi, dans un moteur expérimental appelé « Dual-Stage 4-Grid » (DS4G), construit dans le cadre d'un contrat de l'ESA en Australie, cette vitesse a atteint un record de 210 kilomètres par seconde.
Ceci, par exemple, est 60 fois supérieur à la vitesse d'échappement des bons moteurs chimiques et 4 à 10 fois supérieure à celle des moteurs ioniques précédents.
Comme le nom du développement l'indique clairement, cette vitesse a été atteinte grâce à un processus d'accélération ionique en deux étapes utilisant quatre réseaux séquentiels (au lieu du traditionnel étage et trois réseaux), ainsi que haute tension- 30 kilovolts. De plus, la divergence du faisceau réactif de sortie n’était que de 3 degrés, contre environ 15 degrés pour les systèmes précédents.
Voici les informations de ces derniers jours.
Un moteur ionique (ID) fonctionne simplement : le gaz d'un réservoir (xénon, argon, etc.) est ionisé et accéléré par un champ électrostatique. Étant donné que la masse de l’ion est petite et qu’il peut recevoir une charge importante, les ions s’envolent du moteur à des vitesses allant jusqu’à 210 km/s. Moteurs chimiques peut atteindre... non, rien de tel, mais seulement vingt fois inférieur au taux d'épuisement des produits de combustion seulement dans des cas exceptionnels. En conséquence, la consommation de gaz par rapport à la consommation de combustible chimique est extrêmement faible.
C’est pourquoi des sondes « à longue portée » comme Hayabusa, Deep Space One et Dawn ont fonctionné et travaillent entièrement ou partiellement sur l’ID. Et si vous souhaitez non seulement voler par inertie vers des corps célestes lointains, mais également manœuvrer activement à proximité d'eux, vous ne pouvez pas vous passer de tels moteurs.
En 2014, les moteurs ioniques célèbrent leur demi-siècle dans l’espace. Pendant tout ce temps, le problème de l’érosion n’a pas pu être résolu, même en première approximation. (Illustration ici et ci-dessous. NASA, Wikimedia Commons.)
Comme toutes les bonnes choses, ID aime être propulsé : un newton de poussée nécessite jusqu'à 25 kW d'énergie. Imaginons que nous soyons chargés de lancer un vaisseau spatial de 100 tonnes vers Pluton (vous nous pardonnerez de rêver !). Idéalement, même pour Jupiter, nous aurons besoin de 1 000 newtons de poussée et de 10 mois, et pour Neptune avec la même poussée, d'un an et demi. En général, ne parlons pas de Pluton, sinon c'est un peu triste...
Eh bien, pour obtenir ces 1 000 newtons encore spéculatifs, nous avons besoin de 25 mégawatts. En principe, rien d'impossible techniquement : un navire de 100 tonnes pourrait accueillir un réacteur nucléaire. À propos, la NASA et le département américain de l'Énergie travaillent actuellement sur le projet Fission Surface Power. Certes, nous parlons de bases sur la Lune et sur Mars, et non de navires. Mais la masse du réacteur n'est pas si élevée - seulement cinq tonnes, pour des dimensions de 3x3x7 m...
Bon, d'accord, rêvons et ça suffit, dites-vous, et souvenez-vous immédiatement de la chansonnette qui aurait été inventée par Léon Tolstoï pendant la guerre de Crimée. En fin de compte, un flux d'ions aussi important traversant le moteur (et c'est un obstacle majeur) provoquera son érosion, et ce, bien plus rapidement qu'en dix mois ou un an et demi. De plus, il ne s'agit pas ici d'un problème de choix d'un matériau structurel - heureusement, le titane et le diamant seront détruits dans de telles conditions - mais d'une partie intégrante de la conception du moteur ionique en soi.
Préparé à partir de Gizmag. et http://lab-37.com
Savez-vous ce qui est actif en Russie ou, par exemple, ce qui pourrait bientôt apparaître ? L'article original est sur le site InfoGlaz.rf Lien vers l'article à partir duquel cette copie a été réalisée -
La publication YAHOO fournit du matériel contenant des informations sur le nouveau révolutionnaire moteur ionique pour les vols spatiaux.
La sonde spatiale Dawn de la NASA a passé plus de sept ans à parcourir le système solaire pour intercepter l'astéroïde Vesta et la planète naine Cérès. Désormais depuis son orbite autour de Cérès, la sonde a transmis les premières images et données de ces objets lointains. Mais non seulement cela est surprenant, mais le fait que pour cette mission spatiale de reconnaissance, ils ont utilisé non pas des moteurs de fusée ordinaires, mais un moteur ionique électrique, qui n'a pas d'analogue dans le monde.
De tels moteurs ioniques propulseront désormais la prochaine génération d’engins spatiaux. Ici, l’énergie électrique est utilisée pour créer des particules de combustible chargées, généralement à l’aide de gaz xénon, et les accélérer à des vitesses extrêmement élevées. La vitesse d'échappement des particules des fusées conventionnelles est limitée par l'énergie chimique stockée dans les liaisons moléculaires du propulseur, ce qui limite leur poussée à environ 5 km/s. Mais avec les moteurs ioniques, en principe, cela n'est limité que pouvoir électrique, qui peut être disponible sur le navire, mais généralement la vitesse les gaz d'échappement de particules chargées se situe dans des limites incroyables pour notre époque - de 15 km/s à 35 km/s.
Cela signifie en pratique que les moteurs électriques sont beaucoup plus économiques que les moteurs chimiques, de sorte qu'une énorme quantité de la masse de lancement du vaisseau spatial peut être économisée grâce au moindre besoin de carburant à bord. Avec un coût d'environ 20 000 dollars pour lancer un kilogramme de masse en orbite terrestre, cela pourrait rendre le vaisseau spatial nettement moins cher. Cela pourrait être très utile pour les fabricants commerciaux de satellites géostationnaires, où le système de propulsion électrique leur permet de manœuvrer, ajoutant ainsi de nouvelles capacités aux missions satellitaires. Cependant, pour les missions scientifiques telles que les voyages interplanétaires dans le système solaire externe sur de grandes distances, les systèmes de propulsion électrique ne sont qu'un moyen d'accomplir travail utile avec du matériel scientifique.
Types de propulseurs ioniques électriques
Le vaisseau spatial Rassvet est équipé de grands panneaux solaires pour alimenter son moteur électrique.
Il existe trois principaux types de moteurs électriques, selon la méthode utilisée pour l'accélération.
Les systèmes thermoélectriques utilisent l'électricité pour chauffer le combustible soit en faisant passer du courant à travers un élément chauffant, ou en faisant passer du courant à travers un gaz ionisé chaud ou le plasma lui-même dans un moteur à réaction.
Les moteurs électromagnétiques lors de l'ionisation du carburant de fusée interagissent avec un plasma électriquement conducteur, l'accélération se produit lors de l'interaction avec une forte choc électrique et champ magnétique. Connue sous le nom de moteur à plasma pulsé, cette méthode est en réalité très similaire à son fonctionnement. Moteur électrique. Les moteurs électrostatiques utilisent un champ électrique généré en appliquant une haute tension à deux grilles perforées comportant de nombreux petits trous pour accélérer le carburant. Une autre conception électrostatique à effet Hall fonctionne de la même manière, mais au lieu de grilles haute tension, elle génère un champ électrique en piégeant les électrons dans un champ magnétique dans le plan de sortie du propulseur.
Un demi-siècle dans la création de moteurs ioniques
Le concept d'électricité centrale électriqueétait présente depuis 50 ans ou plus, mais était considérée comme trop expérimentale et incapable d'entreprendre de grands projets. Ce n’est que maintenant que cette direction commence à trouver de véritables applications. Par exemple, pour maintenir les satellites géostationnaires sur la bonne orbite afin de contrer résistance aérodynamique dans une atmosphère très raréfiée à 200 km d'altitude au-dessus de la surface de la Terre. Ou lors d'une mission interplanétaire telle que Deep Space 1, la première mission expérimentale utilisant des moteurs ioniques pour démontrer initialement les capacités de la technologie sur l'astéroïde 9969 Braille et la comète Borrelly il y a 15 ans, écrit YAHOO.
Il y a eu un autre projet avec un satellite qui, pendant quatre ans, jusqu’en 2013, a étudié le champ gravitationnel de la Terre.
Projets futurs utilisant des moteurs ioniques
La propulsion électrique des engins spatiaux est sur le point de réduire le coût du déploiement des satellites. Grâce à des moteurs ioniques compacts à bord des satellites, ils peuvent se soulever d’une orbite terrestre basse jusqu’à leur orbite géostationnaire finale. Cela permettra d'économiser l'énorme quantité nécessaire pour soulever un satellite à l'aide de fusées chimiques conventionnelles et de carburant, et permettra d'utiliser des lanceurs beaucoup plus petits, ce qui permettra d'économiser beaucoup d'argent. Les premières unités avec une version entièrement électrique de la plate-forme satellite en 2012 avec propulsion ionique étaient équipées d'une alimentation au xénon en réseau.
À plus long terme, les remorqueurs spatiaux et même les missions habitées vers Mars dépendront très probablement de la propulsion nucléaire électrique.
Source - phys.org/news
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