Trusterki ionowe: elektryczna propulsja i równanie rakiety Tsiolkowskiego

Wtrysk bez ognia

Rakieta chemiczna spalina spaliwa i pozwoliła na rozszerzenie ciepłego, wysokiej ciśnienia gazu przez naczyńko; siła reakcyjna to wtrysk. Traktor ionowy pomija całkowicie spalenie. Ionizuje on paliwowy gaz — prawie zawsze xenon, ponieważ jest ciężki, chemicznie nieaktywny i łatwo ionizowany — a następnie przyspiesza wynikające jony przy użyciu pola elektrycznego i pozwala im wyjść jako szybka, szeroką strumieniówkę. Fizyka samego wtrącenia jest identyczna z chemicznym silnikiem: wtrysk równa się ilości masy przepływowej razy prędkość wydusiennicza.

F = ṁ · v_e              thrust = mass flow rate × exhaust velocity
Isp = v_e / g₀            specific impulse, g₀ = 9.81 m/s²

Specyficzna impulsja jest pełną historią

Propellant chemiczny opuszcza naczelkę w przybliżeniu z prędkością 3–4,5 km/s, co daje impulsji specyficzną około 300–450 sekund. Elektryczne pola mogą poruszać jonizowane xenonowe cząsteczki z prędkością 20–50 km/s, co daje impulsji specyficznej od 1,500 do ponad 10,000 sekund w zależności od projektu. Ten czynnik dziesięciokrotny lub trzydziesięciokrotny ma ogromne znaczenie, gdy wprowadzisz go do równania Tsiolkowskiego, które mówi, że całkowita zmiana prędkości Δv, jaką może osiągnąć łazik kosmiczny, rosnie z prędkości wydusiwania i tylko logarytmicznie z masą propellantu, którą przynosi.

Δv = v_e · ln(m₀ / m_f)   równanie Tsiolkowskiego m₀ = masa wilgotna, m_f = masa sucha demonstracja na żywo · prąd jonizacyjny w zwiększonej szybkości i powstająca siła napędowa● NA ŻYWO Dziesięciokrotnie wyższa v_e oznacza, że ta sama Δv wymaga znacznie mniejszej części propellantu — co jest powodem, dla którego łazik, jak Dawn, mógł przynieść wystarczającą ilość xenonu do zmiany własnej prędkości orbitalnej o ponad 10 km/s po całym swoim zadaniu, a niepraktyczny etap chemiczny nie mógłby zaszkodzić bez przeważnie napełnionej magazynem paliwa.

Δv = v_e · ln(m₀ / m_f)     Tsiolkovsky rocket equation
                             m₀ = wet mass, m_f = dry mass

Dwa sposoby przyspieszania jonów

Ionowy silnik z siatkami (projekt przelały na Dawn i Deep Space 1) najpierw usuwa elektrony z paliwa poprzez bombardowanie elektronami lub pole RF, a następnie przenosi wynikające pozytywne jona przez dwie lub trzy blisko odległe siatki perforowane, utrzymane pod dużą różnicą potencjału — zwykle ponad tysiąc wolt. Maksymalny przepływ jonów, który siatki mogą ekstrahować, jest ograniczony repulsją ładunków między jonami samiimi, a ten limit opisuje prawo Childa–Langmuira, dlatego siatki są tak blisko siebie umieszczone. Ionowy silnik z efektem Halla, po drugie, używa pola magnetycznego radialnego krzyżowanego z polem elektrycznym osiowym, aby uchwycić elektrony w szybkim przepływie azymutalnym; te uchwycone elektrony ionizują paliwo i tworzą również pole przyspieszające dla jonów, dlatego nie jest potrzebne żadne fizyczne siatki. Ionowe silniki z efektem Halla opuszczają pewien Isp za skończoną gęstość siły przyspieszania i prostej konstrukcji, co jest powodem dla czego dominują dzisiaj w utrzymywaniu stanu orbitalskim satelitów.

Mały cisk, ogromna cierpliwość

Typowy ionowy ciskarka produkuje kilka do kilkudziesięciu milinewtonów siły cisku — można by zamknąć ją w palcu. Jest to zbyt mała siła cisku względem masy, aby umożliwić opuszczenie powierzchni planety, dlatego ionowe napędzanie nigdy nie wykorzystywane jest do podnoszenia ładunków; jego zadaniem jest jedynie zmiana orbity po tym, jak chemicalna ciskarka już przeprowadziła większość pracy. Zamiast tego działa ona przez miesiące lub lata bez przerwy, cicho akumulując Δv, który krótki burn chemicalnej ciskarki nie może zaszkodzić na taki sam buget propellantowy. Ta wymiana — cierpliwość za propellant — jest powodem, dla którego jest napędem wybranym do spotkań z asteroidami, utrzymania stanu orbity i długich podróży międzyplanetarnych, takich jak podróż BepiColombo do Merkurego.

Dodawanie wszystkich elementów: budżet delta-v misji

Realne misje są planowane jako konto operacji Δv: włożenie we wskazaną ścieżkę podczas startu, poprawki trasa, zmiany orbity, utrzymanie położenia nad czas trwania misji, wszystko sumowane do całkowitej wartości, którą muszą dostarczyć systemy propulzory. Dlatego, ponieważ wysoka Isp (stosunek mocy do masę) ionowego propulsora sprawia, że masa paliwa wymagana jest mała nawet dla dużego całkowitego Δv, planerzy misji mogą pozwolić sobie na generownie budżetować poprawki trasy i nadal pozostawiać miejsce dla ładunku.

Często zadawane pytania