Kosmické pohony II.

Fyzikální pohony
nejsou scifi
Plazma, jaderná energie,
fotony a jiné koně pod kapotou
Jaroslav Kousal
Úkol pro prapra...vnuky
Kapitáne,
přišli jsme o warp!
Přejděte na impuls!
Honba za specifickým impulsem
Ciolkovského rovnice
•
– m0 – vč.paliva
– m1 – po spotřebování paliva
100
LOX / Kerosin
m0
 v=I sp ln
m1
LOX / LH2
t.č. konstrukčně
nerealizovatelné
∆ v [km/s]
10
Země – LEO
LEO –
translunární dráha
Apollo
1
0.1
Palivo tvoří
90%
50%
10%
hmotnosti
1000
10000
Isp [N.s/kg]
100000
Sojuz TMA
Zadarmo ani motor nehrabe
•
Nepatrná špetka fyziky...
p
m
=v ext
t
t
F
specifický impuls I sp =
=v ext
 m/ t
2
P 0 1  E 1 1  m v ext 1  p ext
1
příkon P= =
=
=
v ext =
F I sp
  t  2 t
2 t
2
tah F =
2P
F=
I sp
•
POHON S VYŠŠÍM Isp VYŽADUJE PRO DOSAŽENÍ STEJNÉHO
TAHU VYŠŠÍ PŘÍKON! (při zachování účinnosti)
Kosmické pohony – status quo
1M
tah [N]
1k
chemické
TPH
KPH
.
FYZIKA
1
1m
1µ
1000
10000
100000
-1
specifický impuls [N.s.kg ]
Kosmické pohony – status quo
1M
jaderné
tah [N]
1k
chemické
TPH
1
arcjety
plynové
PPT
a
koloidní
1000
elektromagnetické
(plazmové)
elektrostatické
(iontové)
resistojety
1m
1µ
KPH
FEEP
10000
100000
-1
specifický impuls [N.s.kg ]
.
Kosmické pohony – status quo
1M
jaderné
tah [N]
1k
chemické
TPH
1
arcjety
plynové
PPT
a
koloidní
1000
elektromagnetické
(plazmové)
elektrostatické
(iontové)
resistojety
1m
1µ
KPH
FEEP
10000
MW
kW
W
100000
-1
specifický impuls [N.s.kg ]
.
Kosmické pohony II
•
•
Charakteristiky
Chemické pohony
– jednosložkové, dvousložkové, na pevná paliva
→ Kosmické pohony I.
•
Fyzikální pohony
– plynové
– elektrické
•
•
•
•
•
resistojety
arcjety
pulzní
elektrostatické
Hallovy
– gravitační manévry
• gravitační prak
• chaotické trajektorie
– nepoužívané, neověřené a hypotetické koncepty
• jaderné, plazmové, koloidní, autoemisní, laserové, sluneční / magnetická plachta,
tethery, ostatní
Charakteristiky
Pohony pro oběžnou dráhu Země a dále
Pracují ve vakuu
Podle požadavků na tah
• Manévry vyžadující velký tah (rychlé manévry, motorické přistání)
– zejména chemické pohony
•
Manévry, kdy postačuje zrychlení << 1g (orientace/stabilizace,
mezipl. přelety, kompenzace driftu na GEO)
– fyzikální pohony bývají výhodnější
Podle účelu
• orientace / stabilizace
– přesnost, spolehlivost
– obvykle pulzní
•
hlavní pohon
– požadováno velké ∆v → velký Isp výhodou
– doba provozu desítky min - tisíce hod (kvazi)kontinuálně
Chemické pohony
•
•
Využívají energii chemických reakcí
Vysoké Isp vyžaduje dosažení vysokých teplot a malé Mr spalin
– (reálné maximum cca 4500 N.s.kg-1 pro vodík-kyslík)
•
tuhé pohonné hmoty
–
–
–
–
kolem 2500 N.s.kg-1
nerestartovatelné
jednoduché, spolehlivé
urychlovací stupně
ATK Thiokol STAR48B
Chemické pohony
•
kapalné pohonné hmoty
– jednosložkové
N2H4
EADS CHT-2, tah 0,6-2N
např. Giotto, Meteosat
• zejména hydrazin (N2H4, toxický)
katalyticky rozkládaný
-1
• Isp cca 2300 N.s.kg , tah od stovek mN
• velmi spolehlivé, mohou být pulzní
– dvojsložkové
• samozážehové (hypergolické) skladovatelné, toxické
• vyžadující zážeh - vyšší Isp, obvykle
kratší skladovatelnost
• 3000-4500 N.s.kg-1
•
hybridní
• pro pohony vyšších stupňů zatím
nepoužívané
MON + MMH
EADS S10-01, tah 10N
např. Galileo, Eutelsat
Fyzikální pohony
•
•
•
•
Nevyužívají obvykle energii chemických reakcí
Obvykle vyžadují vysoký příkon, popř. externí zdroj → horší F/m
Mohou dosahovat vysoké Isp bez vysokých teplot
V současnosti primární využití pro orientaci/stabilizaci
Plynové tlakové motorky
•
•
•
•
"(Cold) Gas Thrusters"
konstrukčně jednoduché, spolehlivé
vhodné pro orientaci/stabizaci, ne jako hlavní pohon
Pracovní látka:
stlačený plyn (N2, He, freony)
•
skladovací tlak ≈ 100-300 atm, pracovní několik atm
Isp ≈700 N.s.kg-1 (N2) (400-1600 N.s.kg-1)
•
•
•
Tah typicky desítky - stovky mN, příkon ≈ W
nejmenší impuls ≈ 1-10 mN.s
miniaturizované verze
Marotta U.K.
Jaderné pohony
•
•
Místo chemiské energie ohřev paliva průchodem přes jaderný reaktor
pracovní látka - H2, nejmenší Mr
•
•
•
•
s pevným jádrem Isp=8500 N.s.kg-1
tah / hmotnost cca 1-10
pozemní testy až 1 MN
opuštěno
Jaderné pohony
Elektrické pohony
•
•
•
•
potřebný velký příkon, malý tah (≈10-1 N / kW)
většinou vysoký Isp
často náročné na materiály
Základní rozdělení:
– elektrotermální - resistojet, arcjet, RF/mikrovlnný ohřev
• založeny na přeměně elektrické energie v teplo předané pracovní látce
• Isp ≈ 3000 - 10000 N.s.kg-1
– elektrostatické - elektronový bombard, Hallův jev, autoemisní, koloidní
• hlavní tah dělají ionty urychlené elektrickým polem
• Isp ≈ 10 000 - 50 000 N.s.kg-1
• velmi malý tah
– elektromagnetické (plazmové) - pulzní, magnetoplazmadynamické
• efekty kombinací elektrického a magnetického pole
• Isp ≈ 5 000 - 100 000 N.s.kg-1
• velký (okamžitý) příkon
Resistojety
•
•
•
•
•
elektrotermální pohon
pracovní látka zahřívána průchodem elektrickým topným tělesem
může být použit pro zlepšení Isp plynových motorků (N2 1000 N.s.kg-1)
nebo jednosložkových chemických pohonů (hydrazin 3500 N.s.kg-1)
dobrá účinnost (80%), téměř libovolná pracovní látka
Isp limitován materiálem topného tělesa, tah i dostupným výkonem
Surrey Satellite Technology
Arcjety
•
•
•
•
•
•
•
elektrotermální pohon
pracovní látka zahřívána průchodem stabilizovaným obloukem na
teplotu ≈10000K
hydrazin 6000 N.s.kg-1
vysokoteplotní materiály (W, Th-W)
stovky W až kW, účinnost ≈40%
pro testování tepelných štítů na Zemi ≈ 100MW
podobné – plazmatrony (plazmové nástřiky, plazmové řezání)
Univ.Stuttgart
Zatím nejsilnější elektrický pohon
•
letový – ESEX (1999)
– na sondě ARGOS
– 26kW, 7800 N.s/kg, 2N
– test 2000s celkem
Arcjet NASA/Ames
Elektrostatické iontové pohony
•
První úvahy již na začátku 20. století
•
Impuls je zejména předáván selektivně kladným iontům urychleným
elektrostatickým polem
Elektrony zvlášť pro neutralizaci toku částic
•
•
•
•
•
•
Isp 12000 - 70000 N.s.kg-1
•
zatím nejúspěšnější typy pohonu s vysokým Isp
účinnost 0,4-0,7
velký příkon, malý tah (≈50 mN / kW)
vhodné pro orientaci/stabilizaci
jako hlavní pohon: trajektorie s malým tahem jsou méně efektivní, ale
pro delší mise je velké Isp naprosto převažující
– iontový motor s urychlovací mřížkou
– motor s Hallovým efektem (lze řadit i k elektromagnetickým pohonům)
Iontový motor s urychlovací mřížkou
•
•
Isp 20000 - 70000 N.s.kg-1 (nejvyšší z „běžných“ typů pohonů)
Ionty urychleny dvojicí mřížek s velkým rozdílem potenciálů
např. ∅ 20 cm, d=1 mm
•
Iontový
motor
mřížkou
maximální rychlost
iontů s urychlovací
hodin
• životnost přes 20000
•
•
•
•
•
•
omezení prostorovým nábojem
maximální tah / plocha závisí na
urychlovacím napětí a
vzdálenosti mřížek
≈ 1-5 N/m2 (při 105 W/m2)
při stejném Isp pracovní látka s
vyšším M dává vyšší tah
požadavek snadné ionizace
→ obvykle Xe
•
reálná účinnost 0,6-0,7
eroze mřížek
Iontový motor s urychlovací mřížkou
•
•
testy a použití od 70. let 20. století
první meziplanetární sonda s iontovým motorem (NSTAR) jako
hlavním pohonem - Deep Space 1 (1998)
– Xe (spotřebováno 73 kg, startovní hm. sondy 486 kg), ∅30 cm, 1280 V, 31500
N.s.kg-1, 20mN (500W) - 90mN (2300W), 16265 hodin, ∆v 5 km.s-1
•
Hayabusa - k planetce Itokawa 2005 - ECR ionizace, 4x20 mN
Iontový motor s urychlovací mřížkou
•
Dawn - start 2007 - přelet k planetkám Vesta a Ceres vč. orbity
GOCE (ESA) - start 2009 -kompenzace negravitačních vlivů(2x20mN)
Iontový motor s Hallovým efektem
•
•
•
•
drift náboje ve zkříženém elektrickém a magnetickém poli
Isp 12000-25000 N.s.kg-1
vyšší hustota tahu
radiální magnetické pole → E x B drift zachycuje elektrony, tím
zvyšuje ionizaci a zesiluje elektrické pole
„Stationary Plasma Thruster“
Iontový motor s Hallovým efektem
•
•
•
•
•
účinnost 0,4-0,6
vhodný jako hlavní pohon
zejména pro vyšší výkony jednodušší a kompaktnější než mřížkové
iontové motory, mírně vyšší F/P, horší směrovost
pracovní látka - obvykle Xe
problém - eroze stěn výbojového kanálu, nestability
J.P.Boeuf
Iontový motor s Hallovým efektem
•
•
vývoj menších motorů zejména v Rusku v 70.letech
SMART-1 (2003) k Měsíci - motor PPS1350 - ∅10cm, max. 1200W,
max. 70mN, 16100 N.s.kg-1, 5000 h, ∆v 4 km.s-1
Koloidní a FEEP pohony
•
•
•
podobné jako mřížkový iontový motor
velmi malé výkony a tahy (od µN)
Koloidní
– elektrosprej v nabité vodivé kapalině
– 5000-15000 N.s.kg-1
•
FEEP (Field Emission Electrostatic Propulsion)
– ionizace polem, použitelný s Cs a In
– 50000 N.s.kg-1
Pulzní plazmové motorky (PPT)
•
•
•
•
Loretzova síla
spolu s tepelnou expanzí "vystřelí"
plazma vzniklé erozí tyčinky paliva, obvykle teflonu (pevné palivo)
Isp - 6000-14000 N.s.kg-1
pulz 10µs, 1 Hz, stř.P - desítky W, stř.tah - stovky µN, účinnost <0,1
spolehlivé, pro orientaci a stabilizaci
Zakrzwski et.al.
•
•
•
•
•
•
Magnetoplazmadynamické pohony
s externím magnetickým polem nebo s polem samotným plazmatem
Isp 10000-100000 N.s.kg-1
příkon kW až MW, velmi kompaktní - 0,1-1 N.cm2
efektivita stoupá s výkonem, tah teoreticky až stovky N
problém - životnost
test - EPEX (při STS-72) 1kW
Elektrotermální s vf/vvf ohřevem
•
•
•
Ohřev plazmatu RF nebo mikrovlnným elektromagnetickým polem
může využít expanze plazmatu v magnetické trysce
koncept VASIMR (VAriable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket)
-1
– teoreticky Isp 30000 - 300000 N.s.kg (nepřímo k tahu)
– možnost využít „pomalých“ i „rychlých“ trajektorií
S dálkovým přenosem energie
•
•
obvykle s přímou termální přeměnou
např. solární, laserové
Gravitační manévry
•
•
•
Hohmannovské dráhy jsou nejefektivnější přechody mezi dvěma
kruhovými dráhami kolem jednoho tělesa
za využití gravitačního pole dalších těles je možné najít i energeticky
efektivnější dráhy, obvykle za cenu delšího přeletového času
Hlavní typy
– gravitační manévr (gravitační prak) - „čerpání“ hybnosti při blízkém průletu
– chaotické dráhy - pomalé přelety mezi Lagrangeovými body
Mariner 10, 1973/4
Gravitační prak
•
•
Využití hybnosti planety (měsíce) při blízkém průletu
Velké úspory ∆v, obvykle za cenu prodloužení přeletového času
„Velká cesta“ - Voyager 1 a 2
Gravitační prak
Příklady
• Sonda Cassini k Saturnu
– Hohmannovské
∆v=15,7 (10,4) km/s,
doba letu 6 let
– s využitím gravitačních manévrů
Venuše-Venuše-Země-Jupiter
∆v=2 (1,1) km/s,
doba letu 6,7 roku
•
Sonda Messenger k Merkuru
– 6 (!) gravitačních manévrů
(1xZemě, 2xVenuše, 3xMerkur)
– celkem 97 měsíců vs.
Hohmann 3 měsíce
Chaotické dráhy
•
•
•
•
„Interplanetary Transport Network“
trajektorie mezi Lagrangeovýmí libračními body L1-L3 různých planet
zanedbatelná spotřeba paliva pro přechody mezi libračními body,
velice dlouhé přeletové časy, málo vhodných startovacích oken
např. ISEE-3/ICE, Genesis
Sluneční plachta
•
•
•
využívá tlak záření (u Země 4,43.10-6 Pa), bez paliva
velká odrazná plocha, minimální hmotnost
pro praktické využití nutno vyvinout co nejlehčí odrazivé fólie
foton: p=E/c
Ikaros (JAXA) - 2010
Nanosail-D (NASA) / Lightsail-1 (PlanSoc.)
Nejen pohon
•
Echo I (1960), Echo II (1964)
– vliv záření na „balónovou“ retranslační družici
•
Mariner 10 (1973)
– udržování směru natočení
Gravitační tethery
•
•
•
předávání momentu hybnosti s využitím rozdílů oběžných rychlostí na
různých drahách
pro efektivní použití vyžadují desítky km dlouhá lanka
např. experiment Fotino (2007)
Elektromagnetické tethery
•
•
•
•
„orbitální dynamo“
buď čerpání energie na úkor oběžné rychlosti nebo naopak
nutnost „uzavřít obvod“ přes ionosféru
testy např TSS-1R (1996)
Další koncepty
•
Magnetická plachta, kosmický výtah, atd.
Děkuji za pozornost!