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!
