🚀 Silnik jonowy — napęd elektryczny i ΔV misji

Ciąg wyraża się wzorem F = 2ηP / (Isp·g₀), gdzie P to moc elektryczna wejściowa, η to sprawność silnika, Isp to impuls właściwy w sekundach, a g₀ to standardowe przyspieszenie ziemskie (9,81 m/s²). Ponieważ ten wzór dzieli przez Isp, podniesienie suwaka Isp przy stałej mocy w rzeczywistości zmniejsza ciąg, gdyż ta sama moc jest wydawana na rozpędzenie mniejszej liczby jonów do wyższej prędkości wylotowej.

Wykorzystuje równanie rakietowe Ciołkowskiego, ΔV = Isp·g₀·ln(m₀/m₁), przekształcone tak, by obliczyć masę paliwa mp = msuchy·(e^(ΔV/ve) − 1) potrzebną dla wybranej masy statku i ΔV. Czas spalania wynika następnie z podzielenia tej masy paliwa przez wydatek masowy, pokazując, jak długo silnik musiałby działać nieprzerwanie.

Prędkość wylotowa równa się tu Isp × g₀, a ponieważ silnik przyspiesza jony elektrycznie, a nie w wyniku spalania, może osiągnąć 20-80 km/s, kilkukrotnie więcej niż typowe 2-4 km/s dla paliw chemicznych. Ta wyższa prędkość wylotowa pozwala napędowi jonowemu osiągać duże ΔV przy stosunkowo małej masie paliwa.

Dla tego samego ΔV wymagana masa paliwa maleje wykładniczo wraz ze wzrostem Isp, zgodnie z równaniem rakietowym. Stopień chemiczny o stałym impulsie właściwym 310 sekund musi wyrzucać paliwo znacznie szybciej względem swojej prędkości wylotowej niż silnik jonowy pracujący na przykład przy 3000 sekund, więc stosunek masy mokrej do suchej i masa paliwa pokazane dla przypadku chemicznego są zazwyczaj wielokrotnie większe.

Nie cała moc elektryczna dostarczona do silnika zamienia się w skierowaną energię kinetyczną wiązki jonów; część jest tracona na jonizację paliwa, nagrzewanie siatek i inne straty. Sprawność η, regulowana w tej symulacji między 0,30 a 0,90, skaluje użyteczną moc we wzorze na ciąg, więc mniej sprawny silnik wytwarza mniejszy ciąg z tej samej mocy wejściowej.

Silnik jonowy jonizuje paliwo (zwykle ksenon), a następnie wykorzystuje silne pole elektryczne między perforowaną siatką ekranującą a siatką przyspieszającą, aby rozpędzić jony do dużej prędkości i wyrzucić je ze statku kosmicznego. Zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona wyrzucone jony wywołują siłę reakcji — ciąg — działającą na statek.

Silniki jonowe wytwarzają bardzo mały ciąg (zwykle milinewtony do kilku niutonów), znacznie mniejszy niż ciężar nawet małego satelity. Są użyteczne wyłącznie w próżni kosmosu, gdzie małe, ciągłe przyspieszenia mogą kumulować się przez miesiące lub lata w duże zmiany prędkości. Rakiety chemiczne są niezbędne, by pokonać grawitację Ziemi i opór atmosferyczny podczas startu.

Impuls właściwy (Isp) to ciąg wytwarzany na jednostkę wagowego przepływu paliwa, mierzony w sekundach. Wysoki Isp oznacza więcej ciągu na kilogram spalonego paliwa. Silniki jonowe osiągają Isp 2000-10 000 s w porównaniu do 300-450 s dla rakiet chemicznych, wymagając dziesięciokrotnie mniej paliwa dla tej samej zmiany prędkości — kluczowe dla długotrwałych misji kosmicznych.

Ksenon jest idealnym paliwem, ponieważ jest chemicznie obojętny (nie koroduje silnika ani zbiornika), ma dużą masę atomową (131 u), więc jony niosą znaczny pęd, jest gazem w temperaturze pokojowej, ale skrapla się pod umiarkowanym ciśnieniem dla gęstego magazynowania, i jest łatwo jonizowany przy umiarkowanej energii. Jest drogi, ale dostępny w wysokiej czystości z przemysłowej separacji powietrza.

Oba są elektrostatycznymi akceleratorami jonów wykorzystującymi ksenon, ale silniki Halla uwięzują elektrony w skrzyżowanym polu elektrycznym i magnetycznym (dryf Halla), wykorzystując je do jonizacji paliwa bez oddzielnej komory wyładowczej. Silniki Halla działają przy niższym Isp (~1000-3000 s), ale wyższej gęstości ciągu niż siatkowe silniki jonowe. Dominują w komercyjnych zastosowaniach satelitarnych dzięki prostszej konstrukcji.