האתגר של הדחף לחלל עמוק

חקר החלל העמוק דוחף את גבולות ההנדסה האנושית. המשימה למאדים, את חגורת האסטרואיד, כוכבי הלכת החיצוניים ומעבר לביקוש מערכות הנעה הפועלות במשך שנים תוך מיצוי מומנטום מקסימלי מכל קילוגרם של רקטות כימיות, עם דחף קצר אך אינטנסיבי, לשרת היטב עבור שיגור וזריקת כוח, אך הם מתעממים כאשר האצה רציפה במשך חודשים או שנים נדרשת.

הבנת איך נוצר דחף במערכות פלזמה דורש תפיסה מוצקה של אלקטרומגנטיות, פיזיקה פלזמה והנדסת כוח חלל. מאמר זה בוחן את המדע של הדור הנדחף בפלזמה, הגורמים השולטים בביצועים, אדריכלות דחף גדול, ואת המסלול לעבר משימות חלליות מהירות מבצעיות.הפיזיקה כאן היא אותו הדבר שמשלף מאיצים חלקיקים וכורים, אבל מוחל על ידי חשיבה עדינה על מערכת חלליות.

פלסמה Propulsion Fundamentals

מערכות הנעה פלזמה מייצרות דחף על ידי גז מבוזר - פלאסמה - למהירויות גבוהות מאוד של ממצה באמצעות שדות אלקטרומגנטיים.בניגוד רקטות כימיות, אשר מסתמכות על תגובות אקסותרמית לדחף חום ולהרחיב אותו באמצעות ננומטר, דחפורים פלזמה מקלקלים את מקור האנרגיה מהדחף עצמו חשמל, בדרך כלל מפאנלים סולאריים או כור גרעיני, ומאפשרים זה יכול להאיץ את התגובות הכימיות.

התפקיד של אימפולסים ספציפיים

(הדגשה של ⁇ :0) אימפולסים (IFLT:0) מודדים עד כמה יעיל מערכת הנעה משתמשת בדחף (IFLT: ⁇ ) היא הדחף הכולל למשקל יחידה של דחף והוא פרופורציה ישירה למהירות של 1000-5,000 רקטות כימיות להשיג IFLT:2spFLT 3=4 שניות פחות מ-450 שניות.

Ionization and the Plasma State

לפני שניתן לייצר דחף, גז דחף נייטרלי חייב להיות מומר לתוך פלזמה.זה קורה בתא ההיגוי, שבו אלקטרונים מאטומים או מולקולות כדי ליצור תערובת של מושגים חיוביים ואלקטרונים חופשיים.שיטות של ionization כוללים הפצצות אלקטרוניות, תדר רדיו (RF) שידור, והפיכה מיקרוגל.הבחירה תלויה בסוג דחף ודחף - xonen, kgonrtoner, kgonrtoner, kagonrton או .

פלאסמה היא התנהגותית חשמלית ותגובה לשדות חשמליים ומגנטיים.התגובה הזו היא הבסיס של האצה אלקטרומגנטית.התואר של ההצתה, צפיפות פלזמה, ואת טמפרטורת האלקטרונים כל השפעה על האופן שבו ניתן לחלץ ביעילות דחף.

הפיזיקה של דור Thrust

בכל מערכת הנעה מציית החוק השלישי של ניוטון: לכל פעולה, יש תגובה שווה ומנוגדת.בדחף פלזמה, הפעולה היא הגירוש של חלקיקים טעונים בכבדות גבוהה, והתגובה היא דחף קדימה על החללית.

(ב) ויקרא י"ד:2 ⁇ ⁇

(ב) כאשר ה-F הוא שיעור הזרם ההמוני של הדחף, ו- vFLT:0reaeFLT:1 הוא המהירות הממצה.

זיהום אלקטרוסטטי

בדחפורים אלקטרוסטטיים, כגון משחתות יון מעוגלות, צות מואצות על ידי שדה חשמלי שהוקם בין שתי רשתות או יותר עם מתח גבוה שונה.הכוח על יון ניתן על ידי חוק כוח לורנץ:

(ב) ויקרא י"א: ויקרא י"א)

במקרה אלקטרוסטטי, המרכיב המגנטי (v × B) הוא זניח או מצמצם בכוונה.שדה החשמלי E מאיץ בצלים לאנרגיות קינטיות התואמים למתח המיושם. מהירויות Exhaust יכולות להגיע לעשרות קילומטרים לשנייה.הנטרול פולט אלקטרונים במורד הזרם כדי למנוע את החללית מהשגת מטען שלילי.

זיהום אלקטרומגנטי

דחף אלקטרומגנטי, כולל משחתות אפקט הול ומגנטלופמדינמיקה (MPD) דחףים, להשתמש הן שדות חשמליים ומגנטיים כדי להאיץ את פלזמה. בתוך מחיצת הול, שדה חשמלי אקסקלי ושדה מגנטי קורנל יוצר את האולם הנוכחי בכיוון הנזימוטאלי.אלקטרונס לכודים בדרך סגורה, מדחף כמו שהם מפיץ.

הכוח של לורנץ במערכות אלה זוגות את תנועת החלקיקים המוטענת לשדות, המאפשרת האצה ללא אלקטרודות פיזיות במגע ישיר עם פלזמה.זה מקטין את שחיקה ומרחיב את החיים התפעוליים - יתרון קריטי למשימות מרובות שנים.

אדריכלות: The Major Plasma Thruster Architectures

גרידס איון פוסיסר

דחף ioned גריידי הם בין הטכנולוגיות ההנעה הבוגרות ביותר פלזמה.האקסנדר של נאס"א Xenon Thruster (NEXT) ומנוע NSTAR המשמש את משימת השחר הם דוגמאות ידועות מאוד. בדחפורים אלה, דחףlant הוא ionized בתא פריקה, וצלים מופקים ומבוטלים על ידי קבוצה של רשתות אופטיות.

דחף יון רינגד מציע גבוה IFLT:0 sveFLT (3,000-5,000 שניות) אבל צפיפות דחף נמוכה יחסית.הם מצטיינים במשימות הדורשות יעילות גבוהה וחיים ארוכים, כגון סקרי חגורת אסטרואיד ומשטח עמוק זבובים. Erosion של רשתות על ידי השפעות ion הוא הגורם העיקרי למניעת חיים.

אפקט הול אפקט Thrusters

(HETs) משתמשים נרחב בתחנות לוויין, ויותר ביישומים חלליים עמוקים.הם פועלים בתנודות דחף גבוהות יותר מאשר מדחפורים יון מעוננים, עם IBuildFLT:0spFeloph:1 ערכים בדרך כלל בטווח של 1,500-3,000 שניות.SPT-100 וגזרותיו הם ציוד סטנדרטי על הרבה לוויינים גיאוסטציונריים.

מכיוון שלדחפורים הולים אין רשתות שנחשפו לפלסמה, הם פחות רגישים לשחיקה, למרות ששחיקה של קיר ערוץ מהפגזת יון נותרה דאגה.שדה מגנטי בעיצוב וחומרי קיר הם אזורים פעילים של מחקר להאריך את החיים.

מגנטיקפילזמה Thrusters

דחף MPD פועל ברמות כוח גבוהות מאוד, לעתים קרובות בטווח מגה-וואט.הם משתמשים בשדה מגנטי חזק ומושרה עצמית להאיץ את פלזמה באמצעות כוח לורנץ.מדחפורים MPD יכול לעבד שיעורי זרימה מסיבית גבוהה לייצר דחף משמעותי, מה שהופך אותם מועמדים למשימות בין כוכביות מאוישות, שבו יש צורך גבוה IFLT:0spipper 1FLT 1 ו מתון הם הכרחיים.

האתגר העיקרי עם דציפי MPD הוא ניהול תרמי ושחיקה אלקטרודה במגוון רחב של קרינת זרם קיצוני. Pulsed inductive Thruster (PIT), לחסל אלקטרודות באמצעות שדות מגנטיים ממושכים לזמן כדי לחמם באופן חטוף ופלזמה, המציע את ההבטחה של חיים ארוכים יותר בעוצמה גבוהה.

RF ו-Ion Thrusters

תדר רדיו ודחפורים מיקרוגל לחסל את צמתים חמים על ידי שימוש גלים אלקטרומגנטיים כדי לגוון את הדחף. RF Ion Thruster שפותח על ידי סוכנות החלל האירופית משתמשת פריקה פלזמה מעודנת להפליא.

תחנת מגנטית מסוגנן (VASIMR)

VASIMR מייצגת גישה ייחודית שבה פלזמה מחומם על ידי גלי תדר רדיו ולאחר מכן מכוונת על ידי נוקלה מגנטית.הדחף יכול לשנות את מהירות הממצה שלה ודחף על טווח רחב על ידי התאמת כוח RF וקצב זרימה דחף אוויר.זה מאפשר המנוע לפעול ברמה גבוהה פירוסית עבור בריחה פלנטרית גבוהה וגבוהה IFLT:0spLTFalute עבור מצבי ניווט 1MR נחשב ל-200 קילוואט.

גורמים גוברים על Thrust Efficiency

יעילות Thrust בפלטזמה היא לא רק עניין של קלט כוח גולמי.המשחק של גורמים פיזיים והנדסה מרובים קובע כמה כוח קלט מומר לאנרגיה קינטית שימושית של הממצה.

דמנציה ופלאסמה ובגידה

צפיפות פלזמה גבוהה מגבירה את מספר החלקיקים הזמינים להאצה, אשר יכול להעלות דחף במהירות ממצה נתונה.עם זאת, פלזמות צפופה דורשות יותר כוח כדי לשמור על הזיה ויכול להוביל להפסדים התנגשות מוגברת.השבריר ההשלכה - שיעור המולקולות המונעות מחנקן - אסור לשמור גבוה כדי להימנע מדחף בצורת נייטרלי.

טופולוגיה מגנטית

התצורה של שדות מגנטיים בתוך הדחף משפיע ישירות על יעילות האצה.בדחפורים הולים, יש להתאים את עוצמת השדה המגנטי להגבלת האלקטרונים לנתיב הסחף שלהם, תוך מתן ציות כדי לברוח ללא הפרעה.שדה ⁇ , ריפוי וכוח כל השפעה על זמן המגורים של אלקטרונים ואת יציבות של טכניקות הגנה מגנטית פותחו כדי להפחית את הקיר על ידי deflecting ecting ecting משקעים אנרגטיים מן פני השטח.

בחירה יעילה

[ה]סון היה המניע של בחירה עבור רוב מערכות ההנעה החשמליות בשל המסה האטומית הגבוהה שלה, אנרגיה של יון נמוכה, ולאור הטבע. עם זאת, עלויות וזמינות הובילו עניין רב ב חלופות. Krypton יש תכונות דומות אבל צפיפות נמוכה יותר, הדורשת נפח טנק גדול יותר. ארגון הוא בשפע וזול אך דורש יותר אנרגיה עבור מערכות כוח גבוהות מאוד, מימן מציע ביעילות את הפוטנציאל IFLT:

עיבוד חשמל יעילות

יחידת עיבוד החשמל (PPU) ממירת כוח אוטובוס חלליות גולמי לתוך המתחים והזרמים הנדרשים על ידי הדחף.יעילות PPU בדרך כלל נע בין 85% ל-95%, עם הפסדים המתרחשים DC-DC ממירים, ממירים, והחלפת אלמנטים.עבור חללית מוגבלת כוח, כל נקודה של יעילות PPU. התקדמות במוליכים למחצה רחבים של פסגה (siliconbide, Nitium) הם שיפור יעילות תרמית וניהול.

Thrust Divergence and Beam Optics

לא כל החלקיקים המואצים יוצאים מהדחף בכיוון הרצוי.הפסדי צולל מתרחשים כאשר בצלים יש רכיבי מהירות קורנל שאינם תורמים לדחף אקסילי.בדחפורים ioned, עיצוב רשת - גיאומטריה, ספיגה, והיערכות - קובעים להיות ממוקדים. in Hallers, השדה המגנטי מעצב את המצטפת exhausts פיזור מתחת ל 10 מעלות הם חד-כימות במערכות מכוונות היטב.

מערכות חשמל ל-Deep Space Plasma Propulsion

משימות חלל עמוקות הפועלות רחוק מהשמש לא יכולות להסתמך רק על כוח השמש.השפעת השמש במאדים היא כ-40% משווי כדור הארץ; בצדק, היא יורדת ל-4%.עבור משימות מעבר לחגורת האסטרואיד, מקורות כוח גרעיניים נעשים נחוצים.

סולרית חשמלית

הנעה חשמלית סולרית (SEP) מתאימה היטב למשימות מערכת השמש הפנימיות.מערךים סולאריים גדולים פרוסים על החללית כמו מעבורת השחר ו-Power and Propulsion Element של נאס"א מספקים עשרות קילווואט של כוח. מערכות SEP פועלות ביעילות ל-2.5 יחידות אסטרונומיות (AU), מעבר להיקף זה חייב להגדיל באופן דרמטי כדי ללכוד אור שמש מספיק.

אספקת חשמל גרעינית

הנעה חשמלית גרעינית (NEP) זוגות כור גרעיני עם דחי פלזמה.הכור מספק כוח יציב, גבוה ללא קשר למרחק מהשמש. קיללו כוח שפותח על ידי נאס"א לייצר 1-10 קילוואט, בעוד עיצובים גדולים יותר עבור משימות מאוישות יכולים לספק מגה-וואט. NEP מאפשר רמות דחף גבוהות הרבה יותר מאשר SEP במרחקי פלנטות חיצוניות, ובכך להפחית באופן דרסטי את זמני הנסיעה העיקריים הם כור מסה, קרינה חום, והגנת חום.

ניהול ארס

דחף פלזמה אינו יעיל לחלוטין - האנרגיה המבוזבזת נראית כחום שיש לנהל.ברמות כוח מעל 10 קילוואט, קירור פסיבי הופך לא מספיק, ומערכות בקרה תרמיות פעיל באמצעות לולאות נוזליות מואצות נדרשים.

השוואה עם נטייה כימית

רקטות כימיות המיוצרות על ידי גירוש מוצרי הבעירה במהירויות ממצה בדרך כלל בין 2.5 ל-4.5 ק"מ / . צפיפות האנרגיה של מניעים כימיים נקבעת על ידי כימיה תגובה.

מערכות ההנעה של פלאסמה יכולות להשיג מהירויות של 20-50 ק"מ / או גבוה יותר באמצעות חשמל.המסה של מערכת החשמל עשויה להיות משמעותית, אבל החיסכון ההמוני המניע הם עצומים עבור משימות בעלות גבוהה של 50 ק"מ / 50 ק"מ או יותר באמצעות חשמל.המסה של 10 ק"מ / , מערכת כימית תצטרך בערך 70% של מסה ראשונית שלה כדי להניע רק 15% 1Fta עם אטומית של 1F.

ה- Trading-off הוא רמת דחף.מנועי כימיקלים מייצרים יחס של דחף למשקל מעל 10:1, המאפשר שיגורים פלנטריים ותמרונים מהירים. דרסמה דחף יחס חזק למשקל קרוב יותר ל-0.01:1 ל-0.01:1 הם לא יכולים להרים את עצמם מכדור הארץ, אבל בוואקום של החלל, דחף נמוך מתמשך מצטבר מהירות לאורך זמן באמצעות האצה הדרגתית.

עיצוב המשימה והטרפירטורי

ה-נמוך, גבוה-IveFLT:0spigtureFLT ( 1) טבע של פלסמה דורש גישה שונה לתכנון טרמפטורי מאשר חוף בליסטי עם דחפים כימיים. Low-thrust trajectories הם בדרך כלל בצורת כמו החללית בהדרגה מעלה את מסלולו סביב גוף מרכזי.

פארקר השמש Probe ו-SEP סיוע

למרות ש-Rirre Solar Probe הוא בעיקר משימה כימית, הוא משתמש בהנעה חשמלית לשליטה בגישה ותיקוןים קלים של מסלול.זה מדגיש את הגישה ההיברידית שעשויה להיות נפוצה: נטייה כימית עבור כוויות אימפולסיביות גדולות, פלסמה נטייה להאצה מתמשכת ותמרון דיוק.

המשימה של נאס"א

המשימה Psyche, שהושקה בשנת 2023, היא המשימה הראשונה של נאס"א להשתמש בדחפורים אפקט הול עבור תפקיד המניעה החלל העמוק העיקרי.החללית מצוידת בארבעה משחתים של הול הפועלת על גבי xenon Drivelant.הדחפורים ידחפו את Psyche לסטרואידים המתכתיים 16 Psyche בחגורת הראשי, המפגין חלל עמוק מבצעי במשך מספר שנים.

משימות אוטונומיות

הצעות למשימות פלנטריות חיצוניות אטומיות נחקרו במשך עשרות שנים.הרעיון של יופיטר Icy Moons Orbiter חזו על מערכת של 200-kW NEP באמצעות דחפורים של יון לחקור את אירופה, גנדימדן, ו-Callisto. בעוד שתוכנית ספציפית בוטלה, התשתית הטכנית ממשיכה.משמשתף חשמלי גרעיני לנפטון או פלוטו יכול להגיע ליעדו ב-10-12 שנים במקום 30 השנים הנדרשות על ידי מסלולים כימיים.

מחקר ופיתוח

מפיצים מתקדמים

איודוין התפתחה כחלופה מבטיחה ל-xenon.It הוא בשפע, זול, וניתן לאחסן אותו כחזק, חיסול הצורך בטנקים בלחץ גבוה.מולקולות היודיות הם דיאטומיים, הדורשות דיסוציאציה לפני ההשיזציה, אבל ההפגנות האחרונות הראו ביצועים תחרותיים. vapor מים ואפילו תנודתיות ממושכות אסטרואיד נחקרות גם עבור ניצולים נבחרים.

ממזרים מגנטיים ופלסמה דשמנט

בערפיליות מגנטיות, פלזמה מתרחבת לאורך קווי שדה מגנטיים צלילה, המרת אנרגיה פנימית לאנרגיה קינטית מכוונת.האתגר מבטיח כי פלזמה "הדהים" מהשדה המגנטי של החללית ולא להיות ממשוך לאחור.דמצמנט פיזיקה כרוך במהירות קריטית אלפובן ואת פרמטר הול.

Air-Breathing Electric Propulsion

עבור משימות מסלול כדור הארץ נמוך מאוד, מושגים הנעה חשמלית לאסוף גז אטמוספירי חי כמו דחף, חיסול הצורך לשאת דחף עבור תחנת-התחנה. בעוד לא חל ישירות על שטח עמוק, היון והטכניקות האצה שפותחו עבור מערכות אלה מתרגמים לשיפורים עמוקים של דחף חלל.

בדיקות חיים ו- Qualification

קביעת דחף פלזמה לחלל עמוק דורש אלפי שעות של פעילות רציפה.ללבוש מנגנונים כולל שחיקה ברשת, קיר ערוץ sputtering, ו- Cathode השפלה צריך להיות מאופיין ולהפחית.הדחף NEXT שנצבר מעל 50,000 שעות של בדיקות קרקעיות, מתן אמון במוכנות המשימה שלה. טכניקות אבחון מתקדמות, כולל פלואורגנטיות לייזר ו מנתחי אנרגיה, לאפשר לחוקרים לחקור את פלזמה ללא פלסמה.

דרכים לשימוש תפעולי

המעבר ממכשירי מעבדה ועד מערכות מוכנות לטיסה דורשות הזדווגות הנדסית שיטתית.רכיבי Thruster חייבים לשרוד את הרטט, רכיבה תרמית על אופניים בוואקום וחשיפה לקרינה.יחידות עיבוד כוח חייב להיות מחוספסות קרינה וסובלנות לקויה.

מדדי ה-ITL של נאס"א מספקים מסגרת להתקדמות זו.אפקט הול ודחפורים ion ממונעים הגיעו ל- TRL 9 (טיסה מוכחת) VASIMR ודחפורים MPD בעוצמה גבוהה הם ב- TRL 5-6 (המוגדרים בסביבה רלוונטית).המשך ההשקעה במשימות בדיקות קרקעיות והדגמה יקדמו את המערכות הללו לקראת יכולת מבצעית למשימות מאדים ומרחב עמוק.

מסקנה

Thrust במערכות הנעה פלזמה הוא ביטוי ישיר של כוחות אלקטרומגנטיים הפועלים על חומר ionized. על ידי שליטה האצה של חלקיקים טעונים דרך שדות חשמליים ומגנטיים, מהנדסים פתחו משטר הנעה כי תגובות כימיות לא יכולות להגיע.המסחר בין צפיפות דחף, דחפים ספציפיים, דרישות כוח, וחיים להגדיר מרחב עיצוב עשיר עם אפשרות.

המדע של דחף פלזמה שואב מהפיזיקה פלזמה, אלקטרומגנטיות, חשמל אלקטרוניקה וחומרים מדע.כפי שדיסציפלינות אלה מתקדמות, דחי פלזמה ימשיכו להתפתח לרמות כוח גבוהות יותר, יעילות רבה יותר, וחיים תפעוליים ארוכים יותר.עבור משימות חלל עמוק - למאדים, כוכבי הלכת החיצוניים ומעבר - הסתברות של פלזמה היא לא רק אלטרנטיבה לטילים כימיים.

אנחנו עדיין בעשורים הראשונים של הטכנולוגיה הזו.הדור הראשון של משימות פלסמה חלל עמוק - דון, הייאבוזה ופסיכוצ'ה - אישרו את עקרונות הליבה.הדור הבא, המופעל על ידי כור גרעיני ודחפורים מתקדמים, יעביר את נוכחות האנושות למערכת השמש החיצונית עם נגיעה כי הדחף הכימי לבדו לא יוכל להשיג.