מנוע חשמלי לרכבי תיירות חלל

המהפכה השקטה: מדוע חומר להנעה חשמלית לטיסה

תיירות חלל היא כבר פנטזיה מרוחקת.חברות כמו FLT:0 Blue OriginsFLT:1 ו-FLT:2Virgin גלקטיקFLT 3 כבר טסו נוסעים פרטיים לקצה החלל על כלי רכב תת-ביטביטאליים, אבל הנסיעות המוקדמות האלה מסתמכות על טילים כימיים מסורתיים - כוח, חזק וסביבתי מס כמו הבוגר, שקט, טכנולוגיה יעילה יותר, בעוד שעדיין לא פחות מ- 4.

הבנה של הנעה חשמלית: מ Ion Thrusters to Hall-Effect Engines

הנעה חשמלית אינה טכנולוגיה אחת, אלא משפחה של מערכות המשתמשות באנרגיה חשמלית כדי להאיץ את הדחף.בניגוד לטילים כימיים המייצרים דחף על ידי שריפת דלק וחמצן בתא שלבעירה, דחף חשמלי יוצר דחף על ידי ioning גז (בדרך כלל xenon או krypton) והשגת התפיסות באמצעות שדות חשמליים או מגנטיים.

(ב) ⁇ :0) ⁇ (ב"ג): "הדברים" (ב"ב) הם מואצים באמצעות סדרה של רשתות באמצעות שדה חשמלי גבוה, הידוע עבור Isp גבוה מאוד (עד 10,000 שניות), הם מייצרים דחף נמוך אך הם מאוד יעילים בדלק.
(ב) ⁇ :0) דחפורים אפקט: FLT:1 שדה מגנטי מלכודות אלקטרונים, אשר לאחר מכן פיזור גז נייטרלי.המושגים מואצים על ידי שדה חשמלי.
(FLT:0) דחפורים פלזמה (PPTssrov): 1FLT השתמש בדחף מוצק (כמו PTFE) כי הוא מואץ ומבוטל על ידי שחרור חשמלי מואץ.
(FLT:0) דחפורים חשמליים: FLT:1, השתמש בנוזלים איטוניים מואצים באמצעות נביחות קנסות.

(ב) כלי רכב תת-ביטלניים (FLT:0) דחפורים אפקט ה-Hll- Effect דחף (FLT:1 ו-FLT:2ion DriveersuaFLT 3: 3) הם כיום המועמדים המבטיחים ביותר בשל מאזן היעילות, הבגרות, והיקף ההיקף שלהם.

מדוע הובלת חשמל לתיירות תת-ביטביטאלית?

שקיפות רדיקלית

היתרון המשכנע ביותר הוא (FLT:0) אימפולס ספציפי של 1FLT:1 (מנוע טילים כימי טיפוסי משיג Isp של כ-300-450 שניות.דחפורים חשמליים יכולים להגיע ל-1,500-5,000 שניות, כלומר הם יכולים לייצר את אותו דחף מוחלט באמצעות דחף נמוך בהרבה.עבור תיירות תת-ביטלית, זה מתורגם להפחתת כמות משמעותית של דלק, להפחית את המשקל הכולל ואת עלויות ההשקה עם פחות דחף, יכול להיות גורמים מסחריים, יכול להיות קטן יותר, כמו גם עבור כלי רכב קטן יותר, קטן יותר, קטן יותר, יכול להיות קטן יותר, כגון:

יתרונות סביבתיים: טיסות נקיות יותר

רקטות כימיות כוויות דחף המשחרר פחמן דו חמצני, מים ריקים, סווט, ומזהמים אחרים לתוך האווירה העליונה. בעוד פליטות הכוללות מטיסות תת-ביטל עדיין קטנות בהשוואה לתעופה, התעשייה נמצאת תחת בדיקה כפי שהיא בקנה מידה.חשמל מונע שימוש בגזים כמו xenon, אשר לא מייצרים כל הפרה של מוצרי מזון.

עלויות הפעלה נמוכות באמצעות אחריות וצמצום Refurbishment

רקטות כימיות חווים חום קיצוני, לחץ ורטטט במהלך הבעירה, אשר גורם ללבוש משמעותי ודמיע על רכיבי המנוע.חשמל לדחוף לפעול בטמפרטורות נמוכות הרבה יותר וללא דחיסה בלחץ גבוה, צמצום מאוד מתח תרמי ומכני.זה אומר שמערכת ההנעה יכולה להימשך עבור הרבה יותר טיסות לפני צורך שיפוץ גדול - קריטי עבור מודל מושב עלות עלות של תיירות, בנוסף לפשטות של חשמלאי (מעבור) ופרקים מהירים יותר).

פרופילי טיסה מורחבים ומותיקים

טיסות סובביטאליות בדרך כלל עוקבות אחר מסלול בליסטי: דחיפה חזקה, כמה דקות של חוסר משקל, לאחר מכן חזרה. עם טילים כימיים, משך דחף קצר ואת המסלול הוא קבוע במידה רבה על ידי פרופיל כוויות.חשמל, בעוד דל-הרוסט, יכול לעמוד דחף במשך תקופות ארוכות יותר ( דקות עד שעות) זה יכול לאפשר פרופילים חדשים כגון ניסויים מיקרו-גרפיים, הדרגתיים כמו טייסים, אפילו יותר, או ירידה של תחבורה נשלטת, אפילו יותר.

בטיחות ואמפ; Redundancy

מערכות הנעה חשמליות הן חומר נפץ פחות מאשר אלה כימיים.אין תא של הדבקה בלחץ גבוה, לא חמצון oxidizer תנודתי. Xenon הוא אינרטי ולא ניתן לגרוע, להפחית את הסיכון על הקרקע ובטיסה. מספר רב של דחףים קטנים ניתן להפיץ עבור אדמוניות, ומאפשר השפלה חננית של יכולת הנעה במקום כשלון קטסטרופלי.

האתגר הגדול: Low Thrust and the Power Problem

למרות היתרונות האלה, הדחף החשמלי יש מגבלה בסיסית:0;0 (FLT:0) דחף נמוך:1 (הנהג טיפוסי של אפקט הול מייצר דחף נמדד במילימטרים לכמה חדשים, בהשוואה למאות קילוומונים לרקטה כימית.כדי להתגבר על כוח הכבידה של כדור הארץ ולהגיע לגבהים תת-ביטביטביטלימיים (בדרך כלל 80–120 ק"מ), רכב חייב להאיץ במהירות את החלל המהיר הזה.

מקור: Constraints

(הדחפורים החשמליים דורשים כמויות גדולות של חשמל – בדרך כלל עשרות עד מאות קילווואט עבור דחף בקנה מידה suborbital.עבור רכב תיירותי חלל, כוח זה חייב לבוא מסוללות על הסיפון או פאנלים סולאריים.באטים המסוגלים לספק מגהוואט במשך דקות הם כבדים מאוד, ממיסים חלק מחיסכון במשקל ממכשירי השמש מופחתים פחות יעילים באטמוספירה נמוכה יותר ולהוסיף חוקרים:0-Fair:

זמן אישור ו- G-Forces

גם אם בעיית הכוח נפתרה, דחף נמוך פירושו זמני האצה ארוכים - באופן פוטנציאלי עשרות דקות להגיע למהירויות מהירויות מסלול (למרות ש suborbital דורש פחות דלה-v) במהלך הזמן הזה, הנוסעים יחוו האצה כוח ג' כוח נמוך מתמשך (אולי 0.1-0.5 גרם) ולא את קצב האופטימיזציה של רקטות כימיות קצרות יותר.

ניהול יעיל

Xenon הוא יקר (כ-2,000 / ק"ג) ובקושי יחסית. עבור תיירות מסחרית, באמצעות חלופות זולות יותר כמו קריפטון או אפילו יוד נחקר. Iodine ניתן לאחסן כ מוצק ומסולק, המציע צפיפות גבוהה יותר ועלות נמוכה יותר, אבל זה קורוזי ודורש טיפול מיוחד.

פתרונות היברידיים: הטוב ביותר של שני העולמות

בהתחשב במגבלה הנמוכה-הרוסית, מומחים רבים מאמינים כי הדרך המרבית היא מערכת הנעה (FLT:0hybrid Propulsionmented System) .(FLT:1) , טיל כימי קטן (סולן או נוזל) מספק דחף גבוה הדרוש לשיגור ראשוני ועלייה באטמוספירה התחתונה.לאחר שהרכב מגיע לקצב ה-Ratetosphere (גובה של 30-50 ק"מ), המנוע הכימי נסגר ומניעה חשמלית לכדי צורך במנוע חשמלי למשך זמן קצר יותר מאשר למניעה.

מחקר ופיתוח של מאמץ

כמה ארגונים דוחקים את גבולות ההנעה החשמלית של כלי רכב שיגור תת-ביטביטליים וקטנים:

[ה]המרכז לחקר גלן [ה] של נאס"א] ממשיך לפתח דחף מתקדם של הול-אפקט עם רמות כוח גבוהות יותר ועמידות גבוהה יותר.ה-FLT:2 High Power Electric Propulsion (HiPEP) 3LT 3, נבדקה עד 50 קילוואט (מקור: FLT:4NASA Electric PropulsionFLT:5)
(FLT:0) סוכנות החלל האירופית (ESA)FLT:1) הוא מימון מחקרים על "אוויר-נשימה" הנעה חשמלית, אשר יכול לספוג גז אטמוספירי כדחף לטיסה מהירה מאוד - באופן בלתי אפשרי ליישב את התוספת suborbital.
(ב) חברות כמו שלב 4FLT:1 פיתחו (FLT:2 (רדיו- ⁇ ) דחף ראשי תיבות של שלב 3 קומפקטי יותר ואין להם אלקטרודות מתפתלות, שיפור החיים שלהם.
(ה) אוניברסיטת טוקיו (Jeltía) וסוכנות החלל היפנית JAXA הפגינו את ה-FLT:2pulsed פלזמה דחף FLT 3: 3 תוכנן עבור microsatellite Station-eping, אבל קנה אותו לשימוש suborbital הוא בשלבים מוקדמים.
(ב) [ה][דרוש מקור]]: [ה][דרוש מקור]]] [ה[[המאה ה-1],[דרוש מקור]], ו[ה][דרוש מקור]]] הוא [[המאה ה-20]], אך גם הם חוקרים גרסאות בעלות עוצמה גבוהה עבור מאגרי חלל עתידיים שיכולים לתמוך בתשתיות תת-ביטביטלימיות.

פרויקט בולט אחד הוא פרויקט ה-Vaya Space (0) שהציע באמצעות ארכיטקטורה הנעה כימית / חשמלית היברידית עבור רכב שיגור קטן.

טכנולוגיית סוללות פורצת דרך

(הופנה מהדף פיתוח אנרגיה) הוא התקדמות ב-250 Wh/kg:0 Energy Storage StorageFLT:1; האנרגיה הספציפית של סוללות ליתיום-יון היא בערך 250 Wh/kg.עבור רכב תת-ביטחוני הדרוש 10,000 קילוואט למשך 10 דקות, צפיפות סוללות חד-חמצני (Clithalfor a 10 ק"ג) ו-5,000 ק"ג) יכולות להפחית את הסוללות קצרות מדי (R5 ק"ג)

גישה נוספת היא (FLT:0) כוח ללא חוטים מחלחל:1 (ממיקרוגל מבוסס קרקע או משדרי לייזר.זה מאוד טבילה אבל יאפשר לרכב לשאת ללא מקור חשמל, רק מקלטים, צמצום דרמטי משקל.המושג נחקר על ידי נאס"א ואחרים עבור מל"טים בעלי יכולת גבוהה ויכול להיות מותאם לתיירות תת-ביטלימיות.

אחריות כלכלית: האם ניתן להוריד את מחירי הכרטיסים הנמוכים?

טיסות תת-ביטל הנוכחיות עולות 250,000 דולר למושב.המטרה של תומכי הנעה חשמלית היא להפחית את העובדה כי מתחת ל-50,000 דולר למושב, פוטנציאל להרחיב את השוק מאנשים אולטרה-אולימיים לדמוגרפיים רחב יותר.נהגי העלות לטילים כימיים הם מסה מונעת גבוהה (דלק מרתיע), חיי מנוע קצרים (צורך לבנות מחדש לאחר כל טיסה), ופעולות מורכבות של חשמל.

עלויות גבוהות לטיסה יכולות לרדת ב-80% או יותר.
ניתן למדוד את חיי המנועים תוך אלפי שעות במקום שניות.
מנועי פשוט יותר להפחית את זמן התחזוקה והבדיקה.

עם זאת, עלות הפיתוח של מערכות הנעה חשמליות בעוצמה גבוהה היא משמעותית, והצורך בחבילות סוללות גדולות או מערך סולארי מתקדם מוסיף עלות ראשונית. מאחר שעלויות הסוללה ממשיכות ליפול (לאחר עקומת תעשיית EV), העלות הכוללת של המערכת תהיה תחרותית יותר. A 2022 מחקר שנערך על ידי FLT:0 International Space SocietyFLT:1), העריך כי כלי רכב היברידי יכול להגיע ל- 50 אלף דולר למושבה, בהנחה של $ ל- 50 אלף דולר, 000 דולר למושבה, עם מחירים מתאימים ל- 50 $, עם ירידה של 30 אלף דולר בשנה.

שיקולים ובטיחות

מינהל התעופה הפדרלי (FAA) המשרד של תחבורה חלל מסחרי מסדיר טיסות תת-ביטאליות כיום, אין סטנדרטים ספציפיים עבור מערכות הנעה חשמלית בכלי רכב נוסעים.FAA תצטרך לפתח מסגרות הסמכה עבור מנועי הרומן האלה, טיפול במצבי כישלונ כמו משחת חשמל, שחיקה דחף, וניהול תרמי בחלל חייב להיות בטוח מפני קרינה גבוהה ומניעה לא מאוישת חומרים כגון קרינת גזים פוטנציאליים.

תחזית דרך לתיירות תת-ביטל

אין זה סביר כי רכב תת-ביטל חשמלי מלא יעביר נוסעים בעשור הבא.הדחיסות של החשמל הנדרשת למעלית ישירה היא פשוט לא שם עדיין.אבל AFLT:0hybriated חשמלי תת-אוביטליביות של רכבי FLT:1 יכול להיות טיסות מבחן טיסה עד 2030.

(FLT:0)Phase 1 (2025–2028): FIRLT:1 , הנעה חשמלית משמשת לתמרון בחלל של קפסולת הנוסע לאחר ההשקה הכימית.
(FLT:0)Phase 2 (2028–2032): FIRLT:1 סוללות משופרות מאפשרות לדחף חשמלי להחליף באופן חלקי דחף כימי במהלך העלייה, צמצום צריכת הדלק.
(FLT:0)Phase 3 (2032–2035): ⁇ 1 (High-power Electricדחפורים חשמליים בעלי מקורות חשמל מתקדמים מאפשרים עלייה כמעט חשמלית, עם רק מגבר כימי קטן לבעוט ראשוני.
(FLT:0)Phase 4 (2035+): FLT:1 מלא כלי תת-ביטל חשמליים המסוגלים לבצע שימוש אנכי באמצעות דחף חשמלי בלבד, בהנחה פריצות דרך באחסון אנרגיה ומדפיד דחף.

אורכו של ציר הזמן הזה הוא אגרסיבי אך אפשרי אם סוללה R&D מאיצה ותיירות חלל מסחריות ממשיכה לגדול.חברות כמו FLT:0LiliumFLT:1 (ניידות אווירית עירונית) ו-FLT:2Archer AviationFLT 3 מתקדמות מערכות סוללות בעלות כוח גבוה עבור מטוסי eVTOL, אשר יכול לחצות את ה-pollinate עם קיבולת רבת.

מסקנה

הנעה חשמלית מייצגת שינוי אסטרטגי ארוך טווח עבור תיירות חלל suborbital.היכולת שלה לשפר באופן דרסטי את יעילות הדלק, להפחית את ההשפעה הסביבתית, עלויות התפעול הנמוכות, ומאפשרת פרופילי טיסה חדשים להפוך אותה למטרה בלתי נמנעת עבור חוקרים ויזמים.החסמים העיקריים - כוח דחף נמוך וכבד - ממשיכים לטפל בהתמדה על ידי התקדמות במקביל בטכנולוגיה של סוללות ועיצוב דחף גבוה כוח.