iyon tahriki

NASA'dan bir ksenon iyon motorunun test çalışması
Deep Space 1 uzay sondasının NSTAR iyon motoru
İyon iticilere sahip Japon uzay sondası Hayabusa (solda)

İyon tahriki , uzay aracı için bir tahrik yöntemidir ; bir iyon itici , hareket etmek için üretilen (nötrleştirilmiş) bir iyon ışınının geri tepmesini kullanır . Kullanılan enerji kaynağına bağlı olarak güneş enerjisi (engl. Solar Electric Propulsion , SEP) ve nükleer elektrik tahriki (engl. Nuclear Electric Propulsion , NEP) arasında fark vardır.

İyon motorları , doğrudan Dünya'dan bir roket fırlatılması için çok az itme gücü üretir , ancak kimyasal motorlardan daha az destek kütlesi tüketirler . Bu nedenle, özellikle gezegenler arası sondaların uzun yörüngeleri için enerji verimli sürekli çalışma için ikincil motorlar olarak uygundurlar.

fonksiyon

İyon ışını, bir katot aracılığıyla ilk iyonlaştırıcı gaz parçacıkları (örneğin ksenon ) veya küçük damlacıklar (örneğin cıva ) tarafından üretilir . Daha sonra bir elektrik alanında hızlandırılırlar. Elektronları ışına geri besleyen ve böylece onu elektriksel olarak nötr yapan nötrleştirici denilen şeyden geçtikten sonra , parçacıklar bir ışın şeklinde dışarı atılır.

Nötrleştirici sistemin önemli bir parçasıdır. Onsuz, yüklenecek ve ışın yayılarak uzay aracına geri dönecekti. İyonlar ve füze arasındaki çekim kuvveti, itme etkisini tüketecektir.

Tahrik gücü, kimyasal olarak çalışan roketlerde olduğu gibi, reaksiyona giren yakıt bileşenlerine bağlı değildir, ancak uygulanan elektromanyetik alandan gelir. Tarlaları üretecek enerji şimdiye kadar büyük ölçüde güneş pilleri yardımıyla elde edildi . Geleneksel anlamda bir yakıt yoktur, ancak destek kütlesi kaybolur.

Radyo frekansı iyon iticilerinde (RIT), itici genellikle destek kütlesi olarak asil gaz ksenonu kullanır. Çalışma gazı, serbest elektronların , motorun etrafına sarılmış bir endüksiyon bobini tarafından üretilen bir elektrik girdap alanı tarafından 3 ila 10 elektron voltluk enerjilere  hızlandırıldığı elektron darbeli iyonizasyon ile iyonize edilir . Ortaya çıkan plazma deşarjı , birçok teknolojik alanda (floresan tüpler dahil) kullanılan düşük sıcaklıklı plazma sınıfına aittir. İyonizasyon (ksenon durumunda pozitif yüklü) tarafından oluşturulan iyonlar, bir elektrostatik alan vasıtasıyla bir ızgara düzenlemesi yoluyla motordan çıkarılır ve bu, momentumun korunumu yasasına göre, itmenin zıt yönünde itmeye neden olur . kaçan iyonlar

Bir RIT'nin başarılı bir şekilde devreye alınması için, örneğin ekstraksiyon için gereken yüksek voltajları sağlayan gaz akış düzenleyicileri ve enerji kaynakları gibi birkaç ek cihaz gereklidir . Yüksek performanslı yüksek frekansın beslenmesi, tipik olarak, bir seri rezonans dönüştürücüde yarım köprü topolojisi ile elde edilir , çünkü bu , uydunun termal yönetimini desteklemeye devam eden yüksek elektrik verimliliği sağlar .

Hem plazma-fiziksel süreçler hem de motor sistemlerinin yapımı, dünya çapında uzayla ilgili birçok kurum ve şirket için araştırma konusudur. RIT teknolojisi, örneğin ArianeGroup şirketi tarafından ticari olarak temsil edilmektedir . Almanya'da, ArianeGroup (ek olarak Lampoldshausen ), Giessen üniversiteler ( Giessen Justus Liebig Üniversitesi ve Orta Hessen Teknik Üniversitesi ) ve Alman Uzay Merkezi içinde Göttingen'de öncelikle edilir bu teknoloji ile ilgiliydi.

karşılaştırma

Konvansiyonel kimyasal roket motorları ile karşılaştırıldığında , önceki iyon tahrikleri , bir kartpostalın ağırlığıyla (70 milinewton ) kabaca karşılaştırılabilir , ancak önemli ölçüde artan gaz çıkış hızıyla (10 ila 130 km) sonda tahrikleri durumunda çok daha düşük bir itme kuvvetine sahiptir. / s, 210 km / s'ye kadar prototipler) ve önemli ölçüde daha uzun bir hareket süresi. Bununla birlikte, yeterli ivmeleri ve dolayısıyla operasyon için kabul edilebilir itme sürelerini elde etmek için uzay aracının toplam kütlesi mümkün olduğu kadar küçük tutulmalıdır. SMART-1 probu, örn. B. 367 kilogram ve destek kütlesi olarak 84 kg ksenon taşıdı.

İyon iticilerle ilgili bir sorun, güç gereksinimleridir (sadece itici için SMART-1 1300 W ile). Yalnızca en yeni üç bağlantılı GaInP2 / GaAs / Ge güneş pilleri , makul bir güneş paneli boyutuna sahip kullanılabilir iyon sürücüleri sağlamak için alan başına yeterli gücü ( SMART-1 ile yaklaşık 370  watt / m², verimlilik %27) sağlar.

Belirli bir kütlenin çıkış hızını iki katına çıkarmak, dört kat daha fazla enerji gerektirir. Bir iyon tahrikinin inşasının amacı, gerekli destek kütlesini mümkün olduğu kadar düşük tutmaktır. Temel roket denklemine göre, bu maksimum bir çıkış hızı gerektirir . Bu nedenle bir iyon tahrikinin yapısı, her zaman enerji ve destekleyici kütle gereksinimleri arasında bir uzlaşmadır.

İyon tahrikinin kimyasal tahrike göre avantajı , aynı toplam itme ile (yani elde edilen hızdaki değişiklik) ortaya çıkan parçacıkların hızı çok daha büyük olduğu için daha az destek kütlesinin tüketilmesidir. Yerçekimi nedeniyle ivmeye normalize edilen özgül dürtü , bugün 3000 s'den fazla olan iyon iticilerinde 470 s'lik kimyasal iticilere göre yaklaşık altı kat daha yüksektir.

Geleneksel iyon sürücüleri yalnızca vakumda çalıştı. Normal hava hareketlerinin uyguladığı kuvvet genellikle itme kuvvetinden daha büyüktür. Kasım 2018'de MIT'deki bilim adamları , atmosferde çalışan bir iyon motorunun gelişimini sundular .

İyon iticilerin vat ile kilovat aralığında giriş güçleri ve 1 N'nin altında itme güçleri vardır. Bu nedenle, iyon iticiler yalnızca daha uzun süre (haftalar, aylar veya yıllar) çalışabilirlerse daha büyük kütleleri taşımak için uygundur.

Tarih

İyon tahriki ilkesi, uzay öncüsü Hermann Oberth tarafından 1923'te ilk kez tasarladığı iyon tahrikini tanımladığı en ünlü eseri "The Rocket to Planetary Spaces" ile tanıtıldı .

1960'larda, ilk deneylerde yakıt olarak sezyum veya cıva kullanıldı , ancak iyon üretmek için kullanılan metalik bileşenler hızla aşındı . En büyük sorun, üzerinde gerekli iyonların damlacık iyonizasyonu yoluyla üretildiği jilet gibi keskin bir kenarın aşınmasıydı. Bu problemin daha iyi yönetilmesi ancak yakıt olarak asil gaz ksenonunun kullanılmasıyla olmuştur . Ksenonun diğer avantajları, metallerin aksine buharlaşmasına gerek olmaması, toksik olmaması ve basınçlı bir gaz deposundan motora kolayca taşınabilmesidir. Normalde katı olan sezyumun ekstraksiyonu pratikte özellikle zordu. Cıva ile karşılaştırıldığında bir dezavantaj, daha düşük atom kütlesidir . Ek olarak, ksenon, iki metalden daha yüksek iyonizasyon enerjileri gerektirir.

Gelen RIT motoru ( Radyofrekans iyon Pervane elektrostatik ise), iyonlar, bir yüksek frekans sinyalinin endüktif kuplaj tarafından üretilen Kaufman motor gaz akım deşarjı ile iyonize edilir. HET-motor (İngilizcesi. Hall Etkisi iticileri , Salon Sürücü ) dairesel bir yol üzerinde yönlendirilir elektronlarla sürücü gazı iyonize eder. Bir RIT motorunun prototipi ilk olarak 1992'de Avrupa EURECA uydusunda çalıştı . SMART-1 , bir HET motoruyla donatıldı.

Günümüzün iyon iticileri, mevcut sınırlı miktarda elektrik enerjisi nedeniyle iki ana uygulama için uygundur:

  • Güneşe yakın olan Venüs ve Merkür gezegenlerine gezegenler arası sondalar için yürüyen motor, çünkü güneş enerjisi burada uzun itme zamanlarında hala kullanılabilir.
  • Dünyanın yüksek yörüngelerindeki büyük uydular için yörünge kontrol iticileri, burada rahatsız edici kuvvetler ve bunları telafi etmek için gerekli düzeltme darbeleri çok küçüktür.

Uzay yolculuğunda kullanın

İlk iyonla çalışan uzay aracı Deep Space 1 idi . Deep Space 1, 1998'de fırlatıldı ve Kaufman tipine dayalı bir NSTAR motoruna sahipti . İkinci iyon güdümlü sonda, 2003 yılında JAXA tarafından fırlatılan Hayabusa idi . Üçüncü iyon güdümlü uzay aracı, ESA tarafından 2003 yılında fırlatılan ve ayın yörüngesinde dönen SMART-1 sondasıydı . 2007'den Dawn ve 2014'ten Hayabusa 2 ve 2018'den beri BepiColombo misyonları büyük ölçüde iyon iticilerine bağımlıydı . 1992'de EURECA test uydusu , gemide MBB / EADS'den deneysel bir RIT iyon motoru RITA-10'a sahipti. 2001 yılında ESA , ksenon iyonlarının üretilme biçiminde farklılık gösteren iki yeni tip iyon iticisinin test bazında kurulduğu Artemis uydusunu piyasaya sürdü . Uydu , Ariane 5'in üst aşaması onu bir jeotransfer yörüngesine (GTO) getirdiği için başlangıçta yalnızca yörünge düzeltmesi için tasarlanan RIT-10 iyon motorunun yardımıyla planlanan jeostatik yörüngeye son 5000 km'yi kapladı. düşük bir apoje .

İyon itici artık birçok ticari iletişim uydusu üzerinde kendini kanıtlamıştır . Orada yörüngeye ulaşmak için birincil sürücü olarak değil, uydunun yılda yaklaşık 45 ila 50 m / s hız değişimi ( delta v ) üretmesi gerektiğinden, kuzey-güney kayması için bir yol kontrol motoru olarak hizmet eder. güneş ve ayın yerçekimi etkilerine . Yörüngeyi düzenlemek için iyon iticilerinin kullanılması, uyduların hizmet ömrünü uzatır, çünkü özgül darbe kimyasal iticilerinkinden daha yüksek olduğu için daha az yakıt gerekir. Avrupa Alphabus , Amerikan Boeing 702 ve Çin DFH-5 otobüsü , iyon motorlarıyla donatılmış uydu otobüsleridir .

Dört Cubesats NetSat yüzden bile çok küçük uydular bir iyon sürücü kullanabilirsiniz, iyon diskler var.

atmosferde uygulama

Kasım 2018'de MIT , bir iyon sürücüsü kullanarak atmosferde bir füzeyi ilk kez hareket ettirmeyi başardı . Bu amaçla kanat açıklığı 5 metre olan uçak benzeri bir gövde yapılmıştır. Kanatların altında, +20.000 voltluk bir voltajın uygulandığı elektrotlar vardı . Elektrotlarda iyonize olan havadaki azot . İyonlar, kanatlara uygulanan -20.000 voltluk bir voltajla hızlandırıldı. Uçuş süresi 10 saniyeydi ve yaklaşık 60 metrelik bir spor salonunda köprülendi. Katılan bilim adamlarına göre, mesafe yalnızca salonun büyüklüğü ile sınırlıydı. Şu anda insan veya mal taşımak mümkün değildir. Olası uygulama alanları olarak, araştırmacılar z olarak adlandırıyor. B. daha sessiz dronlar.

gelişmeler

Ayrıca bakınız

Edebiyat

  • Heinz Mielke : Uzay uçuşu teknolojisi - bir giriş . Transpress VEB Verlag for Transport, Berlin 1974.
  • Dan M. Goebel ve diğerleri: Elektrik tahrikinin temelleri - İyon ve Salon iticileri. Wiley, Hoboken 2008, ISBN 978-0-470-42927-3 .

İnternet linkleri

Commons : iyon tahriki  - resim, video ve ses dosyalarının toplanması
Vikisözlük: ion drive  - anlam açıklamaları , kelime kökenleri, eş anlamlılar, çeviriler

Bireysel kanıt

  1. ↑ Süper güçlü yeni iyon motoru ortaya çıktı . New Scientist, 18 Ocak 2006.
  2. ↑ a b İlk iyonla çalışan uçak test uçuşunu tamamladı. İçinde: kablolu.de. 22 Kasım 2018. Erişim tarihi: 27 Kasım 2018 .
  3. ^ İyon sürücüsü: İlk uçuş. In: doğa videosu ( Youtube ). 21 Kasım 2018. Erişim tarihi: 27 Kasım 2018 .