Wydajniejszy silnik statku kosmicznego

Inżynierowie NASA zakończyli testowanie nowego systemu napędu jonowego dla statków kosmicznych orbitujących wokół Ziemi i międzyplanetarnych. System jest mocniejszy i oszczędniejszy niż jego poprzednicy, dzięki czemu może podróżować dalej niż kiedykolwiek wcześniej.

Moc jonowa: Nowy system napędu jonowego NASA przechodzi testy w Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie w Kalifornii.

Napęd jonowy polega na elektrycznym ładowaniu lub jonizacji gazu wykorzystującego energię z paneli słonecznych i emitowaniu zjonizowanego gazu w celu napędzania statku kosmicznego w przeciwnym kierunku. Koncepcja została opracowana po raz pierwszy ponad 50 lat temu, a pierwszym statkiem kosmicznym, który wykorzystał tę technologię, był: Głęboka przestrzeń 1 ( DS1 ) w 1998. Od tego czasu tylko kilka innych niekomercyjnych statków kosmicznych używało napędu jonowego: NASA Misja świtu do zewnętrznego Układu Słonecznego, wystrzelony w 2007 roku; japońska misja zwrotu próbki asteroidy głębokiego kosmosu o nazwie Hajabusa , uruchomiony w 2003 r.; a Europejska Agencja Kosmiczna uruchomiła INTELIGENTNY-1 statek kosmiczny w 2003 roku rozbił się na Księżycu w 2006 roku. (Istnieje wiele komercyjnych satelitów komunikacyjnych, które wykorzystują silniki jonowe).*

Aby zbudować nowy system napędu jonowego pod ewolucyjnym napędem ksenonowym NASA ( NASTĘPNY ) program, inżynierowie z NASA Centrum Badawcze Glenna w Cleveland, OH, zmodyfikował i poprawił konstrukcję silników używanych do DS1 i świt. „Zrobiliśmy go fizycznie większy, ale lżejszy, zmniejszyliśmy złożoność systemu, aby wydłużyć jego żywotność i ogólnie poprawiliśmy jego wydajność”, mówi Michael Patterson, główny badacz projektu.

Patterson przedstawił artykuł opisujący silnik na Wspólna konferencja i wystawa dotycząca napędów odbył się w tym tygodniu w Denver. Mówi, że jego zespół mógłby rozpocząć budowę gotowej do misji wersji silnika do stycznia 2010 roku, co zajęłoby około 36 miesięcy.

Chemiczne systemy napędowe są najczęściej używane w statkach kosmicznych, ale wymagają dużych ilości paliwa i są nieefektywne w misjach w daleki kosmos. Jesteś ograniczony w tym, co możesz zabrać w kosmos, ponieważ musisz nosić rakietę, która jest głównie paliwem, mówi Alexander Bruccoleri, naukowiec z wydziału aeronautyki i astronautyki w MIT. Ponadto, mówi, musisz zrekompensować wagę i rozmiar zbiorników miotających, budując statek kosmiczny, który jest wątły lub nie ma wielu struktur wzmacniających go.

Alternatywnie, kilka grup badawczych bada elektryczne systemy napędowe. Chociaż silniki te wytwarzają znacznie mniejszy ciąg niż silniki chemiczne, są bardzo wydajne, co czyni je idealnymi do dalekodystansowych misji na asteroidy, komety lub planety, takie jak Jowisz i Merkury. Jednak jednym z największych wyzwań w napędzie elektrycznym jest wysoka moc i żywotność systemu, mówi Daniel Brent White, inny badacz aeronautyki i astronautyki z MIT.

*Dzięki komentarzom czytelników ta informacja została poprawiona o misje europejskie i japońskie.

Nowy silnik jonowy opiera się na elektrycznych układach napędowych używanych przez oba DS1 i Dawn, mówi Patterson. Wykorzystuje tę samą metodę do uzyskania ciągu: gaz ksenonowy przepływa do komory reakcyjnej wewnątrz silnika i jest jonizowany przez elektrony; elektromagnesy umieszczone wokół tej komory zwiększają efektywność jonizacji. Elektrody umieszczone w pobliżu silników odrzutowych (znanych jako optyka jonowa) są następnie wykorzystywane do elektrostatycznego przyspieszania jonów i wystrzeliwania ich z wydechu, aby popchnąć statek kosmiczny do przodu.

Inżynierowie Glenn Research Center zoptymalizowali konstrukcję mechaniczną magnesów silnika i optyki jonowej oraz wprowadzili inne modyfikacje, w tym zmniejszenie liczby silników odrzutowych, aby system był mocniejszy i wydajniejszy. Silnik ma wyższy poziom mocy i większy zakres dynamiki dławienia – może przejść od bardzo dużej mocy do bardzo małej mocy – dzięki czemu może działać przez dłuższy czas i lepiej wykonywać swoją misję, mówi Patterson.

Michael Huggins, dyrektor ds. napędów kosmicznych i rakietowych w Laboratorium Badawczym Sił Powietrznych w Bazie Sił Powietrznych Edwards w Kalifornii, mówi, że ważne jest, aby znaleźć sposoby, aby systemy napędowe były wydajniejsze, mniejsze i bardziej ekonomiczne. To, że NASA poszukuje wydajniejszych urządzeń do misji międzyplanetarnych, jest zdecydowanie właściwą odpowiedzią, mówi.

Istnieją jednak potencjalne wady napędu jonowego. Na przykład energia słoneczna nie może być wykorzystywana zbyt daleko od słońca. Solar po prostu nie zadziała na takie odległości jak Neptun, mówi White, który na tej samej konferencji przedstawił referat na temat wykorzystania energii jądrowej jako źródła zasilania w misjach w głębokim kosmosie. Chociaż zapewniłoby to dużo energii w dalekim kosmosie, względy bezpieczeństwa sprawiłyby, że wystrzelenie statku kosmicznego o napędzie jądrowym byłoby wyzwaniem politycznym.

Jedynym konkurentem, jakiego naprawdę mamy, jest zaawansowana technologia chemiczna, mówi Patterson. Zaletą jaką mamy jest to, że jesteśmy bardzo oszczędni. Dlatego w przypadku złożonych misji planetarnych, które wymagają dużej ilości energii, mówi Patterson, Stany Zjednoczone i ich międzynarodowi partnerzy, w tym Japonia i kraje europejskie, przechodzą na silniki z napędem jonowym.

ukryć