Wykład mgr inż. net. Damiano Windsachena
"Klasyfikacja elektrycznych napędów rakietowych"
"Klasyfikacja elektrycznych napędów rakietowych"
Dzisiaj chciałbym zapoznać Was z elektrycznymi napędami rakietowymi, które stanowią niezwykle ciekawą alternatywę dla tradycyjnych napędów chemicznych stosowanych od lat w astronautyce. Więc może zaczniemy od tego, że elektryczny napęd charakteryzuje się wysoką wydajnością, jednak niestety napęd ten ma ograniczenia wynikające z generacji mniejszego ciągu (zazwyczaj w granicach 0,005–1 N) w porównaniu z konwencjonalnymi napędami chemicznymi co niestety wynika z ograniczeń dzisiejszych źródeł energii elektrycznej. Zapytacie pewnie czym napęd elektryczny, różni się od stosowanego od kilkunastu lat napędu chemicznego? No odpowiedź jest raczej prosta i wynika przede wszystkim z tego, że w przeciwieństwie do napędu chemicznego, który bazuje na energii zawartej bezpośrednio w paliwie, napęd elektryczny korzysta z zewnętrznych źródeł energii takich jak energia słoneczna, reaktory nuklearne czy baterie, które zasilają system napędowy. Z tego powodu, aby osiągnąć znaczne przyspieszenia, musimy podtrzymywać ciąg przez bardzo długi czas, czasem dochodzącego do kilku miesięcy, a w szczególnych przypadkach nawet latach nim osiągniemy zamierzoną prędkość.
Napędy elektryczne dzielą się na trzy podstawowe kategorie. Pierwsza z nich to napęd elektrotermiczny, który można uznać za „brata” tradycyjnych silników chemicznych na ciekłe paliwo. W tym przypadku mamy do czynienia z podgrzewaniem paliwa, takiego jak amoniak, wodór czy hydrazyna, przy pomocy energii elektrycznej. Może to odbywać się za pomocą pewnych rezystorów lub łuków elektrycznych. Powstały gaz jest następnie rozprężany w dyszy, generując ciąg od 0,01 do 0,5 N, przy prędkościach wylotowych wnoszących od 1000 do 7800 m/s. Ten rodzaj napędu, choć jest już nieco przestarzały, jest wciąż stosowany w niektórych misjach kosmicznych.
Napędy elektryczne dzielą się na trzy podstawowe kategorie. Pierwsza z nich to napęd elektrotermiczny, który można uznać za „brata” tradycyjnych silników chemicznych na ciekłe paliwo. W tym przypadku mamy do czynienia z podgrzewaniem paliwa, takiego jak amoniak, wodór czy hydrazyna, przy pomocy energii elektrycznej. Może to odbywać się za pomocą pewnych rezystorów lub łuków elektrycznych. Powstały gaz jest następnie rozprężany w dyszy, generując ciąg od 0,01 do 0,5 N, przy prędkościach wylotowych wnoszących od 1000 do 7800 m/s. Ten rodzaj napędu, choć jest już nieco przestarzały, jest wciąż stosowany w niektórych misjach kosmicznych.
Drugim typem napędu elektrycznego jest napęd elektrostatyczny, gdzie najczęściej ksenon jest wtryskiwany do komory wyładowczej i ulega jonizacji, tworząc plazmę, a przy pomocy elektrod siatkowych podpiętych do wysokiego napięcia są one przyspieszane siłami elektrostatycznymi. Dzięki czemu silnik może osiągać prędkości wylotowe na poziomie nawet 60 000 m/s, ponieważ wyrzucone z silnika jony napędzają statek v-kosmiczny w przeciwnym kierunku zgodnie z III zasadą dynamiki Newtona. Taki napęd musi być jednak odpowiednio zabezpieczony, aby móc uniknąć nagromadzenia się jonów, które muszą być neutralizowane przez cykliczną emisję elektronów, która zapobiega gromadzeniu się ładunku elektrycznego na pokładzie statku v-kosmicznego. W przeciwnym wypadku dojdzie do niewystarczającego ujemnego potencjału w elektrodach siatkowych, co jest częstym końcem żywotności silników jonowych.
Ostatni rodzaj napędu to napęd plazmowy, który generuje ciąg z quasi-neutralnej plazmy, która jest przyspieszana dzięki oddziaływaniu jednakowo prądów elektrycznych oraz pól magnetycznych co umożliwia osiągnięcie prędkości wylotowej nawet do 75 000 m/s. Największą wadą tego napędu jest jego zapotrzebowanie na energię, ponieważ przykładowy silnik wytwarzający ciąg 5 N wymaga podłączenia 200 kW mocy. To zapotrzebowanie może zostać teoretycznie spełnione poprzez zastosowanie reaktorów rozszczepialnych, jednak sama masa reaktora (w tym systemów odprowadzania ciepła) może okazać się nieefektywna do wysłania ich w przestrzeń v-kosmiczną.
Warto też wspomnieć o niektórych „egzotycznych” rozwiązaniach, jak pulsacyjny silnik plazmowy, który do swojego funkcjonowania używa materiału stałego (którym zazwyczaj jest teflon), chociaż w bardzo niewielu przypadkach stosuje się paliwa ciekłe lub gazowe. Działanie takiego silnika obejmuje wytworzenie łuku elektrycznego, który przechodzi przez dostarczane paliwo, powodując ablację i sublimację paliwa. Ciepło wytwarzane przez ten łuk powoduje, że powstały gaz zamienia się w plazmę, tworząc w ten sposób jej naładowany obłok, który ze względu na siłę ablacji jest przemieszczany z małą prędkością pomiędzy anodą i katodą. Z racji faktu, że plazma pozostaje naładowana, paliwo skutecznie zamyka cały obwód elektryczny, umożliwiając przepływ prądu przez plazmę. Ten przepływ elektronów generuje bardzo silne pole elektromagnetyczne, które następnie wywiera siłę Lorentza na plazmę, przyspieszając plazmowy obłok z dość dużą prędkością, która może wynieść maksymalnie 13700 m/s, oraz wygenerować ciąg 860 μN przy zużyciu 70W energii elektrycznej.
Ostatni rodzaj napędu to napęd plazmowy, który generuje ciąg z quasi-neutralnej plazmy, która jest przyspieszana dzięki oddziaływaniu jednakowo prądów elektrycznych oraz pól magnetycznych co umożliwia osiągnięcie prędkości wylotowej nawet do 75 000 m/s. Największą wadą tego napędu jest jego zapotrzebowanie na energię, ponieważ przykładowy silnik wytwarzający ciąg 5 N wymaga podłączenia 200 kW mocy. To zapotrzebowanie może zostać teoretycznie spełnione poprzez zastosowanie reaktorów rozszczepialnych, jednak sama masa reaktora (w tym systemów odprowadzania ciepła) może okazać się nieefektywna do wysłania ich w przestrzeń v-kosmiczną.
Warto też wspomnieć o niektórych „egzotycznych” rozwiązaniach, jak pulsacyjny silnik plazmowy, który do swojego funkcjonowania używa materiału stałego (którym zazwyczaj jest teflon), chociaż w bardzo niewielu przypadkach stosuje się paliwa ciekłe lub gazowe. Działanie takiego silnika obejmuje wytworzenie łuku elektrycznego, który przechodzi przez dostarczane paliwo, powodując ablację i sublimację paliwa. Ciepło wytwarzane przez ten łuk powoduje, że powstały gaz zamienia się w plazmę, tworząc w ten sposób jej naładowany obłok, który ze względu na siłę ablacji jest przemieszczany z małą prędkością pomiędzy anodą i katodą. Z racji faktu, że plazma pozostaje naładowana, paliwo skutecznie zamyka cały obwód elektryczny, umożliwiając przepływ prądu przez plazmę. Ten przepływ elektronów generuje bardzo silne pole elektromagnetyczne, które następnie wywiera siłę Lorentza na plazmę, przyspieszając plazmowy obłok z dość dużą prędkością, która może wynieść maksymalnie 13700 m/s, oraz wygenerować ciąg 860 μN przy zużyciu 70W energii elektrycznej.
Jak więc widzicie ogólnie napędy elektryczne, znajdują dosyć szerokie zastosowanie w długoterminowych misjach v-kosmicznych, gdzie tradycyjne napędy chemiczne mogą być niewystarczające. Rozwój elektrycznych napędów rakietowych może nie tylko przyspieszyć przyszłe loty międzyplanetarne, ale również otworzyć drzwi do bardziej ambitnych misji v-kosmicznych w głąb Układu Auriańskiego, a także być może poza jego granice.
PS: przedstawiony obrazek z kubkiem przedstawia tylko i wyłącznie możliwą do wytworzenia domową wersję silnika, nie jest to silnik stosowany w żadnym znanym pojeździe v-kosmicznym
