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