Elektrikle çalışan uzay aracı tahriki - Electrically powered spacecraft propulsion

NASA Jet Propulsion Laboratory'de operasyonda 6 kW Hall iticisi

Bir elektrikli uzay aracı tahrik sistemi elektrik kullanır, ve muhtemelen de manyetik alanlar, bir hızını değiştirmek için uzay aracı . Bu tür uzay aracı sevk sistemlerinin çoğu, itici gazı ( reaksiyon kütlesini ) yüksek hızda elektriksel olarak dışarı atarak çalışır .

Elektrikli iticiler , kimyasal roketlerden daha yüksek bir egzoz hızına sahip olduklarından (daha yüksek bir özgül darbede çalışırlar) tipik olarak kimyasal roketlerden çok daha az itici gaz kullanırlar . Sınırlı elektrik gücü nedeniyle, itki kimyasal roketlere kıyasla çok daha zayıftır, ancak elektrik tahriki daha uzun süre itme sağlayabilir.

Elektrikli tahrik, artık uzay gemilerinde olgun ve yaygın olarak kullanılan bir teknolojidir. Rus uyduları onlarca yıldır elektrikli tahrik kullanıyor. 2019 itibariyle , Güneş Sistemi genelinde işletilen 500'den fazla uzay aracı , istasyon tutma , yörünge yükseltme veya birincil tahrik için elektrikli tahrik kullanıyor . Gelecekte, en gelişmiş elektrikli iticiler, bir uzay aracını Güneş Sistemi'nin dış gezegenlerine ( nükleer güçle ) götürmek için yeterli olan , ancak yıldızlararası için yetersiz olan 100 km/s'lik bir delta-v verebilir. seyahat . Harici bir güç kaynağına (aracılığıyla bulaşabilen ile bir elektrikli roket lazer üzerinde fotovoltaik paneller ) için teorik bir olasılık vardır yıldızlararası uçuş . Bununla birlikte, çok az itme gücü sunduğundan, elektrikli tahrik, Dünya yüzeyinden fırlatma için uygun değildir.

Mars'a yapılacak bir yolculukta, elektrikle çalışan bir gemi ilk kütlesinin %70'ini hedefe taşıyabilirken, kimyasal bir roket sadece yüzde birkaçını taşıyabilir.

Tarih

Uzay aracı için elektrikli tahrik fikri 1911'de Konstantin Tsiolkovsky tarafından tanıtıldı . Daha önce, Robert Goddard kişisel defterinde böyle bir olasılığı not etmişti.

Bir ile elektrikle çalışan tahrik nükleer reaktörün tarafından kabul edildi Tony Martin için yıldızlararası Proje Daedalus 1973 yılında, ancak yaklaşım nedeniyle bir reddedildi itme profili, elektrik içine nükleer enerjiye dönüştürmek için gerekli ekipmanın ağırlığı ve sonuç olarak küçük bir ivme , istenen hıza ulaşmak için bir yüzyıl alacaktı.

Elektrikli tahrikin ilk gösterimi , SERT-1 (Uzay Elektrikli Roket Testi) uzay aracında taşınan bir iyon motoruydu . 20 Temmuz 1964'te fırlatıldı ve 31 dakika çalıştı. 3 Şubat 1970'de başlatılan bir takip görevi, SERT-2. Biri beş aydan fazla, diğeri neredeyse üç ay boyunca çalışan iki iyon iticisi taşıyordu.

2010'ların başlarında, birçok uydu üreticisi uydularında elektrikli tahrik seçenekleri sunarken -çoğunlukla yörüngede konum kontrolü için- bazı ticari iletişim uydu operatörleri bunları geleneksel kimyasal roket motorları yerine jeosenkron yörünge yerleştirme için kullanmaya başlıyordu .

Türler

İyon ve plazma sürücüler

Bu tip roket benzeri reaksiyon motorları , itici gazdan itme gücü elde etmek için elektrik enerjisi kullanır . Roket motorlarından farklı olarak, bu tür motorlar nozül gerektirmez ve bu nedenle gerçek roketler olarak kabul edilmez.

Uzay aracı için elektrikli iticiler, plazma iyonlarını hızlandırmak için kullanılan kuvvet türüne göre üç aileye ayrılabilir:

Elektrostatik

Ana madde: İyon itici

Hızlanmaya esas olarak Coulomb kuvveti neden oluyorsa (yani hızlanma yönünde statik bir elektrik alanının uygulanması ), cihaz elektrostatik olarak kabul edilir. Türler:

elektrotermal

Elektrotermal kategori , toplu itici gazın sıcaklığını artırmak için bir plazma oluşturmak için elektromanyetik alanlar kullanan cihazları gruplandırır . İtici gaza verilen termal enerji daha sonra katı malzemeden veya manyetik alanlardan oluşan bir meme tarafından kinetik enerjiye dönüştürülür . Düşük moleküler ağırlıklı gazlar (örneğin hidrojen, helyum, amonyak) bu tür bir sistem için tercih edilen itici gazlardır.

Bir elektrotermal motor, ısıyı doğrusal harekete dönüştürmek için bir meme kullanır, bu nedenle ısıyı üreten enerji harici bir kaynaktan gelse bile gerçek bir rokettir.

Elektrotermal sistemlerin özgül darbe (Isp) açısından performansı 500 ila ~1000 saniyedir, ancak soğuk gaz iticilerinin , monopropellant roketlerin ve hatta çoğu bipropellant roketlerin performansını aşar . In SSCB , elektro motorlar 1971 yılında kullanımını girmiş; Sovyet " Meteor-3 ", "Meteor-Priroda", "Resurs-O" uydu serileri ve Rus "Elektro" uydu onlarla donatılmıştır. Aerojet (MR-510) tarafından üretilen elektrotermal sistemler , şu anda itici gaz olarak hidrazin kullanan Lockheed Martin A2100 uydularında kullanılmaktadır .

elektromanyetik

Ana madde: Plazma tahrik motoru

Elektromanyetik iticiler, iyonları ya Lorentz kuvvetiyle ya da elektrik alanının ivme yönünde olmadığı elektromanyetik alanların etkisiyle hızlandırır. Türler:

İyon olmayan sürücüler

fotonik

Ayrıca bakınız: Lazer tahriki ve Foton roketi

Bir fotonik sürücü yalnızca fotonlarla etkileşime girer.

elektrodinamik ip

Ana madde: Elektrodinamik ip

Elektrodinamik bağlayıcılar zamanda, böyle bir dağıtılan bir telleri, yürüten urgan uydu gibi elektromanyetik prensipleri üzerinde çalışabilir, jeneratörler bunların dönüştürerek, kinetik enerji için elektrik enerjisi , veya motorlar kinetik enerji elektrik enerjisini dönüştürmek. Elektrik potansiyeli, iletken bir ipte, Dünya'nın manyetik alanı içindeki hareketiyle üretilir. Bir elektrodinamik bağda kullanılacak metal iletkenin seçimi, elektriksel iletkenlik ve yoğunluk gibi faktörler tarafından belirlenir . Uygulamaya bağlı olarak ikincil faktörler arasında maliyet, güç ve erime noktası bulunur.

Kontrollü

Önerilen bazı tahrik yöntemleri, şu anda anlaşılan fizik yasalarını açıkça ihlal ediyor:

Sabit ve kararsız

Elektrikli tahrik sistemleri, sabit (belirtilen bir süre boyunca sürekli ateşleme) veya kararsız (istenen bir darbeye kadar biriken darbeli ateşlemeler) olarak karakterize edilebilir . Bu sınıflandırmalar her türlü tahrik motoruna uygulanabilir.

Dinamik özellikler

Daha fazla bilgi: Reaksiyon motoru § Enerji kullanımı

Elektrikle çalışan roket motorları , bir uzay aracında mevcut olan sınırlı elektrik gücü nedeniyle, kimyasal roketlere kıyasla birkaç büyüklük sırası ile daha düşük itme sağlar . Bir kimyasal roket, yanma ürünlerine doğrudan enerji verir, oysa bir elektrik sistemi birkaç adım gerektirir. Bununla birlikte, aynı itme için harcanan yüksek hız ve daha düşük reaksiyon kütlesi , elektrikli roketlerin daha az yakıtla çalışmasına izin verir. Bu, motorların daha fazla yakıt gerektirdiği ve uzay aracının çoğunlukla bir atalet yörüngesini takip etmesini gerektiren tipik kimyasalla çalışan uzay aracından farklıdır . Bir gezegenin yakınındayken, düşük itişli tahrik, yerçekimi kuvvetini dengelemeyebilir. Bir elektrikli roket motoru, aracı bir gezegenin yüzeyinden kaldırmak için yeterli itme sağlayamaz, ancak uzun bir aralık için uygulanan düşük bir itme, bir uzay aracının bir gezegenin yakınında manevra yapmasına izin verebilir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar