Idea (6. Kosmolot): "US Space Orbiter Transporter Cargo"

Technologie, Nauka

Idea na rynku

W idei profuturo: ustawy Senatu US o wspieraniu rozwoju narodowych kompetencji kosmicznych poprzez realizację budowy międzyorbitalnych "Ziemia - Księżyc" kosmolotów transportowych cargo z napędem jonowym oraz projektów misji bezzałogowych eksportu maszyn i robotów na Księżyc wraz z metodą zdalnej koordynacji ich pracy na nim w ramach amerykańskiego systemu telemechaniki i telepracy kosmicznej, finansowanych metodą funduszy społecznościowych (crowdfunding).

Notka, podobnie jak poprzednia, ułożona jest w oparciu o rakietę Falcon 9 i możliwości zamówienia dostaw na orbitę LEO środków technicznych o masie 20 ton.
*
Poglądową ideą w tym ułożeniu jest ilustracja pojazdu kosmicznego w misji amerykańskich astronautów na Księżyc (link): 

*
W tej idei szkic:

Wirtualny, eksperymentalny, międzyorbitalny "LEO-LLO", bezzałogowy kosmolot towarowy cargo:

1. Wymagający rozwoju techniki - obecnie brak składników na rynku (parametry: silnik jonowy, panele PV).

Ilustracja ChatGPT: Kosmolot z napędem jonowym.

• Trzy odrębne silniki jonowe, każdy silniki jonowy:
  - o mocy 100 kW, sprawność silnika jonowego 70%.
  - wraz z stosownym podukładem zbiornika z ksenonem łączne rozmiary: 5 m średnicy i 8 m długość,
  - łączna, maksymalna, masa układu silnika i zbiornika z nośnikiem masy ("paliwo") 20 ton, lub zbiornik osobno o maksymalnej masie 20 ton wraz z nośnikiem masy, np. ksenonem.
• impuls właściwy ok. 13000 s //ChatGPT wskazuje stosowane silniki mające mniej, niż połowa tej wielkości//
• Nośnik wyrzucanej masy, np. ksenon (jony ksenonu).
  
• Panele PV (fotowoltaiczne):
  - powierzchnia 500 m²,
  - sprawność 60% /obecnie ChatGPT wskazuje o sprawność 20%/
  - moc: 1350 W/m²x 0,60 x 500 m² = 405 kW.
  
• Z przodu dołączony układ kontenera z ładunkiem (20 ton) wraz z lądownikiem (20 ton) i jego paliwem (20 ton) o łącznej maksymalnej masie 60 ton.
• W środku kosmolotu magazyn energii elektrycznej i inne niezbędne podkłady.

2. Wymagający rozwoju techniki - w oparciu o stosowane rozwiązania dostępne na rynku:

• Kosmolot towarowy cargo z trzema napędami jonowym.
• Ilość silników jonowych 15 (3 x 5): Każdy z trzech napędów jonowych wyposażony w 5 silników jonowych NEXT (dalszy opis oparty jest na tym modelu), sprawność silnika jonowego 70%.
• Moc: jednego silnika jonowego 6,9 kW, moc razem 15-stu silników jonowych 103,5 kW.
• Panele PV (fotowoltaiczne):
  - powierzchnia 750 m²,
  - sprawność 20%
  - moc: 1350 W/m² x 0,20 x 750 m² = 202 kW.
• Moc elektryczna dostępna dla napędu jonowego: 202 kW x 0,70 = 141,75 kW
• Z przodu dołączony układ kontenera z ładunkiem (20 ton) wraz z lądownikiem (20 ton) i jego paliwem (20 ton) o łącznej max. masie 60 ton
• W środku kosmolotu magazyn energii elektrycznej.
• Kosmolot wyposażony w ramie robotyczne.

Rys. Kosmolot z trzema modułami napędowymi, każdy składający się z pięciu silników jonowych NEXT:

*

1. ChatGPT:

Zadanie: Transporter towarowy cargo, jako pojazd kosmiczny bezzałogowy z napędem jonowym, wyposażony jest w 15 silników jonowych NEXT, których sprawność wynosi 70%, oraz w panele PV o powierzchni 750 metrów kwadratowych, których sprawność wynosi 20%. Na orbicie LEO ma masę 100 ton i rusza na orbitę LLO. Po dotarciu na orbitę LLO oddziela się od niego 40 ton i przemieszcza się z powrotem na orbitę LEO. Oblicz: Ile masy paliwa (ksenonu) pojazd potrzebuje na cały manewr? Jaka jest objętość tego paliwa? Oszacuj jak długo będzie trwała cała misją?

Masa ksenonu
Odpowiedź: Aby obliczyć masę ksenonu potrzebną do przeprowadzenia całego manewru (z orbity LEO na orbitę LLO i powrót na orbitę LEO), musimy skorzystać z równania Ciołkowskiego (równanie rakietowe). Wyrażenie to określa relację między zmianą prędkości, impulsu właściwego silników oraz stosunku mas początkowej i końcowej.

1. Dane wyjściowe:

• Impuls właściwy silników NEXT: Isp = 4190 s.
• Ciąg całkowity: 15 silników NEXT (każdy o ciągu 236 mN): Ciąg = 15 × 236 mN = 3540 mN = 3,54 N
• Zmiana prędkości (Delta-v) na trasie LEO-LLO. Z LEO (200 km) na LLO (około 100 km od powierzchni Księżyca): typowy Delta-v wynosi około 4200 m/s (przy założeniu manewru z pośrednim punktem Lagrange L1). Powrót z LLO na LEO: również około 4200 m/s. Łączna Delta-v:
  Δv_total = 2 × 4200 m/s = 8400 m/s.
• Masa początkowa (LEO):
  m0 = 100 ton = 100,000 kg.
• Masa końcowa (LLO):
  Na LLO oddziela się 40 ton, więc masa powrotna wynosi:
  mf = 100,000 kg − 40,000 kg = 60,000 kg
• Prędkość wydechu gazu (ksenonu) obliczamy z impulsu właściwego:
  v_e = Isp × g0= 4190 s × 9,81 m/s2 = 41,094 m/s

2. Równanie Ciołkowskiego:

Stosunek mas m0/mf​​: To oznacza, że stosunek mas wynosi 1,227, czyli masa początkowa (wraz z paliwem) jest o około 22,7% większa od masy końcowej (po zużyciu paliwa).

3. Masa paliwa:
Znając stosunek mas m0 / mf, możemy obliczyć masę paliwa:
m_paliwo = m0 − mf = 60,000 kg × (1,227−1) = 60,000 kg × 0,227 = 13,620 kg

Zatem, na cały manewr potrzebne będzie 13,620 kg ksenonu.

4. Objętość ksenonu:
Gęstość ciekłego ksenonu wynosi około ρ = 3,1 g/cm³ (lub 3100 kg/m³). Objętość ksenonu obliczamy jako:
V_ksenon = m_ksenon / ρ_ksenon = 13,620 kg / 3100 kg/m³ ≈ 4,39 m³

Ostateczne wyniki:

• Masa ksenonu potrzebna na manewr: 13,620 kg (13,62 tony).
  
• Objętość ksenonu: 4,39 m³.

Czas trwania misji:
Aby oszacować czas trwania misji kosmicznego transportera towarowego z napędem jonowym, składającej się z trasy z orbity LEO na orbitę LLO (Low Lunar Orbit) i powrotu, musimy rozważyć kilka parametrów:

Założenia i dane:

1, Silniki jonowe NEXT:

• Liczba silników: 15.
• Impuls właściwy: 4190 sekund.
• Ciąg pojedynczego silnika: 236 mN (miliniutonów).
  
• Łączny ciąg: 15 × 236 mN = 3540 mN = 3,54 N.

2. Moc paneli fotowoltaicznych:

• Powierzchnia: 750 m². 
• Sprawność paneli: 20%. 
• Przy sprawności paneli 20%, na LEO średnie nasłonecznienie wynosi około 1361 W/m² (stała słoneczna), ale uwzględniając straty, szacuje się, że około 30-40% energii dociera do paneli. Przyjmujemy wartość 1361 W/m². Moc generowana przez panele to: Moc = 750 m² × 1361W/m² × 0,20 = 204150W ≈ 204 kW.  Przy sprawności silników wynoszącej 70%, dostępna moc dla silników to: 204 kW × 0,70 =142,8 kW ≈ 142 kW.  Moc potrzebna dla jednego silnika NEXT to 6,9 kW, stąd mogłoby działać jednocześnie z pełną mocą: 142 kW / 6,9 kW​ ≈ 20 silników, to więcej niż 15 silników w rozważanym układzie, czyli każdy silnik napędu jonowego ma zapewnioną moc z paneli PV i zapewniony jest ciąg w tej sytuacji wynoszący:
  Ciąg = 15 × 236 mN = 3540 mN = 3,54 N.

3. Delta-v (zmiana prędkości) dla misji LEO-LLO:
Dla przelotu z LEO (Low Earth Orbit) na LLO (Low Lunar Orbit) delta-v wynosi około 4,2 km/s w jedną stronę i tyle samo w drugą. Zatem dla całej misji delta-v wynosi około 8,4 km/s.

Masa statku:

• Masa początkowa na LEO: 100 ton (100,000 kg).
• Po dotarciu na LLO masa zmniejsza się do 60 ton (60,000 kg) po oddzieleniu ładunku (40 ton).

Oszacowanie czasu trwania misji:

Równanie Ciągu i Przyspieszenia: Zgodnie z drugą zasadą dynamiki Newtona (F = ma), przyspieszenie statku kosmicznego wynosi: a = F / m,  gdzie F to siła ciągu, a m to masa pojazdu.

Faza lotu z LEO na LLO (masa początkowa 100 ton). Początkowe przyspieszenie pojazdu:

a1 = 3,54 N / 100.000 kg = 3,54 x 10^-5 m/s² 

Aby osiągnąć delta-v = 4,2 km/s (4200 m/s), czas potrzebny wynosi:

t1 = ​Δv​  / a1

t1 = 4200 m/s / 3,54 x 10^-5 m/s² ≈  118644068 s = 1373 dni

Faza lotu z LLO na LEO (masa początkowa 60 ton). Przyspieszenie pojazdu po oddzieleniu 40 ton ładunku:

a2 = 3,54 N / 60.000 kg = 0,575 x 10^-4 m/s²

Aby osiągnąć delta-v = 4,2 km/s (4200 m/s), czas potrzebny wynosi:

t2 = ​Δv​  / a2

t2 = 4200 m/s / 0,575 x 10^-4 m/s² ≈ 73043478 s = 845,4 dni

Całkowity czas misji to suma czasu przelotu z LEO na LLO i z powrotem:

t_całkowity= t1 + t2 ≈ 1373 dni + 845,4 dni = 2218,4 dni (~6 lat ?!).

-

//

ChatGPT wyliczył, że dla dwóch działających silników jonowych (Ciąg = 2 × 236 mN = 472 mN =0,472 N), czyli o wiele mniejszy ciąg, niż 15-stu silników, całkowity czas misji wynosi: t_całkowity= t1 + t2 ≈ 10,3 dni + 6,18 dni = 16,48 dni. Działanie tylko dwóch silników tak wyliczył:

Zatem czy ChatGPT w przypadku działania 2 silników jonowych wyliczył wartości t1 i t2 tysiąckrotnie pomniejszone?

//
*
2. ChatGPT:

Pytanie: Czy jest możliwe zastosowanie kilku silników jonowych NEXT w tandemie, np. napęd jonowy złożony z 5 silników NEXT, ułożonych jeden w środku i cztery wokoło niego na krzyż?

Odpowiedź: Tak, jest możliwe zastosowanie kilku silników jonowych NEXT w tandemie, np. w konfiguracji z 5 silnikami, gdzie jeden znajduje się w środku, a cztery wokół niego w układzie "krzyżowym". Taka konfiguracja ma kilka zalet i wyzwań, które warto wziąć pod uwagę:

Zalety:

1. Zwiększony ciąg: Każdy silnik jonowy NEXT generuje około 236 mN ciągu. Przy zastosowaniu pięciu silników, łączny ciąg wyniesie:

F_{całkowity​} = 5 × 236 mN = 1180 mN = 1,18 N

To znacząco zwiększa możliwości napędowe, co pozwala na szybsze transfery orbitalne i przemieszczanie większych mas.

2. Redundancja: W przypadku awarii jednego z silników, pozostałe mogą nadal pracować, co zwiększa niezawodność misji. System taki jest bardziej odporny na uszkodzenia niż pojedynczy silnik.

3. Elastyczność operacyjna: Możliwość kontrolowania poszczególnych silników umożliwia regulację ciągu w zależności od potrzeb misji, np. dla oszczędności paliwa można włączyć tylko część silników.

Wyzwania:

1. Zasilanie: Każdy silnik NEXT wymaga do pracy około 6,9 kW mocy. Zatem dla pięciu silników potrzeba:

P_całkowite ​= 5 × 6,9 kW = 34,5 kW

To oznacza, że układ będzie wymagał wydajnego systemu zasilania, takiego jak panele fotowoltaiczne o dużej powierzchni, baterie lub reaktor jądrowy. Panele słoneczne na orbicie LEO o sprawności 20% i potrzebnej mocy będą musiały mieć dużą powierzchnię, aby dostarczyć tę ilość energii.

2. Złożoność inżynieryjna: Konfiguracja z wieloma silnikami wymaga bardziej zaawansowanego systemu zarządzania przepływem ksenonu, aby rozdzielać gaz równomiernie między wszystkie silniki. Dodatkowo, system sterowania i kontrola położenia muszą być zoptymalizowane, aby uwzględnić pracę wielu silników jednocześnie.

3. Rozpraszanie ciepła: Zwiększona liczba silników oznacza większą ilość generowanego ciepła. Na niskiej orbicie okołoziemskiej oraz w przestrzeni międzyorbitalnej pojazd kosmiczny musi posiadać odpowiednie systemy do rozpraszania ciepła, aby nie doszło do przegrzania.

4. Struktura nośna: Umieszczenie pięciu silników wymaga odpowiedniej konstrukcji nośnej, która zapewni stabilność i równomierne rozłożenie sił podczas pracy. Struktura musi być jednocześnie lekka i wytrzymała, aby zminimalizować dodatkową masę, niezbędną do utrzymania silników w odpowiedniej konfiguracji.

Przykłady zastosowań:

• Duże misje transportowe: Takie układy mogą być stosowane w kosmicznych transporterach towarowych lub pojazdach dostarczających duże ładunki między orbitami, np. między LEO a LLO (Low Lunar Orbit).
• Misje dalekosiężne: W misjach międzyplanetarnych, gdzie wymagany jest bardzo wysoki impuls właściwy i długotrwały ciąg, system z wieloma silnikami jonowymi może znacząco skrócić czas podróży.

Wnioski:
Konfiguracja z pięcioma silnikami jonowymi NEXT w układzie "krzyżowym" jest technicznie wykonalna i może przynieść wiele korzyści, szczególnie w misjach wymagających dużej mocy napędowej oraz elastyczności w operacjach. Jednakże wymaga odpowiedniego wsparcia w postaci zasilania, chłodzenia oraz zaawansowanego systemu zarządzania napędem.
*
3. ChatGPT (układ napędu jonowego składający się z 5-ciu silników NEXT):

Pytanie: Złóż w jeden układ napędowy 5 silników NEXT, ułożone jeden w środku i cztery wokoło niego, bez zbiorników z ksenonem. Oszacuj jaka byłaby masa takiego układu, moc, rozmiar, objętość, sprawność, impuls właściwy, ciąg, koszt? Czy takim napędzie wszystkie silniki jonowe razem mogłyby korzysta jednego układu zbiornika z ciekłym ksenonem? Przyjmij średnią międzyorbitalną LEO-LLO: Ile metrów powierzchni musiałyby mieć panele PV o sprawności 0,20%, aby dostarczały potrzebną dla takiego napędu energię elektryczną, jeżeli jego sprawność wynosiłaby 0,70%?

Silniki NEXT to jonowe silniki elektryczne, które bazują na przepływie ksenonu jako gazu roboczego, wykorzystywanego do wytwarzania ciągu za pomocą jonizacji i przyspieszania jonów za pomocą pól elektrycznych. Poniżej podam odpowiednie dane dotyczące układu napędowego składającego się z pięciu silników NEXT:

1. Masa układu napędowego
Pojedynczy silnik NEXT ma masę około 236 kg. Dla pięciu silników łączna masa układu napędowego wynosi: Masa całkowita = 5 × 236 kg = 1180 kg.

2. Moc
Pojedynczy silnik NEXT potrzebuje mocy około 6,9 kW (maksymalna moc). Dla pięciu silników:
Moc całkowita = 5 × 6,9 kW = 34,5 kW

3. Rozmiar i objętość

• Typowy silnik NEXT ma wymiary w przybliżeniu 51 cm średnicy i 41 cm wysokości.
• Dla układu pięciu silników, przy założeniu ułożenia w formacji „krzyżowej” (jeden silnik w środku, cztery wokoło niego), rozmiar układu może wynosić około 1,5 m średnicy.
• Objętość układu (pomijając osprzęt) można oszacować jako: Objętość ≈ 5 × objętość pojedynczego silnika ≈ 5 × (0,25 m³) = 1,25 m³

4. Sprawność

• Sprawność energetyczna silników NEXT wynosi około 70%.
• Zakładamy, że cała energia dostarczona do napędu jest wykorzystana do generowania ciągu z efektywnością 70%.

5. Impuls właściwy

• Impuls właściwy silnika NEXT wynosi 4190 s.
• Impuls właściwy dla układu pięciu silników pozostaje taki sam, ponieważ jest to właściwość pojedynczego silnika.

6. Ciąg

• Pojedynczy silnik NEXT generuje ciąg około 236 mN.
• Dla pięciu silników łączny ciąg wynosi: Ciąg całkowity = 5 × 236 mN = 1180 mN

7. Koszt

• Szacunkowy koszt jednego silnika NEXT wynosi około 20 milionów USD.
• Dla pięciu silników koszt układu wynosi:
  Koszt całkowity = 5 × 20 mln USD = 100 mln USD

8. Zbiornik ksenonu
Tak, pięć silników jonowych mogłoby korzystać z jednego centralnego zbiornika ciekłego ksenonu, o ile rozdzielczość przepływu ksenonu do poszczególnych silników jest dobrze zaprojektowana. System dystrybucji musiałby być zoptymalizowany pod kątem równomiernego dostarczania ksenonu.

9. Panele fotowoltaiczne

Zakładając, że silniki mają sprawność 70%, a zapotrzebowanie energetyczne układu wynosi 34,5 kW, to zapotrzebowanie na energię elektryczną wynosi: Zapotrzebowanie = 34,5 kW​ / 0,70 = 49,29 kW. Przy sprawności paneli fotowoltaicznych wynoszącej 20%, potrzebna moc na jednostkę powierzchni wynosi: Moc na jednostkę powierzchni = 0,20 kW / m². Zatem powierzchnia paneli potrzebna do dostarczenia 49,29 kW wynosi: Powierzchnia paneli = 49,29 kW ​/ (0,20 kW/m²) = 246,45 m²

Podsumowanie:

• Masa układu napędowego (5 silników jonowych NEXT): 1180 kg
• Moc: 34,5 kW
• Rozmiar: Średnica ok. 1,5 m, objętość 1,25 m³
•  Sprawność: 70%
• Impuls właściwy: 4190 s
• Ciąg: 1180 mN
• Koszt: 100 mln USD
• Zapotrzebowanie na panele PV: 246,45 m²

*
4. ChatGPT:

Pytanie: Jaką masę mogą mieć panele PV o powierzchni 750 metrów kwadratowych na orbicie LEO?

Odpowiedź: Na orbicie LEO (Low Earth Orbit) panele fotowoltaiczne są zaprojektowane z myślą o minimalnej masie przy jednoczesnym zachowaniu wytrzymałości i wydajności. Współczesne panele satelitarne używane w przestrzeni kosmicznej mają masę w zakresie od 2 do 5 kg/m², w zależności od technologii i konstrukcji nośnej.

Oszacowanie masy paneli PV o powierzchni 750 m²:

- Dla lekkich paneli kosmicznych o masie 2 kg/m²:

2 kg/m2 x 750 m2 = 1500 kg

-  Dla cięższych, bardziej wytrzymałych paneli o masie 5 kg/m²:

5 kg/m2 x 750 m2 = 3750 kg

Szacunkowa masa: 1500 kg – 3750 kg dla paneli o powierzchni 750 m² na orbicie LEO.

Ta masa obejmuje nie tylko same ogniwa fotowoltaiczne, ale również konstrukcje wsporcze, systemy rozkładania oraz elementy zabezpieczające przed warunkami kosmicznymi, takimi jak promieniowanie słoneczne i mikrometeoryty.

*
5. ChatGPT:

Pytanie: Jak impuls właściwy silnika jonowego zależy od jego mocy? Jeżeli silnik jonowy ma impuls właściwy równy 3000 s i moc 5 kW, to jaki miałby impuls właściwy silnik jonowy o mocy 100 kW?

Odpowiedź: Impuls właściwy (Isp​) silnika jonowego zależy głównie od prędkości wyrzutu cząstek, a ta z kolei od energii kinetycznej, którą cząstki otrzymują w trakcie procesu przyspieszania. Moc silnika jonowego wpływa na ilość energii dostępnej do przyspieszenia jonów, a zatem na ich prędkość wyrzutu i pośrednio na impuls właściwy.

Przy założeniu, że wszystkie inne parametry (np. masa przepływającego paliwa, napięcie przyspieszające) pozostają stałe, impuls właściwy silnika jonowego można powiązać z mocą przy pomocy zależności od prędkości wyrzutu gazu, ponieważ prędkość wyrzutu v_e jest proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z energii kinetycznej, a energia kinetyczna jest proporcjonalna do mocy.

Zatem zależność między impulsem właściwym a mocą jest przybliżona jako:

Isp ∝ P

gdzie P to moc silnika. Na tej podstawie możemy oszacować, jak zmieni się impuls właściwy, gdy moc silnika wzrośnie z 5 kW do 100 kW.

Krok 1: Obliczenie współczynnika zmiany mocy
Stosunek mocy nowego silnika do starego to:

P2 / P1 = 100 kW / 5 kW = 20

Krok 2: Zastosowanie zależności między mocą a impulsem właściwym
Impuls właściwy zależy od pierwiastka kwadratowego z mocy, więc możemy obliczyć nowy impuls właściwy jako:

Odpowiedź:
Silnik jonowy o mocy 100 kW miałby impuls właściwy wynoszący około 13,410 sekund, przy założeniu, że wszystkie inne parametry pozostałyby takie same.
*
6. ChatGPT:

Pytanie: Jak można teoretycznie lub praktycznie zwiększyć ciąg i impuls właściwy silnika jonowego? Co trzeba byłoby zmienić w jego konstrukcji, aby osiągnąć wyższe wartości tych parametrów?

Odpowiedź:
Zwiększenie ciągu i impulsu właściwego w silnikach jonowych (a także innych napędach elektrycznych) jest wyzwaniem technologicznym, ponieważ oba parametry są ściśle związane z projektowaniem silnika oraz fizycznymi ograniczeniami materiałów i dostępnych źródeł energii. Można to jednak osiągnąć teoretycznie i praktycznie, stosując różne metody.

Jak zwiększyć ciąg w silniku jonowym?

1. Zwiększenie prędkości wyrzucanych jonów: Ciąg silnika jonowego zależy od prędkości wyrzutu jonów. Aby zwiększyć prędkość jonów, można:

• Zwiększyć napięcie przyspieszające jony: Większe napięcie przyspieszające (elektrody przyspieszające jony) pozwala na nadanie jonów wyższej prędkości, co zwiększa ich energię kinetyczną i w konsekwencji ciąg. Wiąże się to jednak ze zwiększonym zapotrzebowaniem na energię elektryczną.
• Poprawić wydajność siatki przyspieszającej: Siatki przyspieszające mogą być zoptymalizowane, aby zminimalizować straty energii i zwiększyć efektywność w generowaniu ciągu.

2. Zwiększenie przepływu masy jonów:

• Zwiększenie liczby wyrzucanych jonów na jednostkę czasu: Większy przepływ masy (więcej jonów wyrzucanych w danej chwili) prowadzi do zwiększenia ciągu. Można to osiągnąć, zwiększając natężenie prądu wytwarzającego plazmę, a tym samym zwiększając liczbę jonów dostępnych do przyspieszenia.
• Większe komory generujące plazmę: Większe komory mogą pomieścić więcej plazmy, co prowadzi do wyższego przepływu jonów.

3. Zastosowanie silników wielo-modułowych: W niektórych przypadkach możliwe jest zastosowanie kilku silników jonowych w tandemie, aby sumować ich ciąg. To pozwala na zwiększenie łącznego ciągu pojazdu kosmicznego, choć nadal ogranicza impuls właściwy.

Jak zwiększyć impuls właściwy w silniku jonowym?

1. Zwiększenie prędkości wyrzutu jonów: Wysoki impuls właściwy zależy od prędkości wyrzutu masy (zgodnie z równaniem Ciołkowskiego). Aby zwiększyć prędkość jonów:

• Zwiększenie napięcia przyspieszającego: Wyższe napięcie pozwala na uzyskanie większych prędkości jonów, co zwiększa impuls właściwy, ale przy niższym ciągu.
• Zoptymalizowanie rodzaju używanego gazu: Gazy o wyższej masie atomowej (jak ksenon) są często stosowane ze względu na ich efektywność, ale w teorii gazy o niższej masie atomowej mogłyby dawać wyższe prędkości wyrzutu, co zwiększa impuls właściwy.

2. Zastosowanie bardziej zaawansowanych plazmowych źródeł energii: Możliwe jest zwiększenie efektywności jonizacji oraz optymalizacja źródeł energii używanych do przyspieszania jonów, co pozwala na osiągnięcie wyższych wartości impulsu właściwego przy zachowaniu odpowiedniego zużycia energii.

3. Zmiana gazu roboczego: Wprowadzenie lżejszych gazów (np. argonu lub kryptonu zamiast ksenonu) może teoretycznie zwiększyć impuls właściwy, ponieważ lżejsze gazy mogą być przyspieszane do wyższych prędkości. Trzeba jednak rozważyć koszty związane z efektywnością takiego paliwa oraz trudnościami w jonizacji.

4. Zastosowanie lepszych materiałów do komór jonizacyjnych: Nowoczesne materiały, które są bardziej odporne na erozję i wysokie temperatury, mogą pozwolić na stosowanie wyższych napięć i dłuższe czasy pracy, co pozytywnie wpływa na zwiększenie zarówno ciągu, jak i impulsu właściwego.

Co trzeba zmienić w konstrukcji silnika?

1. Zwiększenie dostępnej mocy: Większa moc dostarczana do silnika jonowego pozwala na generowanie większych ciągów i wyższych prędkości wyrzutu jonów. Aby to osiągnąć:

• Należy zastosować większe lub bardziej efektywne źródła energii, takie jak większe panele słoneczne lub bardziej wydajne reaktory nuklearne (np. reaktory radioizotopowe).
• Wymaga to również zastosowania bardziej efektywnych układów chłodzenia, aby odprowadzać nadmiar ciepła.

2. Lepsza optymalizacja konstrukcji siatki przyspieszającej jony: Optymalizacja rozkładu pól elektrycznych w siatkach przyspieszających pozwoliłaby na efektywniejsze przyspieszanie jonów. Lepsze materiały siatek mogłyby pozwolić na wyższe napięcia i mniejsze zużycie materiału w czasie pracy.

3. Udoskonalenie układu sterowania strumieniem jonów: Poprawa kontroli nad strumieniem jonów i bardziej precyzyjne kierowanie ich wyrzutu mogłoby zwiększyć sprawność i ciąg.

Przykłady praktyczne

• Silniki Hall-effect (które są podobne do silników jonowych) osiągają wyższy ciąg kosztem nieco niższego impulsu właściwego dzięki innym mechanizmom generowania plazmy.
• Silniki NEXT (NASA's Evolutionary Xenon Thruster) to obecnie jedne z najnowocześniejszych silników jonowych, które osiągnęły wysokie wartości impulsu właściwego, ale ciąg pozostaje stosunkowo niski.

Podsumowanie:
Zwiększenie ciągu i impulsu właściwego w silnikach jonowych wymaga innowacji w zakresie projektowania samego napędu, jak również udoskonaleń w źródłach energii, materiałach konstrukcyjnych i optymalizacji procesu przyspieszania jonów.

*

Ilustracja ChatGPT