Kako djeluju električni potisnici na svemirskom brodu Psyche?

Dan Goebel opet ovdje. Ja sam glavni inženjer svemirske letjelice na Psycheu i upravo sada radim na nekoliko aspekata njegovog Električnog pogonskog sustava. Evo kratkog opisa rada električnih potisnika.

Svi smo vidjeli impresivne slike i video zapise lansiranja letjelica i svemirskih letjelica, gdje ogromne rakete koriste izgaranje tekućina i čvrstih goriva kako bi proizvele nevjerojatne količine pritiska potrebne za bijeg od Zemljine gravitacije. Potrebna je količina kemijskog pogonskog goriva ogromna; gotovo milijun funti za misiju poput Psychea. Isto tako, morali bismo ponijeti tisuće kilograma kemijskog goriva sa sobom u svemir za dodatno pogon da bismo nas odveli sve do Psychea, bili zarobljeni u orbiti oko asteroida i zatim izvođenje znanstvenih operacija, što nas dovodi do još većeg lansiranja vozila i košta više milijuna dolara više.

Space-shuttle se podiže pomoću ogromnih kemijskih raketa.

Kao što sam opisao u prošlom blogu Psyche je misija SEP-a ... .Što to znači ?, smanjujemo količinu pogonskog goriva koje trebamo ponijeti sa sobom u svemir u misiji Psyche pomoću solarnog električnog pogona. Električni pogon ne gorivo pogonsko gorivo, ali električnom energijom dodaje energiju za razne vrste pogonskog goriva, što povećava specifični impuls (potisak po masi, ekvivalent miljama po galonu u vašem automobilu) kako bi se smanjila potrebna masa pogonskog goriva i lansirala veličina vozila (i košta!). Električnu energiju dobivamo iz solarnih polja. Ali kako to potisnici pretvaraju u potisak?

Električni potisnici djeluju tako da ubrzavaju atome pogona na veće brzine nego što se mogu dobiti kemijskim pogonom. U kemijskom pogonu, proizvedena energija ograničena je količinom energije u kemijskim vezama pogonskog goriva. Proizvodi izgaranja zagrijavaju se energijom koja se oslobađa pri razbijanju svake kemijske veze tijekom izgaranja, a mlaznica rakete pretvara velik dio te toplinske energije u usmjerenu brzinu čestica da bi se stvorio potisak. Što je veća brzina, veći je specifični impuls i potisak iz određene količine pogonskog sredstva. Dosadno? Da, ni ja ne volim kemiju.

Još više povećavamo brzinu pogonskog goriva u električnim pokretačima punjenjem čestica pogonskog goriva i ubrzavanjem nabijenih čestica visokim naponima. Odatle potječe sva zabava u pogonu. Postoji mnogo različitih vrsta električnih potiskivača [i], gotovo isto toliko koliko postoje različiti proizvođači automobila i svaki ima različite mogućnosti performansi. Najučinkovitiji električni potisnici koji se danas koriste nazivaju se ionski potisnici i Hall-ovi potisnici. Vjerojatno se mogu smatrati Teslinim verzijama svemirskog pogona.

NASA-in potisnik iona NSTAR i njegova unutarnja ksenonska plazma. Zasluga: JPL

Počet ću s ionskim potisnicima. Ioniziramo pogonsko gorivo ubrizgavajući energetske elektrone iz elektronskog odašiljača (koji se naziva šuplja katoda) unutar komore koja se puni pogonskim plinom i sakuplja elektrone (zvane anoda). To se naziva pražnjenje elektrona, a ti vrući elektroni udaraju u neutralne atome plina i udaraju jedan elektron iz svakog atoma, čime se proizvodi ion i slobodni elektron. Ioni i elektroni dobivaju previše energije iz ovog procesa da bi ih se lako rekombinirali, pa se u približno jednakom broju zijevajte unutar potisnika, sve dok ne dosegnu područje akceleratora ili se ne izgube na stijenkama komore za pražnjenje. Tu kombinaciju iona i elektrona naziva plazma, nazvao ju je otac ovog polja, Irving Langmuir, još u 1920-ima u General Electricu kada je primijetio plavi sjaj koji se ponekad pojavljivao u njegovim žaruljama.

Prije četrdeset godina (osjeća se kao 100!) Stekao sam staž kao dodiplomski student u UCLA laboratoriju koji je radio na poboljšanju ionskih potisnika. Pokušali smo bolje sadržavati ovu plazmu pomoću magnetskih polja. Tjedan dana doveo sam jednu od ovih komora za zatvaranje plazme s jonskim potiskom na sastanak svih ostalih pripravnika u ovom programu i ponosno opisao poboljšano zatvaranje plazme koje smo postigli u komori, kada je jedan od ostalih učenika koji su radili u biološkoj zgradi pitao : "Zašto krv ne iscuri kroz sve te rupe u zidovima?" Morao sam lijepo objasniti da naša plazma, koja je četvrto stanje materije i koja se smatra najzastupljenijim materijalom u svemiru, nije sastavnica krvi o kojoj svi ovdje znaju na Zemlji.

Povratak na ionske potisnike. Jedan zid ionskog potisnika sastoji se od dvije ili tri rešetke pristrane na vrlo visoki napon, obično 1000-2000 V. Ioni koji dopiru do rešetki ubrzavaju se do brzine veće od 80 000 mph / h tim naponima u suvremenim ksenonskim ionskim potisnicima. Xenon je pogonsko gorivo jer je inertan (ne reagira s ostatkom svemirskog broda) i lako ga je ionizirati. Neki od neutralnih atoma plina također su pobuđeni pražnjenjem i odaju prekrasan plavi sjaj kakav vidimo u ksenonskom plinu koji se obično koristi u električnim potisnicima i u automobilskim farovima.

Kad ubrzamo ione u udaljenosti, elektroni su zaostali, a potisnik (i svemirski brod koji je bio pričvršćen za njega) napušio bi se vrlo negativno i stvorio luk lokalnoj plazmi u svemiru ako bi se to moglo nastaviti. Ovaj problem popravljamo tako što postavljamo još jedan emiter elektrona izvan potisnika (koji se vidi na vrhu na fotografiji NSTAR-ionskog potisnika) koji puca dovoljno elektrona da neutralizira neravnotežu naboja generirajući naš ionski snop. Ovo je prvi put u mom iskustvu da nam je Majka Priroda ikada nešto besplatno dala jer to nije teško učiniti. Ako samo učinite dostupnim nekoliko elektrona, snop crta sve što je potrebno za neutralizaciju naboja. Potrebna je snaga da se napravi plazma i ubrza snop, a NSTAR potisnik koristi nekoliko kilovata snage da stvori potisak od oko 0,02 kilograma. To je bilo dovoljno potiska da se svemirska letjelica Dawn odvede do asteroidnog pojasa, jer je sila gravitacije toliko mala u prostoru i nema povlačenja. Električne pogonske misije često se nazivaju „misijama niskog pritiska“.

Psiha će zapravo koristiti Hall-ove potisnike, a ne ionske potisnike, ali započeo sam s ionskim potisnicima jer su Hall-ovi potisnici puno teže objasniti. Dvoranski potisnici ne koriste mreže visokog napona, ali koriste elektronski iscjedak za proizvodnju plazme. U ovom slučaju, šuplji katod je izvan potisnika, a sakupljač elektrona (sjećate li se da se naziva anoda?) Je unutra. Elektroni su vrlo lagani i brzi, a sva snaga koju primjenimo samo bi išla u elektronsku struju koja teče prema anodi i plavi sjaj ako smo to uradili. Umjesto toga, primjenjujemo magnetsko polje da prisilimo elektrone da idu u kružnim orbitama oko središta potisnika. Magnetsko polje ometa gibanje elektrona prema anodi, što omogućava da se ioni koji nastaju u ovom pražnjenju ubrzavaju poljem između anode i katode. Ioni su previše masivni da bi mogli utjecati na slabo magnetsko polje, i izbacuju se iz kanala kako bi formirali snop i stvarali potisak. Zbog ovog kružnog gibanja elektrona Hallovi potisnici imaju onaj prstenasti kanal pun užarene plazme koji vidite na svim fotografijama ovih potisnika. Budući da se ubrzanje događa unutar plazme, ioni mogu povući dovoljno elektrona iz pražnjenja sa sobom da se automatski neutralizira nakupljanje naboja koje sam gore opisao za ionske potisnike.

Potisnici dvorane u koje su Rusi ušli pioniri i prvi su ih letjeli u svemir 1970-ih. Na Psycheu koristimo dvostruke potisnike ruske izrade, jer ih SSL, koji gradi svemirski brod, koristi na svojim komercijalnim satelitima za komunikaciju. Pokretači dvorane "SPT-140" na Psycheu koriste do 5 kW snage da bi proizveli potisak od oko 0,06 kilograma. Dvoranski potisnici proizvode više potiska od ionskih potisnika za datu količinu ulazne snage, ali pri nižem specifičnom impulsu.

SPT-140 dvostruki potisnik. Dvije katode koje emituju elektron (jedna je suvišna) koje stvaraju pražnjenje elektrona vide se na vrhu iznad prstenastog kanala za pražnjenje plazme. Zasluge: JPL (lijevo), SSL (desno).

Treba napomenuti da je za uporabu električnih potisnika potrebno nešto njege i hranjenja. Potrebno im je napajanje koje pretvara električnu energiju iz solarnog niza u visoki napon i struju potrebnu potiskom. Potreban im je sustav za dovod plina kako bi isporučili ksenonsko pogonsko gorivo s točno odgovarajućom brzinom tijekom životnog vijeka pokretača. Također im je potreban precizni mehanizam za usmjeravanje zvan gimbal da usmjeri potisnik u pravom smjeru za željenu putanju. Omogućavanje svega toga zahtijeva puno inženjeringa kako bi se osiguralo da potisnici djeluju pouzdano tijekom šestogodišnjeg trajanja misije Psyche.

U sljedećem ću blogu opisati što moramo učiniti kako bi sustav potisnika SPT-140 Hall obično korišten od SSL-a u zemaljskoj orbiti radio u dubokoj svemirskoj misiji. Veliki su izazovi da potisnici učine dovoljno dugo da dođu do Psychea (3,5 godine), djeluju pouzdano pri ekstremnim hladnim temperaturama dubokog svemira i smanje se do slabih snaga jer se raspoloživa snaga solarnog polja smanjuje kako se odmičemo od Sunce.

[i] Djelomični popis nekih različitih električnih potisnika

elektrotermičke

DC grijač Resistojets

Resistojetovi mikrovalne plazme

Arc mlazovi

Ultrazvučni (čestični) potisnici

Elektrostatički

Ionski potisnici

DC potisni potisnici

Rf potisni potisnici

Kružni ionski potisnici

Kaufmanovi ionski potisnici

Mikrovalni potisnici

Heliconski potisnici

Pokretači ubrzavanja valova

Potisnici elektrospreja

Električni pogon polja (FEEPs)

Koloidni potisnici

Vakuumski potisni potisnici

Pristranost RF mreže (Pegasus potisnik)

Dvoranski potisnici

SPT (izolacijski zid)

TAL (metalni zidovi)

Dvostupanjski potisnici dvorane

Magnetički zaštićeni dvostruki potisnici

Izolacijski zidovi

Provođenje zidova

Cilindrični dvoranski potisnici

Potisnici dvorane u predvorju

Elektromagnetski potisnici

Impulsni plazmatski potisnici (PPT)

Magnetoplazmadinamički potisnici (MPD)

Akumulator plazme bez indukcije

Zatezanje obrnutog polja (RFP)

Napredni pojmovi

Vasimr

Bez pogonskog goriva (kršenje zakona fizike!)

EM potisnik

Q potisnik

fuzija

antimaterija