الكهرباء الإجبار مركبات السياحة الفضائية الفرعية

Understanding Electric Propulsion: From Ion Thrusters to Hall-Effect Engines

إن الدفع الكهربائي ليس تكنولوجيا واحدة بل هي أسرة من النظم التي تستخدم الطاقة الكهربائية لتسريع الوقود، وخلافا للصواريخ الكيميائية التي تنتج الدفع عن حرق الوقود والأوكسيدي في غرفة الاحتراق، فإن الدافع الكهربائي يولد زخماً باهظاً (الزنون أو الكريبتون) ويعجل بالأيون باستخدام الحقول الكهربائية أو المغنطية، ونتيجة لذلك، فإن سرعة التكاثر عالية جداً تشمل التكاثر.

• Ion pushers:] Ions are accelerated through a series of grids using a high-voltage electric field. Known for extremely high Isp (up to 10,000 seconds), they produce low momentum but are very fuel-efficient.
• Hll-effect drivingers:] A magnetic field comprons electrons, which then ionize neutral gas. The ions are accelerated by an electric field. These offer a middle ground between push and efficiency.
• Pulsed plasma pushers (PPTs):] Use a solid propellant (like PTFE) that is ablated and accelerated by a pulsed electric discharge. simpleple and compact but low efficiency.
• Electrospray pushers:] Use ionic liquids accelerated through fine nozzles. Emerging technology with potential for micro-thrust applications.

وبالنسبة للمركبات دون المدارية، مدافع الهالكة ] و] مدافع اليونيون ] هي حالياً المرشحات الأكثر واعدة بسبب توازن كفاءتهم ونضجهم وقابليتهم للتقسيم.

لماذا الإنتاج الكهربائي للسياحة دون المدارية؟

المكاسب الناتجة عن زيادة الكفاءة

وأكثر الميزة إلحاحا هي : محرك صواريخ كيميائي نموذجي يحقق مقياساً قياسياً يتراوح بين 300 و450 ثانية، ويمكن أن تصل محركات الكهرباء إلى 500 1 و000 5 ثانية، أي أنها يمكن أن تنتج نفس الدافع الإجمالي باستخدام محرك أقل بكثير، أما بالنسبة للسياحة دون المدارية، فيمكن أن تخفض بدرجة كبيرة من كثافة الوقود، وأن تقل تكاليف الدفع بالمركبات.

المنافع البيئية: رحلات أنظف

وتحرق الصواريخ الكيميائية الوقود الذي يطلق ثاني أكسيد الكربون، وبخار المياه، وفولاذ الفول، وملوثات أخرى في الجو العلوي، وبينما لا يزال مجموع الانبعاثات من الرحلات دون المدارية صغيراً مقارنة بالطيران، فإن الصناعة تخضع للتدقيق لأنها تضخ، وتستخدم الغازات الدافعة الكهربائية مثل الزينون، التي لا تنتج أي نواتج ثانوية قابلة للحرق، ويأتي الأثر البيئي الرئيسي من تصنيع الوقود الجاهز وتوليد الكهرباء المستخدمة في المستقبل.

انخفاض تكاليف التشغيل من خلال القابلية للاسترداد وتخفيض التجديد

وتعاني الصواريخ الكيميائية من حرارة شديدة وضغط وهتزازات أثناء الاحتراق، مما يتسبب في ارتداء كبير وتمزق محركات المحركات، وتعمل أجهزة الدفع الكهربائية بدرجة حرارة أقل بكثير، وبدون الاحتراق العالي الضغط، مما يقلل كثيرا من الضغط الحراري والميكانيكي، وهذا يعني أن نظام الدفع يمكن أن يستمر في رحلات جوية كثيرة أخرى قبل أن يحتاج إلى قطع كبيرة من الترميم - الحرجة بالنسبة لنموذج التحول في كلفة السياحة الفضائية.

موجزات الطيران الموسعة والقابلة للعادة

وعادة ما تتبع الرحلات دون المدارية مساراً تسيئياً: دفعة قوية، ودقائق قليلة من انعدام الوزن، ثم العودة إلى الوطن، فمع وجود صواريخ كيميائية، تكون مدة الدفع قصيرة، وتثبت المسار إلى حد كبير من سمات الحروق، ويمكن أن يحافظ الدفع الكهربائي، وإن كان منخفضاً، على الدفع لفترات أطول بكثير (من دقائق إلى ساعات)، مما يمكن من توفير ملامح جديدة للبعثات مثل تجارب القوة الصغرى المستمرة.

السلامة والارتداد

إن نظم الدفع الكهربائي أقل من المواد الكيميائية في جوهرها، ولا توجد غرفة احتراق عالية الضغط ولا توجد أكسيد متفجر، فزنون غير مصاب وغير قابل للنفخ، مما يقلل من المخاطر على الأرض وفي الطيران، ويمكن توزيع محركات متعددة صغيرة للتكرار، مما يسمح بالتدهور الحاد في القدرة على الدفع بدلا من الفشل الكارثي.

التحدي الرئيسي: قاذورات منخفضة ومشكلة السلطة

ورغم هذه المزايا، فإن الدفع الكهربائي له حد أساسي: منخفض الدفع .() وينتج محرك الدفع العادي للهال دفعاً مقاساً في مطاحن لبضعة محركات جديدة، مقارنة بمئات الكيلونيوتونات لصاروخ كيميائي، ولتجاوز خطورة الأرض والوصول إلى ارتفاعات دون المدارية (80-120 كيلومتراً) يجب أن تعجل المركبة.

مصادر الطاقة

وتحتاج أجهزة الدفع الكهربائية إلى كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية - عادة إلى مئات الكيلوات من أجل الدفع دون المداري - وبالنسبة لمركبة سياحية فضائية، يجب أن تأتي هذه الطاقة من البطاريات أو الألواح الشمسية، أما البطاريات القادرة على إيصال ميغاوات للدقائق فهي ثقيلة للغاية، مما يبطل بعض وفورات الوزن من الوقود المخفض.

وقت التعجيل و G-Forces

وحتى إذا حلت مشكلة الطاقة، فإن الاتجاه المنخفض يعني فترات تسارع طويلة يمكن أن تصل إلى عشرات دقائق للوصول إلى السُرعة المدارية (رغم أن الشبهات تتطلب أقل دلتا - 5) وخلال ذلك الوقت، سيواجه الركاب تسارعا منخفضا (ربما 0.1 إلى 0.5 غم) بدلا من ارتفاع الصواريخ الكيميائية، وهذا يمكن أن يكون أكثر راحة بالنسبة لبعض المركبات التي تستخدم فيها كميات كبيرة من الصواريخ.

إدارة الأعمال

(زينون) مكلف (حوالي 000 2 دولار/كغم) وشحيحة نسبياً، أما بالنسبة للسياحة التجارية، فإنه يجري التحقيق في استخدام بدائل أرخص مثل كريبتون أو حتى اليود، ويمكن تخزين اليود كسل صلب وخفيض، مما يوفر كثافة أعلى وتكاليف أقل، ولكنه متآكل ويتطلب مناولة خاصة.

الحلول المختلطة: أفضل العالمين

ونظراً إلى انخفاض معدلات الحد من الإصابة بالفيروس، يعتقد العديد من الخبراء أن أكثر الطرق قابلية للاستمرار هي نظام الدفع الهجين () ويقلل الصاروخ الكيميائي الصغير (الوحيد أو السائل) من درجة الارتفاع اللازمة للبدء في إطلاقه الأولي وطوله من خلال الغلاف الجوي الأدنى، ويتوقف النجم الكيميائي عن وجود نظام الدفع الكهربائي المحسن.

الجهود الحالية للبحث والتطوير

وتقوم عدة منظمات بضغط حدود الدفع الكهربائي لمركبات الإطلاق دون المدارية والصغيرة:

• NASA Glenn Research Center] continues to develop advanced Hall-effect driveners with higher power levels and greater durability. Their ]High Power Electric Propulsion (HiPEP)]) program has tested pushers up to 50 kW. (Source:
• ][ ]وكالة الفضاء الأوروبية[ ]FLT:1][ تمول دراسات عن الدفع الكهربائي " الهواء " ، الذي يمكن أن يصب الغاز الجوي كمحرك للطيران منخفض جداً جداً القابل للطيران المداري، ويطبق على العزلة المدارية دون المدارية.
• Private companies like Phase Four] have developed RF (radio-frequency) pushers that are more compact and have no eroding electrodes, improving lifetime. Their Maxwell pusher is being considered for small satellite and suborbital demonstration missions.
• The University of Tokyo] and Japanese space agency JAXA have demonstrated a ]pulsma drivener designed for microsatellite station-keeping, but scaling it for suborbital use is early-stage.
• Startups like Exotrail and ThrustMe]] are commercializing low-power electric pushers for CubeSats, but are also exploring high-power variants for future space tugs that could support suborbital tourism infrastructure.