Käyttövoima tila viittaa mihin tahansa kiihdyttämiseksi esineen tilaa. Tämä sisältää avaruusalusten kuljettamisen keinot ( raketit , satelliitit , koettimet ) tai asennon ja kiertoradan ohjausjärjestelmät .
Avaruuden käyttövoimana on erilaisia menetelmiä, joista jokaisella on haittoja ja etuja. Avaruusvoima on aktiivinen tutkimusalue, mutta useimmat avaruusajoneuvot käyttävät tällä hetkellä samantyyppistä käyttövoimaa vedoten nopeaan kaasun ulosajoon ajoneuvon takana suuttimen kautta . Tätä erityistä käyttövoimaa kutsutaan rakettimoottoriksi .
Suurin osa nykyisistä avaruusaluksista käyttää kemiallisia rakettimoottoreita ( kiinteä tai nestemäinen ponneaine ) laukaisussa, vaikka jotkut järjestelmät (kuten Pegasus- kantoraketti tai SpaceShipOne ) luottavat osittain ilmassa olevaan laukaisuun. Suurin osa avaruusaluksista käyttää yksinkertaista, mutta luotettavaa kemiallista propulsiojärjestelmää tai sähköistä propulsiojärjestelmää asemien pitämiseen. Gyroskooppisia toimilaitteita tai vauhtipyöriä voidaan käyttää myös asennon hallintaan. Neuvostoliiton satelliitit ovat käyttäneet sähkökäyttöistä voimaa vuosikymmenien ajan. Tämä tekniikka on vasta yleistymässä länsimaissa etenkin geostationaaristen satelliittien ylläpitämiseksi pohjoisesta etelään ja niiden kiertoradan parantamiseksi. Planeettainvälisen koettimet käyttävät eniten kemiallisia moottoreita, mutta joitakin testejä käytetään ioni moottori ( Dawn ja Deep Space 1 ) tai Hall osoittautuneet tehokkaiksi.
Keinotekoisia satelliitteja tulisi sijoittaa kiertoradalla tarkasti jonka syöttäjä . Kiertoradalle tullessaan heidän on suurimmaksi osaksi aikaa hallittava asennoitumistaan osoittaakseen oikein kohti maata, aurinkoa tai muita tähtiä tähtitieteellisissä tehtävissä. Ilmakehän tähtien ympäri kiertävien satelliittien on myös kompensoitava jäännösilmapiirin aiheuttama vastus . Siksi on välttämätöntä tehdä pieniä kiertoradakorjauksia säännöllisesti, jotta voidaan pysyä matalalla kiertoradalla pitkään. Monet satelliitit myös muuttavat kiertorataa tehtävänsä aikana saavuttaakseen tavoitteensa, mikä vaatii myös avaruuden käyttövoimajärjestelmää. Nämä muutokset riippuvat tarpeista. Useimmissa tapauksissa käyttövoimajärjestelmän polttoainevarojen loppu on synonyymi avaruusaluksen käyttöiän loppumiselle. Jos tämä käyttöikä loppuu edelleen, uusi laajennetun toiminnan suunta alkaa näkyä (Le25. helmikuuta 2020, satelliitti MEV-1, telakoitu ensimmäistä kertaa toiseen satelliittiin, Intelsat-901, geostationaalisella kiertoradalla.) MEV-1 for Mission Extension Vehicle-1 on suunniteltu telakoimaan geostationaaliset satelliitit, joiden polttoaine on melkein loppu. Kun yhteys asiakkaan satelliittiin on kytketty, se käyttää omia potkureitaan ja polttoaineensaantoa pidentääkseen satelliitin ikää.
Maapallon kiertoradan ulkopuolella kulkevien avaruusalusten on myös työnnettävä itsensä avaruuteen. Kun nämä planeettojen väliset avaruusalukset laukaistaan maasta tavallisten satelliittien tavoin, niiden on käytettävä propulsiojärjestelmää poistuakseen maapallon kiertoradalta ja navigoidakseen aurinkokunnassa. Avaruussondit korjaavat yleensä lentoradansa pienillä peräkkäisillä säätöillä risteilyn aikana. Kahden planeetan välisen kauttakulun aikana koettimet jatkavat liikerataa ilman työntövoimaa. Tehokkainta liikerataa kahden elliptisen kiertoradan välillä samalla tasolla kutsutaan Hohmannin siirtoradaksi . Alkaen pyöreältä kiertoradalta, lyhyt työntö liikkeensä suuntaan ajaa aluksen elliptiseen kiertoradalle. Toinen apoapsidin työntövoima palaa toiselle pyöreälle kiertoradalle, korkeammalle, missä se kiihtyy jälleen kiertoradalta, mikä viimeistelee siirron. Joitakin eksoottisia menetelmiä, kuten ilmajarrutusta, käytetään joskus reitin lopullisiin säätöihin.
Jotkut käyttövoimamenetelmät, kuten aurinkopurjeet, tuottavat hyvin vähän, mutta jatkuvaa työntövoimaa. Planeettien välinen ajoneuvo, joka käyttää tällaisia työntövoimajärjestelmiä, ei voi käyttää Hohmann-siirtorataa siirron alussa ja lopussa annetun kiihtyvyyden impulsiivisen luonteen perusteella. Siksi matalan työntövoiman työntövoimajärjestelmät käyttävät monimutkaisia työntösuunnan strategioita. Japanilainen IKAROS- projekti on osoittanut aurinkopurjeen käsitteen .
Tähtienväliset alukset tarvitsevat muita työntömenetelmiä. Tällaista alusta ei ole rakennettu, vaikka monia konsepteja on ehdotettu. Tähtien toisistaan erottavat tähtitieteelliset etäisyydet vaativat erittäin suuria nopeuksia, jotta matka tapahtuisi kohtuullisessa ajassa. Kiihdytys tällaisilla nopeuksilla ja sitten hidastuminen lähestyttäessäsi määränpäätä on haaste tällaisten alusten suunnittelijoille.
Maapallon painovoima on suhteellisen suuri. Nopeus, joka tarvitaan poistumaan maapallon painovoima-alueelta, on noin 11,2 km / s . Ihmiset ovat tottuneet gravitaatiokiihtyvyyteen 1 g tai noin 9,8 m s −2 . Ihanteellinen käyttövoimajärjestelmä maapallon painovoimaolosuhteiden simuloimiseksi kiihtyy siten 1 grammaan . Ihmiskeho tukee kuitenkin voimakkaampia kiihdytyksiä lyhyemmäksi ajaksi. Tämä keinotekoinen painovoima auttaisi myös ratkaisemaan mikrogravitaatioon liittyviä ongelmia, kuten pahoinvointia tai luiden ja lihasten menetystä.
Avaruusvoimamenetelmät voidaan luokitella sen mukaan, miten ne kiihdyttävät ponneaineen massaa. Lennon vaiheista riippuen on myös erityisiä menetelmiä, kuten laukaisu, paluumatka tai jopa lasku.
Suihkumoottori käyttää potkurimassan karkotusta sen siirtämiseen Newtonin kolmannen lain perusteella.
Ominaisimpulssi- ja poistonopeusAvaruuden käyttövoimajärjestelmän tavoitteena on lisätä avaruusaluksen nopeutta v . Kiihtyvä kohde on sitäkin vaikeampaa, koska sen massa on tärkeä myös vauhtia mv eikä nopeutta käytetään kuvaamaan tätä ilmiötä. Se, mitä avaruudessa kutsutaan yleisesti "impulssiksi", on itse asiassa vaihtelu liikkeen määrässä.
Jos käyttövoimajärjestelmää käytetään osana laukaisua, sen kehittämän työntövoiman on ylitettävä aluksen paino, jotta tuloksena oleva kiihtyvyys olisi positiivinen. Toisaalta, kiertoradalla, mikä tahansa työntövoima, riippumatta siitä kuinka pieni, aiheuttaa vaihtelun liikkeen määrässä.
Vauhdin muutos ajan myötä on voima ( dynamiikan perusperiaate ), kun taas kiihtyvyys on nopeuden muutos ajan myötä. Nopeuden muuttamiseksi alus voi joko ylläpitää matalaa kiihtyvyyttä pitkään tai kiihdyttää jyrkästi lyhyen ajan. Samoin vauhdin muuttamiseksi alukselle voidaan antaa heikko työntövoima pitkäksi aikaa tai voimakas työntövoima lyhyeksi ajaksi. Tämä merkitsee sitä, että avaruudessa liikkumalla propulsiomenetelmä, joka aiheuttaa matalan kiihtyvyyden pitkään, saa aikaan saman vaihtelun vauhdissa kuin propulsiomenetelmä, joka aiheuttaa suuren kiihtyvyyden lyhyeksi ajaksi. Jälleen kerran, jos avaruusalus taistelee planeetan painovoimaa vastaan (jos se lähtee esimerkiksi siitä), tarvitaan vähintään painovoimaa vastaava työntövoima.
Vaikka jotkut avaruuden työntövoimajärjestelmät käyttävät magneettikenttiä tai valoa välittäjänä tässä impulssin siirrossa, useimmat antavat liikevoimaa työnnetylle massalle työntövoimaa vastakkaiseen suuntaan.
Koneelle on kirjoitettu momenttitase:
missä dP on vaihtelua vauhtia ja v e on nopeus sinkoutumisriski aineen.
Tämä vaihtelu heijastuu koneeseen kohdistuvalla voimalla käyttäen Newtonin konetta sovellettua toista lakia :
missä F p on koneeseen kohdistettu voima ja ulos työnnetyn materiaalin virtausnopeus.
Tätä poistettua massaa kutsutaan ponneainemassaksi vastakohtana käyttökelpoisille ja rakenteellisille massaille, joihin sisältyy astian massa, joka ei palvele kiihtyvyyttä.
Jotta suihkumoottori toimisi, se tarvitsee siis kaksi elementtiä: ponneaineen massa ja energia. Aluksen liikemäärän vaihtelu m- massan hiukkasen työntämisen ulos nopeudella v on siis yhtä suuri kuin hiukkaselle välitetty momentti, toisin sanoen mv . Kineettinen energia hiukkasen puolestaan on mv 2 /2 ja on toimitettava käyttövoimajärjestelmä. Kaikissa kemiallisissa käyttövoimajärjestelmissä käytetään palamista energialähteenä. Tämän palamisen tuotteet vapautuvat sitten, jolloin niistä tulee ponneainemassa. Sähköisessä avaruuskäyttöjärjestelmässä sähköä käytetään ponneaineiden muodostavien ionien kiihdyttämiseen. Nämä järjestelmät tarvitsevat siksi sähköenergiaa toimiakseen. Tämä voidaan tarjota aurinkopaneeleilla tai ydinreaktoreilla .
Suunnitellessaan avaruuden käyttövoimajärjestelmiä suunnittelijat keskittyvät usein pyrkimyksiään kuljettaa ajoaineiden massaa. Ponneainemassan on itse asiassa oltava aluksen mukana niin kauan kuin sitä ei käytetä ja se häviää korjaamattomasti kulutuksen jälkeen. Sen pienentäminen mahdollisimman paljon minimoi siten säiliöiden koon ja massan. Yksi tapa määrittää liikemäärä, joka voidaan saavuttaa annetulla ponneainemassalla, on spesifinen impulssi , joka on liikemäärä polttoainepainoa kohti maapallolla (yleensä huomattu ). Se mitataan sekunteina.
Siksi erityinen impulssi kirjoitetaan seuraavasti:
jossa F on työntövoima , jonka voimanlähteenä, määrä ulos materiaalista ja g 0 kiihtyvyys , koska painovoimakentässä , oletetaan olevan vakio pinnan lähellä planeetan.
Koska polttoaineen paino maapallolla on usein tarpeetonta avaruusmoottorin keskustelussa, ominaisimpulssi voidaan laskea massayksikköä kohti. Tämä muotoilu antaa spesifiselle impulssille nopeuden ulottuvuuden (ts. M / s). Spesifinen impulssi on tässä tapauksessa suihkumoottorin tehollinen poistonopeus (yleensä huomattu ). Kirjoittajat joskus sekoittavat heidät ja kutsuvat spesifistä impulssia tehokkaaksi ejektioasteeksi. Silti nämä kaksi eroavat toisistaan termillä g 0 , vakiovoiman kiihtyvyys merenpinnalla on 9,806 65 m s −2 ( ).
Rakettimoottori, jolla on suuri poistonopeus, voi sen vuoksi tuottaa suuren vaihtelun vauhdissa alennetulla ponneainemassalla. Toisaalta hiukkaselle syötettävä kineettinen energia on verrannollinen sen massaan, mutta vaihtelee sen poistonopeuden neliönä. Siksi erittäin tehokas ponneainemassajärjestelmä vaatii paljon energiaa ja on usein vähemmän tehokas kulutetun kokonaisenergian suhteen. Lisäksi on pidettävä mielessä, että vaikka ponneainemassan kasvu tapahtuu aluksen kokonaispainon kustannuksella, esimerkiksi lisäämällä suuri alue aurinkopaneeleita energian tuottamiseksi, massatasapaino voi lopulta kääntyä negatiivinen. Tämä ongelma tulee kriittiseksi järjestelmälle, jolla on oltava vahva työntövoima. Suuren liikemäärän tuottaminen pienellä ponneaineella tarkoittaa todellakin erittäin suurta poistonopeutta ja siksi paljon energiaa syötettäväksi. Tämän seurauksena useimmat moottorit, jotka ovat erittäin tehokkaita aluksella olevan polttoaineen massan suhteen, tarjoavat erittäin pienen työntövoiman johtuen sellaisten järjestelmien puutteesta, jotka voisivat tuottaa riittävästi tehoa.
Delta-v ja polttoaineOlettaen, että avaruusalusta käytetään ilman ulkoista vuorovaikutusta, polttoaineen kulutus käyttövoimajärjestelmänsä kautta tietyssä suunnassa aiheuttaisi sen nopeuden muutoksen. Ajoneuvon alkuperäisen nopeuden ja lopullisen nopeuden (ts. Työnnön) välistä kokonaiseroa kutsutaan delta-v ( ): ksi.
Jos työntövoimajärjestelmän tehollinen poistonopeus ei vaihtele työntövoiman aikana, kokonaisdeltta -v voidaan laskea käyttämällä Tsiolkovskyn yhtälöä .
tai:
Historiallisista syistä korvaamme toisinaan aiemmin esitetyllä tavalla:
missä l on erityinen momentti ja gravitaatiokiihtyvakio merenpinnalla.
Tehtävään, joka vaatii paljon Delta-V: tä, suurin osa aluksen massasta on usein ponneainetta. Koska aluksen on kuljetettava koko ponneainemassaan, suuri osa kulutetusta ponneainemassasta käytetään tosiasiallisesti myöhemmin käytetyn ponneainemassan kiihdyttämiseen käyttökelpoisen massan sijaan. Jos alus, jonka lopullinen massa m f on hyödyllistä massa sekä rakenteellinen massa tarpeiden kiihtymään delta-v , jossa on ulostyöntönopeudella propulsiojärjestelmä , m p tarvittava ponneaine massa voidaan laskea käyttäen Tsiolkovsky yhtälöä seuraavasti:
Siten paljon pienemmistä yhtälöstä tulee lähes lineaarinen ja tarvitaan hyvin pienempi ponneainemassa. Si on samaa suuruusluokkaa kuin silloin ponneainemassavaatimus on tyypillisesti noin kaksinkertainen astian hyödylliseen ja rakenteelliseen massaan. Sieltä ponneainemassan kasvu tulee eksponentiaaliseksi. Ja paljon suurempi kuin ulostyöntönopeudella, erittäin korkean massan suhde on välillä tarvitaan ponneaineen massa ja hyödyllisiä massa.
Tehtävässä, joka vaatii esimerkiksi nousun tai laskeutumisen planeetalle, painovoiman ja ilmakehän aiheuttaman vastuksen vaikutukset on kompensoitava ylimääräisellä ponneainemassalla. Tällaisten vaikutusten sisällyttäminen delta-v-taseeseen on tavallista. Siten käynnistää alhaisen kiertoradan vaatii delta-v välillä 9,3 km / s ja 10 km / s . Nämä delta-v-saldot lasketaan yleensä numeerisesti.
Joitakin erityisiä vaikutuksia, kuten Oberth-ilmiötä, voidaan käyttää vain erittäin korkean työntövoiman työntövoimajärjestelmissä, kuten laukaisimissa (kiihdytyksen on oltava tärkeä).
Teho ja energiatehokkuusKaikille suihkumoottoreille (kuten rakettimoottorit tai ionien käyttövoima) osa energiasta on siirrettävä ponneaineeseen sen kiihdyttämiseksi. Mikä tahansa käyttövoimajärjestelmä haihtaa energiaa tämän prosessin aikana, mutta jopa olettaen täydellisen kiihtyvyyden, potkurimassalle siirrettävä kineettinen energia saadaan aina seuraavan kaavan avulla:
Vertailu Tsiolkovsky-yhtälön ja kineettisen energian välillä osoittaa, että vaikka oletettaisiin, että propulsiojärjestelmän hyötysuhde on 100%, kaikki tämä energia ei päädy ajoneuvon kineettiseen energiaan, loput menetetään ponneaineessa. massa, kun jälkimmäinen on poistettu.
Ponneaineiden massaan hajaantuneen energian suhde alukseen annettuun energiaan riippuu aluksen rakenteesta ja tehtävästä. Voimme tuoda esiin joitain tärkeitä sääntöjä tällä alalla:
Tietyt vielä testausvaiheessa olevat käyttövoimajärjestelmät, kuten VASIMR tai ponderomotorinen voimansiirtoaine, voivat muuttaa merkittävästi niiden poistumisnopeutta. Spesifisen impulssin vaihtelu mahdollistaa potkurimassan käytön muuttamisen ja kiihtyvyyden parantamisen lennon eri vaiheissa. Paras suorituskyky edellyttää kuitenkin jälleen ajoneuvon nopeutta lähellä olevaa poistonopeutta. Suurimmalla osalla näistä ioni- ja plasmamoottoreiden käsitteistä poistumisnopeus on paljon suurempi kuin ajoneuvon nopeus. Esimerkiksi VASIMR: n pienin poistumisnopeus on noin 15 km / s, kun vertaillaan maapallon delta-v kiertorataa - kuun kiertorata on 4 km / s .
Tämän tyyppistä tekniikkaa käyttävissä tehtävissä ehdotetaan usein erittäin voimakkaiden, esimerkiksi ydinenergiaan perustuvien sähkögeneraattoreiden käyttöä. Jos tämä ratkaisu voi olla mielenkiintoinen, sähköjärjestelmän massan erittäin nopea kasvu voi tehdä konseptista epäkäytännöllisen. Itse asiassa, kuten aiemmin on selitetty, sähköjärjestelmän tehon kasvu liittyy usein lineaarisesti sen massan kasvuun, kun taas energia on kytketty nopeuden neliöön.
EnergiaSeuraavaa abstraktia rakennetta voidaan soveltaa laajasti erityyppisiin suihkumoottoreihin:
Ihannetapauksessa missä on astian hyödyllinen massa ja missä sen propulsiomassa (oletetaan siis, että rakenteellinen massa on nolla). Nopeuden potkurimassan kiihdyttämiseen tarvittava energia on:
Tämä vastaa ponneaineen massan nolla kineettistä energiaa, kun se vapautetaan. Siksi sijoitamme itsemme tähän tapaukseen, jossa työntönopeus on yhtä suuri kuin aluksen nopeus. Olettaen, että alus on nyt paikallaan, ponneaineen massa kiihtyy sitten nollanopeudesta ejonemisnopeuteen ja kaikki energia välitetään ponneaineen massaan. Useimmissa tapauksissa olemme kuitenkin näiden kahden rajatapauksen välillä ja alus menettää osan kineettisestä energiasta, joka syntyy ponneainemassan poistumisnopeuden vuoksi. Otetaan esimerkiksi silloin meillä on ulostyöntönopeudella = 10 km / s ja aluksen nopeus 3 km / s . Käyttövoimajärjestelmän käytön aikana meillä on siis osa propulsiomassasta, jonka nopeutta muutetaan ja joka kulkee 3 km / s : stä aluksen etenemissuunnassa 7 km / s : iin vastakkaiseen suuntaan kuin moottorin nopeus. alus. Näin ollen, 50 MJ / kg käytettyä nopeuttaa ponneaine massa, 24,5 MJ / kg, on menetetty kiihtyvyys ponneaineen massa (vuodesta 0 ja 7 km / s ) ja siksi vain 25,5 MJ / kg, käytetään kiihtyvyyden alus.
Yleensä tämä yhtälö kirjoitetaan seuraavasti:
missä on ajoneuvon nopeus, ajoaineen massan ja ajoneuvon massa.
Siksi avaruusaluksen tietyn ajanjakson aikana saaman energian massatiheys on ajoneuvon saama energia, mukaan lukien käyttämättömän ponneaineen massa, jaettuna ajoneuvon massalla. Tämä ajoneuvon tuottama energia on yhtä suuri kuin työntövoimajärjestelmän tuottama energia, josta on vähennetty poistetun polttoaineen massaan menetetty energia. Mitä suurempi ajoneuvon nopeus, sitä vähemmän energiahäviöitä ulosajettavan ponneaineen massassa; jos ajoneuvo liikkuu yli puolella ulosajonopeudesta, poistettu massa jopa menettää energiaa ajoneuvoon.
Meillä on :
missä on ajoneuvon mekaanisen energian massatiheys. Tapauksessa, jossa työntövoimajärjestelmää käytetään hidastumaan, jolloin massa työnnetään nopeuden suuntaan, tulee negatiivinen.
Tätä kaavaa sovelletaan jälleen vain ihanteelliseen tapaukseen, jossa astiassa ei ole energiahäviötä, esimerkiksi lämmön vaikutuksesta. Häviöt ovat joka tapauksessa käyttövoimajärjestelmän haittoja kiihdytyksessä tai hidastuksessa, koska ne vähentävät työntövoimalle omistettua energiaa.
Jos energiaa tuottaa itse ponneainemassa, kuten kemiallisessa moottorissa, energian tiheyden on oltava , tietäen, että pelkistimen ja hapettimen massat on otettava huomioon. Yleinen esimerkki on = 4,5 km / s , mikä vastaa energiatiheyttä 10,1 MJ / kg (vedyn palaminen). Todellinen energiatiheys tämän palamisen on suurempi, mutta lämpö- ja mekaaniset häviöt johtavat tähän alempaan arvoon.
Tarvittava energia voidaan täten kirjoittaa:
Tiivistettynä :
Kaikki nämä tulokset ovat voimassa vain kiinteällä poistonopeudella.
Oberth-vaikutuksesta johtuen ja olettaen, että työntövoima alkaa nollasta poikkeavalla nopeudella, työntövoimajärjestelmän kehittämä energia voi olla pienempi kuin ajoneuvon lopullisen massan erilainen kineettinen energia (ts. rakenteellinen massa, käyttökelpoinen massa ja käyttämättömän ponneaineen massa). Näin on esimerkiksi silloin, kun ponneaineen massa työnnetään pienemmällä nopeudella kuin ajoneuvon nopeus, jolloin ajoneuvo voi osittain tai kokonaan käyttää ponneaineen massan alkuperäistä kineettistä energiaa (sen nopeuden vuoksi ennen työntöä) ).
Voiman antaa:
missä on työntövoima ja kiihtyvyys. Siksi teoreettisesti käytettävissä oleva työntövoima voimayksikköä kohti on jaettu poistonopeudella. Työntövoima lasketaan vertaamalla moottorin todellista työntövoimaa tähän teoreettiseen työntövoimaan.
Pienen käytettävissä olevan tehon tapauksessa (esimerkiksi aurinkopaneelia käytettäessä) kiihtyvyys vähenee, ja sähkömoottoreiden suuren poistonopeuden tapauksessa kiihtyvyys on siten hyvin pieni, mikä lisää sen vuoksi aikaa, joka tarvitaan hanki . Siksi nopeuden saaminen on kääntäen verrannollinen työnnön nopeuteen 100%: n hyötysuhteen saavuttamiseksi.
Sillä yksi on siksi , jossa push ajan.
Esimerkkejä:
Tehon ja työntövoiman suhde kirjoitetaan:
Näin ollen voiman P ajoneuvolle työntövoima kirjoitetaan:
Esimerkki useille suihkumoottoreilleOletetaan, että haluamme lähettää 10000 kg: n koettimen Marsille. Matalan maan kiertoradalta vaadittava delta-v on noin 3000 m / s Homannin siirtoa käyttäen. Tässä esimerkissä oletetaan, että kaikki alla ehdotetut käyttövoimajärjestelmät ovat kaikki yhteensopivia tällaisen liikkeen kanssa.
Moottori | Efektiivinen poistonopeus (km / s) |
Ominaisimpulssi (t) |
Ponneaineen massa (kg) |
Tarvittava energia (GJ) |
Ponneaineen massan energiamassatiheys |
Pienin teho / työntövoima | Voimageneraattorin massa / työntövoima-suhde * |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Kiinteä ajoaine | 1 | 100 | 190 000 | 95 | 500 kJ | 0,5 kW / N | N / A |
Nestemäinen ajoaine | 5 | 500 | 8200 | 103 | 12,6 MJ | 2,5 kW / N | N / A |
Ionimoottori | 50 | 5000 | 620 | 775 | 1,25 GJ | 25 kW / N | 25 kg / N |
Edistynyt propulsiojärjestelmä (konsepti) | 1000 | 100 000 | 30 | 15 000 | 500 GJ | 500 kW / N | 500 kg / N |
* - oletusarvo on 1 kW / kg
Täällä voidaan havaita, että vähän polttoainetta kuluttavat moottorit voivat tehokkaasti vähentää ponneaineen massaa huomattavasti verrattuna hyödylliseen massaan: tässä 10 t: n koetin . Massa voi saavuttaa merkityksetön mittasuhteet, kuten edistyneen käyttövoiman käsitteen tapauksessa. Toisaalta on huomattava, että tässä tapauksessa tarvittava energia on erittäin korkea. Tähän lisätään ongelma, että ajoneuvon työntövoima / painosuhteen on oltava suurempi kuin 1, jos nousemme tähdeltä. Tällaisen työntövoiman saavuttamiseksi sähköisten käyttövoimajärjestelmien on kehitettävä Gigawattin suuruisia voimia, mikä vastaa pienen teollisuuskaupungin sähkönkulutusta. Siksi se on tällä hetkellä mahdotonta, kun otetaan huomioon avaruusaluksella kulkevan energian tuottamisen tekniikat.
Joissakin vaihtoehtoisissa käsitteissä käytetään ulkopuolisen generaattorin voimansiirtoa, esimerkiksi keskittämällä laserin tai muun energiasäteen energia ajoneuvoon, jolloin ponneaineen massa ei enää tarjoa energiaa. on olemassa tämän ulkoisen energian kiihdyttämiseksi. Tämäntyyppinen käsite aiheuttaa kuitenkin suuria vaikeuksia sen toteuttamisessa sekä avaruudessa että kentällä.
Myös energiantuotantoa pienellä teholla ja sen kertymistä vapautetaan peräkkäisten purkausten avulla potkurissa. Näitä ratkaisuja voidaan käyttää vain kerran avaruudessa. Pitkän peräkkäisten pienten suihkukoneiden työntövaiheen jälkeen koetin saavuttaa halutun delta-v. Esimerkiksi ionimoottoria käyttävällä SMART-1- koettimella oli useita satoja propulsiovaiheita, jotka tuottivat vähitellen tarvittavan delta-v: n lähettämiseksi sen kiertoradalle Kuun ympäri . Tämä menetelmä vaati yli vuoden odottamista ennen saapumista Kuuhun, kun taas kemialliset työntömenetelmät vaativat alle viikon. Toisaalta vaadittu polttoainemäärä oli paljon pienempi kuin kemiallisella moottorilla, ja laukaisumassa on usein merkittävä kustannustekijä avaruusoperaatioissa.
Siksi minkä tahansa tehtävän alustavassa valinnassa on otettava huomioon nämä erilaiset tekijät (massa, toiminta-aika, joustavuus kiertoradalla, laukaisuikkunat jne.) Sen määrittämiseksi, mikä käsite on halvin ja tarjoaa parhaat mahdollisuudet menestyä. .
RakettimoottoritSuurin osa rakettimoottoreista on polttomoottoreita , vaikka on olemassa eräitä moottoreita, jotka eivät käytä palamista. Rakettimoottorit tuottavat yleensä korkean lämpötilan ponneainemassan, joka heitetään hyvin kuumana kaasuna. Tämä lämpötila on tuotettu polttamalla polttoaineen kiinteitä, nestemäisiä tai kaasumaisia läsnä ollessa hapetin on palotilassa . Nämä erittäin kuumat kaasut johdetaan sitten suuttimeen rentoutumaan. Nämä suuttimet, yleensä kellomaiset, antavat useimmille rakettimoottoreille tunnistettavan ulkonäön. Nämä suuttimet mahdollistavat pakokaasun laajenemisen ja kiihdyttämisen, jolloin kaasun lämpöenergia siirtyy kineettiseen energiaan. Tällaisten moottoreiden poistonopeudet ovat yleensä 2-10 kertaa äänen nopeus merenpinnalla.
Avaruuden käyttövoiman alalla rakettimoottorit tuottavat tärkeimmät erityisvoimat ja työntövoimat.
Tietyt lämpöydinvoimaa käyttävät rakettimoottorikonseptit mahdollistavat myös voimien ja työntövoimien saavuttamisen lähellä kemiallisten rakettimoottoreiden tasoa, mutta niiden käyttö on rajoitettu testi-mielenosoittajiin.
Sähköinen käyttövoimaNämä moottorit eivät luota korkean lämpötilan kaasun laajenemiseen ponneainemassan kiihdyttämiseksi, mutta nämä moottorit käyttävät monenlaisia ratkaisuja sen kiihdyttämiseen sähköstaattisia tai sähkömagneettisia voimia käyttämällä . Tällaisessa järjestelmässä ponneainemassa on yleensä ionivirta . Nämä moottorit käyttävät sähköenergiaa ponneainemassan atomien ionisoimiseksi ja luovat sitten sähkökenttiä kiihdyttääkseen ioneja niiden poistumisnopeuteen.
Sähkövoiman käsite juontaa juurensa vuoteen 1906, jolloin Robert Goddard ehdotti sitä tutkimusmuistikirjassaan. Constantin Tsiolkovsky julkaisi konseptin vuonna 1911.
Näille voimansiirtojärjestelmille, jotka tuottavat suuria poistonopeuksia, polttoainetehokkuus ja työntövoima ovat kääntäen verrannollisia niiden poistonopeuteen. Niiden korkeat poistonopeudet vaativat suurta sähkötehoa ja tekevät näistä käsitteistä mahdottomia voimakkaille työntövoimille riittävän tehokkaiden energiantuotantojärjestelmien puuttuessa. Nämä järjestelmät voivat teoriassa käyttää melkein mitä tahansa ponneainemassaa.
Joissakin tehtävissä, etenkin Auringon lähellä , aurinkoenergia riittää ja sitä on usein käytetty aiemmin, mutta etäisempien tähtien tutkimiseksi sisäisen aurinkokunnan ulkopuolella , kuten Jupiter tai Saturnus , on löydettävä muut sähköntuotantotavat, kuten ydinvoima . Näitä käsitteitä kutsutaan sähköiseksi ydinvoimalaksi .
Useimmissa näistä käsitteistä energiantuotanto- ja muuntamisjärjestelmän massa on paljon tärkeämpi aluksen suunnittelussa kuin ponneainemassa, koska se on hyvin herkkä tehtävän tarpeille.
Useimmat ydinreaktorit tarjoavat erityistehoa noin puolet maapallon lähellä olevien aurinkopaneelien kehittämistä tehoista. Kemiallisia sähköntuottajia ei oteta huomioon näissä käsitteissä, koska niiden kokonaisenergia on liian rajallinen. Käsitteet, jotka käyttävät suunnattua energiaa (laser, hiukkaset jne.), Jotka lähetetään avaruusalukseen maasta, voivat mahdollisesti olla ratkaisu, mutta ne ovat nykyään käsitteellisessä tilassa, jota ei ole teknisesti osoitettu. Lisäksi kaikilla näillä käyttövoimajärjestelmillä on energianmuunnoshyötysuhteet, jotka ovat liian matalat tähtienvälisen matkan mahdollistavien nopeuksien saavuttamiseksi.
Joitakin sähkökäyttöisiä menetelmiä:
Elektrotermisissä ja sähkömagneettisissa potkureissa ionit ja elektronit kiihtyvät samanaikaisesti, joten säteen neutralointi ei ole tarpeen.
Hetken säilymislaki toteaa, että potkuri, joka ei käytä ponneainetta, ei voi kiihdyttää aluksen massakeskipistettä (sen suunnan muuttaminen on kuitenkin mahdollista). Avaruus ei kuitenkaan ole täysin tyhjä, varsinkin kun pysyt aurinkokunnan rajoissa. On painovoimakenttiä, magneettikenttiä, aurinkotuulet ja muut säteilyt, esimerkiksi aurinko. Monissa propulsiokonsepteissa yritetään hyödyntää näitä ympäristöjä aluksen nopeuttamiseksi. Koska nämä vaikutukset ovat kuitenkin hyvin hajanaisia, mukana olevat propulsiorakenteet ovat usein erittäin tärkeitä voidakseen hyötyä niistä.
On olemassa useita propulsiokonsepteja, jotka käyttävät vähän tai ei lainkaan ponneainetta. Esimerkiksi vankeudessa pidetyn satelliitin käsite käyttää pitkää, erittäin kestävää kaapelia kiertoradan vaihtamiseen ja toistaa pienemmässä mittakaavassa rintareppu-vaikutelman. Aurinkopurje käyttäen auringon säteilyn paine käyttövoimaksi, joka vaatii suuren alueen altistuminen auringon säteilylle ja suuria ponnisteluja painon rajoittamiseksi aluksen. Magneettinen rainat taipua varattuja hiukkasia aurinkotuulen magneettikentän kanssa, jolloin saadaan talteen osa niiden vauhtia. Tämän käsitteen muunnelmaa kutsutaan mini-magnetosfääriseksi plasman propulsioksi, joka käyttää pientä plasmapilviä muuttamaan näiden samojen hiukkasten liikerataa. Sähköpurjeiden käsitteissä niille ehdotetaan erittäin hienojen ja erittäin kevyiden johtojen käyttöä, joiden kautta pysyvä sähkövirta sallii aurinkotuulien hiukkasten taipumisen. Jotkut lentoesitykset tehtiin aurinkopurjekonseptista, kuten IKAROS tai NanoSail-D .
Avaruusalukseen sovelletaan kulmamomentin säilymisen teoreemaa, minkä vuoksi kaikki sen hetken muutokset ovat seurauksena siirtymävoiman ( reaktionhallintajärjestelmän periaate ), joka siis aiheutuu työnnetystä propulsiomassasta, tai käänteisen momentin syntymisestä astia ( reaktiopyörien periaate ). Ulkoisia voimia ei-konservatiivisia, kuten painovoima tai ilmakehän vetämällä voi osaltaan edistää aikaa avaruusaluksen. Asennonhallintalaitteita järjestelmä on siis välttämätöntä avaruusalus pystyä hallitsemaan suunta.
Toinen menetelmä on painovoima-apu, joka voi kiihdyttää anturia ilman ponneainemassaa palauttamalla osan planeetan kineettisestä energiasta painovoiman avulla. Nämä painovoiman apuvälineet voivat sallia erittäin suuren kiihtyvyyden, jos ne yhdistetään rakettimoottorin käyttöön.
Maasta laukaisemiseksi työntövoima on erittäin tärkeä tekijä. Itse asiassa painovoimalla on taipumus pitää kantorakettia, kun se nousee kohti avaruutta, ja siksi käyttövoimajärjestelmän työntövoiman on välttämättä oltava suurempi kuin painovoima. Monet edellisessä osassa esitetyistä käyttövoimatyypeistä , kuten ionien työntövoima , eivät saavuta suurempaa työntövoiman ja painon suhdetta kuin 1, joten niitä ei voida käyttää laukaisemiseen maasta.
Suurin osa avaruusaluksista käyttää kemiallisia rakettimoottoreita laukaisemaan maasta. Muita virtalähteitä, kuten ydinvoiman käyttövoimaa, on ehdotettu ja testattu, mutta poliittisista, ympäristöllisistä ja turvallisuussyistä niitä ei ole koskaan käytetty.
Yksi maasta lähtevien avaruusalusten eduista on se, että niillä voi olla etukäteen maapalvelun apu. Raketti-tilaa käynnistää ehdotuksiin sisältyy monia projekteja, joiden koko rajoittaa niiden soveltamista lähitulevaisuudessa. Voimme mainita esimerkiksi:
Useimmat tutkimukset osoittavat, että suurin osa tavanomaisen aerobinen moottoreiden kuten suihkuturbiinimoottorien tai ramjets on työntövoima-paino-suhde, joka on liian alhainen, jotta voidaan käyttää avaruusaluksen suorituskyvystä tinkimättä. Toisaalta kantoraketti voidaan laukaista ajoneuvosta, joka käyttää tätä käyttövoimatilaa (kuten Pegasus tai SpaceShipTwo ). Tietyissä avustetuissa laukaisujärjestelmissä, kuten kelkkailussa, mainituissa järjestelmäkonsepteissa käytetään myös aerobisia moottoreita.
Samaan aikaan tutkitaan joidenkin erityisten moottoreiden käyttöä avaruusaluksilla ensimmäisen nousun aikana (ilmakehän lentovaihe):
Suurin osa kantoraketeista nousee pystysuoraan ja kallistaa sitten vähitellen liikerataa tuodakseen sen vaakatasoon hyödyntämällä painovoimia ( painovoiman kääntö ). Tämä liikkeellelähtö suoritetaan useiden kymmenien kilometrien korkeudessa. Pystysuoran nousun ensimmäinen vaihe mahdollistaa ilmakehän kitkan menettämän energian rajoittamisen vähentämällä matalassa korkeudessa vietettyä aikaa, missä ilmakehä on tihein ja siten kitkavoimat suuremmat. Aerobiset moottorit ovat tämän vaiheen aikana paljon tehokkaampia kuin rakettimoottorit, ja siksi aerobista vaihetta käyttävissä rakettikonsepteissa kantoraketti viettää suuremman osan käyttämästään vaiheesta ilmakehässä näiden moottoreiden parhaan hyödyntämiseksi.
Kun avaruusalus saapuu planeetan vaikutusalueelle asettumaan kiertoradalle tai kun alus haluaa laskeutua tälle planeetalle, sen on säädettävä nopeuttaan. Tämä liike voidaan suorittaa tietyillä menetelmillä käyttäen tähti-ilmakehää, jotka mahdollistavat näiden liikkeiden polttoainekustannusten alentamisen (jos ne antavat riittävän delta-v).
Avaruuden käyttövoiman alalla ehdotetaan monia futuristisia käsitteitä. Useimpiin on suhtauduttava hyvin huolellisesti niiden toteutettavuuteen, koska heidän hypoteesejaan on niin vaikea osoittaa. Esimerkkejä tällaisista hyvin teoreettista käsitteet ovat edustettuina fysiikan ohjelman kehittyneen ponneaineita ja NASA . Löydämme siellä:
Alla on taulukko, joka sisältää yhteenvedon avaruuden työntömenetelmistä klassisimmista futuristisempiin käsitteisiin. Annetaan seuraavat ominaisuudet:
Menetelmät |
Erityiset poisto nopeus (km / t) |
Työntövoima (N) |
Ajan työntö (suuruusluokka) |
Suurin delta-v (km / s) |
Teknologinen juoksuaika taso |
---|---|---|---|---|---|
Kiinteä ajoaine | 1 - 4 | 10 3 - 10 7 | pöytäkirja | ~ 7 | 9: Esitetty lennon aikana |
Hybridi työntövoima | 1.5 - 4.2 | <0,1 - 10 7 | pöytäkirja | > 3 | 9: Esitetty lennon aikana |
Monergol-nestemäinen käyttövoima | 1 - 3 | 0,1 - 100 | millisekuntia-minuutteja | ~ 3 | 9: Esitetty lennon aikana |
Nestemäiset käyttövoima-biergolit | 1 - 4.7 | <0,1 - 10 7 | pöytäkirja | ~ 9 | 9: Esitetty lennon aikana |
Sähköstaattinen ionipotkuri | 15 - 210 | 10 -3 - 10 | kuukautta / vuotta | > 100 | 9: Esitetty lennon aikana |
Hall-efektipotkuri | 8-50 | 10 -3 - 10 | kuukautta / vuotta | > 100 | 9: Esitetty lennon aikana |
Resistojet | 2 - 6 | 10 -2 - 10 | pöytäkirja | ? | 8: Hyväksytty lennolle |
Arcjet | 4-16 | 10 -2 - 10 | pöytäkirja | ? | 8: Hyväksytty lennolle |
Kenttäpäästöjen sähköinen käyttövoima | 100-130 | 10 -6 - 10 -3 | kuukautta / vuotta | ? | 8: Hyväksytty lennolle |
Pulssattu plasmapotkuri | ~ 20 | ~ 0,1 | ~ 2000–10 000 tuntia | ? | 7: Demonstrator testattu lennolla |
Kaksimoodinen nestemäinen käyttövoima | 1 - 4.7 | 0,1-10 7 | millisekuntia - minuuttia | ? | 7: Demonstrator testattu lennolla |
Aurinkosuoja |
Kevyt 145-750: Aurinkotuuli |
299790: AU | 9 / km 2 - 1Ääretön | ~ 3 - 9 | 9: Lennonohjaus auringonpaineella lennon aikana ( Mariner 10 ) 6: Käyttöönotto osoitettu lennolla 5: Käsite validoitu kenttätestin aikana |
Nestemäinen Triergol-ponneaine | 2,5 - 5,3 | 0,1 - 10 7 | pöytäkirja | ~ 9 | 6: Prototyyppi esitelty kentällä |
Magnetoplasmadynamic thruster | 20 - 100 | 100 | viikkoa | ? | 6: 1 kW: n prototyyppi lennon aikana |
Terminen ydinvoima | 9 | 10 7 | pöytäkirja | > ~ 20 | 6: Prototyyppi esitelty kentällä |
Sähkömagneettinen katapultti | 0,001 - ~ 30 | 10 4 - 10 8 | kuukausi | ? | 6: 32 MJ-malli esitelty kentällä |
Vankeudessa oleva satelliitti | N / A | 1-10 12 | pöytäkirja | ~ 7 | 6: 31,7 km malli esitelty avaruudessa |
Ilmassa lisätty raketti | 5 - 6 | 0,1 - 10 7 | sekuntia-minuuttia | > 7? | 6: Prototyyppi testattu maassa |
Nestemäinen moottori | 4.5 | 10 3 - 10 7 | sekuntia-minuuttia | ? | 6: Prototyyppi testattu maassa |
Pulssinen induktiivinen potkuri | 10 - 80 | 20 | kuukausi | ? | 5: Komponentit testattiin tyhjiössä |
VASIMR | 10-300 | 40 - 1200 | päivää / kuukausi | > 100 | 5: Komponentit testattu tyhjiössä |
Magneettikentän värähtelevä vahvistettu potkuri | 10-130 | 0,1 - 1 | päivää / kuukausi | > 100 | 5: Komponentit testattu tyhjiössä |
Aurinkolämpöraketti | 7 - 12 | 1 - 100 | viikkoa | > ~ 20 | 4: Laboratoriossa testatut komponentit |
Radioisotooppinen käyttövoima | 7 - 8 | 1,3 - 1,5 | kuukausi | ? | 4: Komponentti testattu laboratoriossa |
Sähköinen ydinvoima (riippuu käytetystä sähkökäyttöisestä menetelmästä) |
Vaihteleva | Vaihteleva | Vaihteleva | ? | 4: Laboratoriossa testatut komponentit |
Orion-projekti | 20 - 100 | 10 9 - 10 12 | useita päiviä | ~ 30-60 | 3: 900 kg: n konseptin demonstroija testattu |
Avarushissi | N / A | N / A | ääretön | > 12 | 3: Käsite vahvistettu |
SAPELI | 4,5-30 | 0,1 - 10 7 | pöytäkirja | 9.4 | 3: Käsite vahvistettu |
Magneettinen purje | 145-170 | ~ 1 | ääretön | ? | 3: Käsite vahvistettu |
Laservoima | Vaihteleva | Vaihteleva | Vaihteleva | ? | 3: 71 m mielenosoittaja testattu |
Avaruus soi | N / A | ~ 10 4 | pöytäkirja | >> 11-30 | 2: Ehdotettu käsite |
Pulssoitu ydinvoima | 20 - 1000 | 10 9 - 10 12 | vuotta | ~ 15000 | 2: Ehdotettu käsite |
Ydinvoima kaasumaisella ytimellä | 10-20 | 10 3 - 10 6 | ? | ? | 2: Ehdotettu käsite |
Ydinvoima liuenneiden alkuaineiden avulla Ydinsuola-vesi-raketti |
100 | 10 3 - 10 7 | puoli tuntia | ? | 2: Ehdotettu käsite |
Propulsio fissiokappaleiden avulla | 15 000 | ? | ? | ? | 2: Ehdotettu käsite |
Photonic-ydinraketti | 299,790 | 10 -5 - 1 | vuosia / vuosikymmeniä | ? | 2: Ehdotettu käsite |
Ydinfuusio | 100 - 1000 | ? | ? | ? | 2: Ehdotettu käsite |
Pulssimainen ydinvoiman propulsio, jota katalysoi antiaine | 200 - 4000 | ? | päivää / viikkoa | ? | 2: Ehdotettu käsite |
Antiaineen käyttövoima | 10000 - 100000 | ? | päivää / viikkoa | ? | 2: Ehdotettu käsite |
Bussard-keräilijä | 2,2 - 20 000 | ? | ääretön | ~ 30000 | 2: Ehdotettu käsite |
Menetelmät |
Erityiset poisto nopeus (km / t) |
Työntövoima (N) |
Ajan työntö (suuruusluokka) |
Suurin delta-v (km / s) |
Teknologinen juoksuaika taso |
Suurin osa avaruuden käyttövoimajärjestelmistä testataan kentällä toistamalla odotettavissa olevat käyttöolosuhteet vaihtelevalla realismilla. Useita testityyppejä on olemassa. Rakettimoottorin testitelineen testejä käytetään osoittamaan, että moottori käy yhtä paljon kuin niiden asettamiseen ennen lentoa. Vaarallisuutensa vuoksi suurin osa näistä laitoksista sijaitsee kaukana kodeista. Rakettimoottorit, joiden on toimittava tyhjiössä, kuten ionipotkurit tai ylemmän vaiheen moottorit, testataan tyhjiökammioissa.