עתיד ההנעה החשמלית ברכבי שיגור חלל קטנים

Redefining Small Launch: The Shift לקראת הדחף החשמלי

הנוף של גישה לחלל עובר טרנספורמציה בסיסית.במשך עשרות שנים, לווינים קטנים וקוביות פגעו רוכבים על כעומסי שכר משניים על טילים גדולים, מאומנים על ידי לוח הזמנים והסבב של המשימה העיקרית.העלייה של כלי רכב ייעודיים בקנה מידה קטן - סלעים שנועדו להרים מטענים משניים של כמה מאות ק"ג או פחות - פתחו אפשרויות חדשות לפריסות גמישות, תכופות, וחסכוניות, אך עדיין מסתמכים על כלי רכב חשמליים, אך ורק על גבייתים, אך ורק על גביית לחץ דם, אך ורק על גבייתים, אך ורק על גבי כלי רכב קטנים, אך ורק על גביית, אך ורק על גביית כלי רכב חשמליים, אך ורק על גבייתים, אך ורק על גבייתים, אך ורק על גבייתים, אך ורק על גבייתים, אך ורק על גבייתים, אך ורק על גביית כלי רכב חשמליים, אך ורק על גבייתים, לא ניתן להגדיל את הגמישות, אך ורק על גביית כלי רכב חשמליים, אך ורק על גביית כלי רכב חשמליים, אך ורק כדי להגביר את הגמישות, אך ורק על גביית כלי רכב חשמליים, אך ורקמות, אך ורק על גבייתנים, רק על גבייתנים, אך ורק על גבי

מערכות הנעה חשמליות, כגון משחתות יון ודחפורים של הול-אפקט, פועלות על ידי צמצום דחף מואשם (בדרך כלל xenon או קריפטון) באמצעות שדות חשמליים או מגנטיים.הם מציעים דחפים ספציפיים (Isp) של 1,500-5,000 שניות, בהשוואה ל-300-450 שניות לטילים כימיים.יעילות זו משמעה עבור מסה נתונה, מנוע חשמלי יכול לספק הרבה יותר דחף גבוה יותר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כדי להשיג מעבר גבוה יותר, כלומר, כלומר, כלומר, פחות גבוה יותר, כלומר, כלומר, עבור כלי רכב בינוניים, פחות גבוה יותר, פחות גבוה יותר, כלומר, כלומר, פחות גבוה יותר, כלומר, כלומר, כלומר, יותר, פחות, יותר, יותר, יותר, יותר, כלומר, יותר, יותר, יותר, כלומר, עבור כל שלב גבוה יותר גבוה יותר, עבור כל שלב גבוה יותר, עם מחזור חיים נמוך יותר, עם מחזור חיים נמוך יותר גבוה יותר, עם מחזור חיים נמוך יותר גבוה יותר גבוה יותר גבוה יותר, עם כלי רכב נמוך יותר גבוה יותר גבוה יותר גבוה יותר גבוה יותר, עבור כלי רכב נמוך יותר, עבור כלי רכב גבוה יותר, עבור כלי רכב נמוך יותר גבוה יותר גבוה יותר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר,

בעוד שיגור חשמלי מלא מן הקרקע הוא לא מעשי בשל היחס הנמוך של דחף חשמלי הנוכחי, השילוב של מאיץ מופעל כימי המריא את הרכב למסלול, ואחריו שלב עליון חשמלי עבור שילוב של צירים חשמליים ומעבר, מייצג ארכיטקטורה היברידית מעשית.כמה חברות תעופה וארגוני מחקר הם מפתחים באופן פעיל מערכות כאלה, משגרים קטנים שיכולים לספק תשלומים למסלולים נמוכים (OSTSTO) ואפילו העברה גיאומטרית חסרת תקדים (OSTGTOS) עם מקיפים ללא תקדים).

מדוע חומר להנעה חשמלית לרכבי שיגור קטנים

Unlocking Orbits with less Proellant

היתרון העיקרי של הנעה חשמלית עבור כלי רכב קטנים הוא יעילות הדלק יוצאת דופן שלה.שלב עליון כימי יכול להשתמש כמה מאות ק"ג של דחף כדי לעגל מסלול או להעלות גובה.שלב עליון חשמלי, באמצעות אותה מסה דחף, יכול לייצר פעמים רבות יותר דלה-v, המאפשר משגר קטן להגיע למסלולים גבוהים יותר או לבצע פריסות מרובות.

יכולת זו היא בעלת ערך מיוחד עבור מפעילי לוויין קטנים שרוצים לפעול במסלולים לא סטנדרטיים או צורך להימנע מדחיסות החלל פסולת בגובה נפוץ.הנעה חשמלית מעניקה להם את החופש לבחור מסלולים שהיו בעבר בלתי נגישים לשיגורים קטנים סבירים.

עלויות שיגור מופחתות וסימולציות סימפטיות

מכיוון שדחפורים חשמליים משתמשים בדחף ביעילות רבה, המסה של השלב העליון ניתן להפחית.הפחתת החשכים מטה אל הממריץ: פחות דחף בשלב העליון פירושו שהמגירה צריכה פחות דחף ודלק כדי להרים את הערימה כולה, אשר יכול להוריד עלויות הייצור ולאפשר פחות צינורות שיגור קטנים יותר.

פחות מדחפורים מסוכנים גם לקצץ בעלויות טיפול קרקעיות.בעוד שלבי מעלה כימיים משתמשים לעתים קרובות בתערובת רעילה של הידרוזין או היפרגולית, משחצים חשמליים בדרך כלל משתמשים בגזים אציליים כמו xenon או קריפטון.גזים אלה הם לא רעילים, דורשים לא חליפות בטיחות מיוחדות לצוותי קרקע, וניתן לאחסן אותם עם ציוד פשוט יותר.

יתרונות סביבתיים ושיקום

המיקוד הגדל של פעולות חלל בר קיימא הזרקור את ההשפעה הסביבתית של שיגורי רקטות. רקטות כימיות פולטות מים, פחמן דו חמצני, תחמוצת חנקן, וכלורין המכיל מינים שיכולים לפגוע בשכבה האוזון.חשמלית, לעומת זאת, מייצרת רמות מינימליות של פליטות - כמעט במהירות רבה אטומי גז נייטרליים וצליחים - ואת המניעים הלא רצויים יש השפעות אטריות על גבי זרם חשמלי, על זיהום אווירי, על דלק חשמלי, על דלקים מקומי.

יתר על כן, המסה המודחקת מופחתת פירושה פחות משלוחים של חומרים מסוכנים, והורדת טביעת הרגל הסביבתית הכוללת של קמפיין שיגור.כפי שממשלות כופות תקני פליטה נוקשים יותר על כלי רכב שיגור, הנעה חשמלית תהפוך לאופציה אטרקטיבית יותר ויותר.

טכנולוגיות ופיתוח מפתח

הול-אפרק Thrusters for Small Upper Stages

(הופנה מהדף הול-אפקטים (HETs) הם סוסי העבודה של היום ’ הדחף החשמלי של ה-HET (HET) הם קומפקטיים, יעילים, ויש להם מורשת טיסה על עשרות כלי רכב קטנים, מספר חברות מדרגות את HET ל- 100-1,000 WDR, תוך שמירה על עלויות גבוהות (1,500-2,000 s) ו- BLT.

אחד ההדגמה הבולטים היה “ רכב קטן עם חשמל Propulsion ” (SVEP) מושג שנחקר על ידי ESA, שהשתמש אשכול של צריחי הול מגודלים עבור ההעלאה של מסלול לאחר שריפת מגבת מוצקה רוקט עדיין לא טס כמו שלב משולב, הרעיון עורר פיתוח של יחידות עיבוד כוח קל משקל (PPUs) ו gmbals כי יכול לטפל במהירות גבוהה עבור הפתח.

גרידרד איון תורסרס: Isp גבוה יותר עבור משימות מורחבות

(GITs) מציע אפילו דחף ספציפי גבוה יותר - עד 5,000 שניות - אבל בעלות צפיפות דחף נמוך יותר ומורכבות מוגברת.נאס"א;s NEXT ולשעבר NSTAR דחף הוכח אמין מאוד על משימות פשטות גזיות ארוכות טווח כמו שחר, עבור מגני אחסון קטנים, מיני דחף מקטין כגון LTFlan:0rustrated ®, 000 מנועים איטי יותר, 000 של מנועים של NPT2, 000, 000 של מנועים של מנועים, היה בשימוש הראשון של אחסון, 000.

ThrustMe ’s I2T5 דחף מייצר 1.3 mN של דחף ב 2,500 שניות Isp, מה שהופך אותו מתאים עבור לוויינים קטנים תמרון, עם זאת, עבור תפקיד עליון הדורש עשרות או מאות mN, אשכולות של דחפורים או יחידות בודדות גדולות יותר יהיה צורך. כמה קבוצות מחקר לפתח גלקסיות מרובות-מהפכניות עם PPU משותף כדי להפחית את המערכת ועלות המסה.

טכנולוגיות חלופיות: Pulsed Plasma ו- Electrospray

מעבר לאולם ולדחפורים, מושגים אחרים של הנעה חשמלית נחקרים בשלבים קטנים של רכב שיגורים.דחפורים פלזמה דופק (PPTs) מציעים פשטות ודחף מוצק (למשל, Teflon), אבל היעילות הנמוכה שלהם ודוחקת אותם לרמות מיקרוסוליות (pValslites) אשר פולטות טיפות מואשמים מדחף נוזלי (בדרך כלל Iponics), יכולות להיות מדויקות מאוד לגרורות אלקטרו-A) אבל יש צורך באימפולסים גבוהים מאוד (pvd) של חברות אלקטרו-A) של אלקטרו-DVerd) ו-Aspundisp;

רעיון מתפתח נוסף הוא ה-FLT:0 (magnetoplasmadynamic (MPD) דחףercioFLT:1, אשר משתמש קשת גבוהה-נוכחית כדי לייצר פלזמה צפופה וצפיפות גבוהה דחף MPD נחקרו במשך עשרות שנים, דרישות הכוח הגבוהות שלהם (megaוואט עבור פעולה יעילה) להפוך אותם לבלתי מעשי עבור משגרים קטנים כיום, עם התקדמות במוליכים על-על-ידי אלקטרוניקה וחשמלים, יכול להיות משורף קיימא, 000, 000, 000 כוח אלקטרוניקה, 000, 000, 000 זמן, יכול להפוך את זמן יעיל של זמן, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 אלקטרוניקה, 000 כוח סבירים, 000 כוח סבירים, 000 כוח סבירים, 000 כוח סבירים, 000.

אספקת חשמל לרכיבים קטנים של רכבי שיגור

אפשרויות אדריכלות: Kick Stage, Tug, Hybrid or Upper Stage

(ב) ישנן מספר דרכים לשילוב של הנעה חשמלית לתוך משגר קטן.הפשוט ביותר הוא שלב מדרגה:0kicklakeFLT:1 - חללית נפרדת אשר מדגימה מהמחזק הכימי ומשתמשת בדחף חשמלי כדי להשלים את ההסגרה למסלול, ולאחר מכן לבצע תמרונים נוספים.

גישה משולבת יותר היא לבנות את כל השלב העליון סביב אשכול דחף חשמלי, עם הממריץ עושה את העלייה הראשונית ו staging במהירויות תת-ביטלסיות.השלב החשמלי מעלה את מסלולו שלו במשך ימים או שבועות באמצעות דחף נמוך מתמשך.אדריכלות זו מאפשרת הרבה יותר דחיפה קטנה יותר כי השלב העליון נושא פחות דחף מאשר המקבילה כימית.

לבסוף, כמה מושגים חזו כיאות עליון (FLT:0) , 1:1 עם מנוע כימי קטן עבור שילוב מסלול מהיר ודחף חשמלי עבור תחזוקת תחנה או שינויים במסלול הבא. גישה דו-מוגה זו משלבת את המהירות של הנעה כימית עם יעילות של הנעה חשמלית, אך מוסיפה מסה ומורכבות.

ניהול כוח ו-Thermal Management

(הדחפורים החשמליים דורשים כוח חשמלי משמעותי - באופן חד-משמעי 1 עד 10 קילוואט עבור שלב קטן עליון.ניתן לייצר כוח זה על ידי סוללות סולאריות מבוזרות, אשר חייב להיות מחוספס במהלך ריכוז ופורץ לאחר היפרדות שלב.עבור כלי רכב שיגור קטנים, אריזה מערך סולארי גדול (לעיתים קרובות 10-30 מ"ר) הוא אתגר משמעותי.

ניהול תרמי הוא קריטי באותה מידה.חשמליים לייצר חום פסולת מהגוף PPU ודחף, ואת יורה ארוך-הטווח (עשרות שעות) יכול לגרום לטמפרטורות לעלות מעל גבולות רכיב. רדיטורים צינורות חום חייב להיות מתוכנן לדחות חום תוך עמידה על הסביבה ההשקה. חלק עיצובים משתמשים בדחף עצמו כקרר, זורם דרך ערוצים לפני הזרקת צינורות חום - כבר בשימוש בטכניקת מחיצות.

להתגבר על האתגרים

מגבלות על הסף ושעה אל-אורביט

הדחף הקטן ביותר המצוטט של הנעה חשמלית הוא דחף נמוך.ד דחף הול טיפוסי מייצר כמה מאות מילימטרים; מנוע כימי בגודל דומה מייצר קילונטוןים. Orbit המגייס עם הנעה חשמלית לוקח שבועות או חודשים במקום דקות. עבור כלי רכב שיגור קטנים, זה אומר שלב עליון אינו יכול לתמוך במשימות רגישות בזמן כגון צוות או תחבורה על פי דרישה, עבור הרבה, עבור הרבה זמן קצר, הם דורשים מהירות נמוכה יותר, 000, עבור מהירות נמוכה, 000, עבור מהירות נמוכה, 000, 000, 000, הוא צורך במהירות גבוהה יותר, 000, 000, 000, 000, 000 מהירה, 000, 000, 000 מהירה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, זה אומר כי הוא צורך במהירות גבוהה יותר, 000, 000 מהירות גבוהה יותר, 000, 000 מהירות נמוכה יותר, 000, 000 מהירות נמוכה יותר, 000 מהירות נמוכה יותר, 000, 000, 000, 000 מהירות נמוכה יותר, 000, 000, 000, 000 זמן קצר על פני שלב גבוה יותר, 000 זמן קצר על פני שלב העליון יכול להיות יעיל יותר, 000 מהירות נמוכה יותר מדי זמן קצר על פני זמן קצר על פני זמן קצר על פני זמן קצר על פני זמן קצר על פני זמן קצר על פני זמן קצר על פני זמן קצר על פני זמן קצר על

עיצובים מתקדמים דוחפים את רמות הדחף גבוה יותר.ה-FLT:0NASA-457MIRLT:1 Hall דחף הציג 100 קילוואט ו-5.4 N של דחף, מראה כי קנה מידה אפשרי. עבור משגרים קטנים, אשכולות של שלושה עד 5 1 וואט דחף יכול לספק את דחף הכולל הדרוש תוך מתן עלייה הדרגתית של מחקר לתוך ערוצי צפיפות גבוהה, מגנטי, טכנולוגיות מגנטיות, מגנטיות, ואספקה ישירה (מייצר) של חשמל בנפרד, ללא שיפור חשמלי).

מערכת ניהול

הנעה חשמלית לטווח ארוך דורשת מערכות חשמל אמינות מאוד.מערך סולארי חייב לשרוד את הסביבה הקרינה לייצר כוח עקבי אפילו בזווית גבוהה של שכיחות.מנגנוני ספוימנט חייב לעבוד ללא פגם לאחר עומסי ההשקה. כישלון במערכת הכוח יכול לטבול את השלב העליון במסלול חניה.

גישה נוספת היא להשתמש במקורות חשמל גרעיניים, כגון גנרטורים תרמואלקטריים רדיואקטיביים רדיואקטיביים (RTGs) או כור סדקים קטנים. עבור משגרים קטנים, RTGs הם כבדים מדי ובקושי (אספקת פלוטוניום מוגבלת 238) (FLT:0KilopowerFLT:1, פרויקט נאס"א, הראה כורים של 10 קילוואט כדי להיות בקנה מידה עבור חומרי גלם חשמליים, עדיין לא פחות מאנרגיה גרעינית.

חיים ורוסיון

(הדחפורים החשמליים הם חיים תפעוליים מוגבלים בשל שחיקה של אלקטרודות, קירות ערוצים ורשתות. Hall דחףer חיים הם בדרך כלל 2,000-10,000 שעות, בהתאם לתנאי הפעלה.עבור שלב עליון שעשוי לשרוף 10,000 שעות במשך כמה חודשים, זה מספיק.אבל עבור משימות הדורשות מספר רב של דחפים או כוויות ארוכות מאוד, שחיקה יכולה להפוך למצב של כשלון במגן מגנטי, אשר מסיטים ממולקולות, החל מקירות בגודל של 1F, יש השפעה דרמטית: 1F) עם מגבלות קטנות יותר.

הדרך Ahead: Near-Termations and Long-Term Vision

בדיקות טיסה מתקרבות

(ב) כמה חברות רכב קטנות מתכוננות לטוס בשלבים העליונים החשמליים בשנים הקרובות (FLT:0Rocket LabFLT:1) הודיעה על תוכניות לגרסה חשמלית של השלב העליון של פוטון, אם כי פרטים ספציפיים נותרו קנייניים.

בצד המחקר, נאס"א &rquo;sFLT:0 [Solar Electric Propulsion (SEP) פרויקט ההרחבה 1FLT:1 מפתחת מערכת 12.5 דחפור של בית וואט, אשר בסופו של דבר ניתן להתאים בשלבים קטנים של רכב העליון.הסוכנות החלל האירופית ’sFLT:2 תוכנית שיגור קטן כולל מחקרים על גבי המדרגות החשמליות העליונות, עם דגש על מודלים קלים על מערכות אוויריות ומהירות גבוהה.

יציבות כלכלית ושוק שוק

המקרה העסקי להנעה חשמלית בכלי רכב קטנים השקה עולה על הפחתת העלות הכוללת לקילוגרם למסלול. משגר קטן ללא שלב חשמלי עלול לעלות 5-10 מיליון דולר עבור 300 ק"ג למשימה LEO. הוספת עלות גבוהה של שלב חשמלי עולה פיתוח ולהוסיף מסת חשמל, אבל זה יכול לאפשר משלוח למסלולים גבוהים יותר כי מחיר פרמיה או לאפשר משימות מרובות תשלום כי להפחית עלויות לליטר% 5G יכול להיות שיגור משמעותי של מספר קטן יותר.

אנליסטים בשוק צופים כי הביקוש לשירותי שיגור לווייניים קטנים יגדל מ-2 מיליארד דולר ב-2023 ליותר מ-10 מיליארד דולר עד 2030, מונע על ידי קבוצות פס רחב, תצפית כדור הארץ וקישוריות IoT.חשמל ההנעה תהיה גורם מרכזי להכנת קבוצות כוכבים אלה סבירים, במיוחד כאשר המפעילים מבקשים לחדש לווינים בפרמטרים מסלול מסלול קפדניים מדויקים.

מסקנה: עתיד היברידי

הנעה חשמלית לא תחליף מנועים כימיים עבור מאיצים חשמליים קטנים בכל זמן קצר.הדחף העצום הדרוש כדי להימלט מכדור הארץ ’ כוח הכבידה הוא פשוט מעבר ליכולת של הדחף החשמלי הנוכחי.עם זאת, לשלב העליון ומעבר לכך, הנעה חשמלית מציעה דרך ליעילות רבה יותר, עלויות נמוכות יותר, והפחתה של השפעה סביבתית.

ככל שטכנולוגיית הדחף מתבגרת, מערכות הכוח הופכות לקלות יותר, ומורשת הטיסה מצטברת, אנו יכולים לצפות לראות משגרים קטנים יותר לאמץ שלבים גבוהים חשמליים.שינוי זה יהפוך את הגישה למסלולים גבוהים יותר, יאפשרו יותר פעולות חלל בר קיימא, ויאיץ את הצמיחה של מערכת אקולוגית חלל תוססת.עתיד שיגור חלל קטן בקנה מידה קטן אינו חשמלי בלבד – אבל הוא בהחלט חשמלי-מרוס, וזה עושה את ההבדל.