Napęd statku kosmicznego

Zdalna kamera rejestruje zbliżenie RS -25 podczas próbnego strzelania w Centrum Kosmicznym im. Johna C. Stennisa w hrabstwie Hancock w stanie Mississippi .

silniki rakietowe systemu kontroli reakcji Apollo Lunar Module (RCS)

Napęd statku kosmicznego to dowolna metoda używana do przyspieszania statku kosmicznego i sztucznych satelitów . Napęd kosmiczny dotyczy wyłącznie systemów napędowych używanych w próżni kosmicznej i nie należy go mylić z startem kosmicznym lub wejściem do atmosfery .

Opracowano kilka metod pragmatycznego napędu statków kosmicznych, z których każda ma swoje wady i zalety. Większość satelitów ma proste, niezawodne chemiczne silniki odrzutowe (często rakiety z jednym napędem ) lub rakiety oporowe do utrzymywania stacji orbitalnych , a niektóre wykorzystują koła pędu do kontroli położenia . Satelity bloku sowieckiego wykorzystywały napęd elektryczny od dziesięcioleci, a nowsze zachodnie statki kosmiczne geoorbitujące zaczynają wykorzystywać je do utrzymywania stacji północ-południe i podnoszenia orbity. Pojazdy międzyplanetarne również w większości wykorzystują rakiety chemiczne, chociaż kilka z nich używało pędników jonowych i pędników z efektem Halla (dwa różne rodzaje napędu elektrycznego ) z wielkim sukcesem.

Hipotetyczne technologie napędowe w przestrzeni kosmicznej opisują technologie napędowe, które mogą zaspokoić przyszłe potrzeby nauki i eksploracji kosmosu . Te technologie napędowe mają zapewnić skuteczną eksplorację Układu Słonecznego i pozwoli projektantom misji planować misje „latać w dowolnym miejscu i czasie oraz realizować szereg celów naukowych w miejscach docelowych” oraz z większą niezawodnością i bezpieczeństwem. Przy szerokiej gamie możliwych misji i potencjalnych technologii napędowych pytanie, które technologie są „najlepsze” dla przyszłych misji, jest trudne. Należy opracować portfolio technologii napędowych, aby zapewnić optymalne rozwiązania dla różnorodnych misji i miejsc docelowych.

Cel i funkcja

Napęd kosmiczny zaczyna się tam, gdzie kończy się górny stopień rakiety nośnej ; wykonywanie funkcji napędu podstawowego , kontroli reakcji , utrzymywania pozycji , precyzyjnego wskazywania i manewrowania orbitalnego . Główne silniki używane w kosmosie zapewniają główną siłę napędową do przenoszenia orbity , trajektorii planetarnych oraz lądowania i wznoszenia się planet pozaplanetarnych . Systemy kontroli reakcji i manewrowania orbitą zapewniają siłę napędową do utrzymania orbity, kontroli pozycji, utrzymywania stacji i kontroli położenia statku kosmicznego.

W przestrzeni kosmicznej celem układu napędowego jest zmiana prędkości lub v statku kosmicznego. Ponieważ jest to trudniejsze w przypadku masywniejszych statków kosmicznych, projektanci na ogół omawiają osiągi statku kosmicznego w zakresie zmiany pędu na jednostkę zużytego paliwa, zwanego również impulsem właściwym . Im wyższy impuls właściwy, tym lepsza wydajność. Silniki z napędem jonowym mają wysoki impuls właściwy (~ 3000 s) i niski ciąg, podczas gdy rakiety chemiczne, takie jak jedno- lub dwupaliwowe silniki rakietowe mają niski impuls właściwy (~ 300 s), ale duży ciąg.

Podczas wystrzeliwania statku kosmicznego z Ziemi metoda napędu musi pokonać większe przyciąganie grawitacyjne , aby zapewnić dodatnie przyspieszenie netto. Na orbicie każdy dodatkowy impuls, nawet bardzo mały, spowoduje zmianę toru orbity.

1) Prograde/Retrogade (tj. przyspieszenie w kierunku stycznym/przeciwnym w kierunku stycznym) – zwiększa/zmniejsza wysokość orbity

2) Prostopadła do płaszczyzny orbity – Zmienia nachylenie orbity

Szybkość zmiany prędkości nazywamy przyspieszeniem , a szybkość zmiany pędu nazywamy siłą . Aby osiągnąć określoną prędkość, można zastosować małe przyspieszenie w długim okresie czasu lub duże przyspieszenie w krótkim czasie. Podobnie można osiągnąć dany impuls z dużą siłą w krótkim czasie lub z małą siłą w długim czasie. Oznacza to, że w przypadku manewrowania w kosmosie metoda napędu, która wytwarza niewielkie przyspieszenia, ale działa przez długi czas, może wytworzyć ten sam impuls, co metoda napędu, która wytwarza duże przyspieszenia przez krótki czas. Podczas startu z planety niewielkie przyspieszenia nie są w stanie pokonać przyciągania grawitacyjnego planety i dlatego nie można ich użyć.

Powierzchnia Ziemi znajduje się dość głęboko w studni grawitacyjnej . Prędkość ucieczki wymagana do wydostania się z niej wynosi 11,2 km/s. Ponieważ istoty ludzkie ewoluowały w polu grawitacyjnym 1 g (9,8 m/s²), idealnym układem napędowym dla lotów kosmicznych byłby taki, który zapewnia ciągłe przyspieszenie 1 g (chociaż ludzkie ciała mogą tolerować znacznie większe przyspieszenia w krótkich okresach ) . Pasażerowie rakiety lub statku kosmicznego z takim układem napędowym byliby wolni od wszelkich złych skutków swobodnego spadania , takich jak mdłości, osłabienie mięśni, osłabiony zmysł smaku lub wypłukiwanie wapnia z ich kości.

Prawo zachowania pędu oznacza, że aby metoda napędu mogła zmienić pęd statku kosmicznego, musi również zmienić pęd czegoś innego. Kilka projektów wykorzystuje takie rzeczy, jak pola magnetyczne lub ciśnienie światła, aby zmienić pęd statku kosmicznego, ale w wolnej przestrzeni rakieta musi zabrać ze sobą trochę masy, aby przyspieszyć, aby pchnąć się do przodu. Taka masa nazywana jest masą reakcji .

Aby rakieta zadziałała, potrzebuje dwóch rzeczy: masy reakcji i energii. Impuls wywołany wystrzeleniem cząstki o masie reakcyjnej o masie m z prędkością v wynosi mv . Ale ta cząstka ma energię kinetyczną mv ²/2, która musi skądś pochodzić. W konwencjonalnej paliwo stałe , ciekłe lub hybrydowe paliwo jest spalane, dostarczając energię, a produkty reakcji mogą wypływać z powrotem, dostarczając masę reakcyjną. W silniku jonowym elektryczność jest wykorzystywana do przyspieszania jonów z tyłu. Tutaj jakieś inne źródło musi dostarczać energii elektrycznej (być może panel słoneczny lub reaktor jądrowy ), podczas gdy jony dostarczają masę reakcyjną.

Omawiając sprawność układu napędowego, projektanci często skupiają się na efektywnym wykorzystaniu masy reakcyjnej. Masa reakcyjna musi być przenoszona wraz z rakietą i zużywana jest bezpowrotnie. Jednym ze sposobów pomiaru ilości impulsu, który można uzyskać z ustalonej ilości masy reakcyjnej, jest impuls właściwy , impuls na jednostkę masy Ziemi (zwykle oznaczony przez ${\ displaystyle I _ {\ text {sp}} }$ ). Jednostką dla tej wartości są sekundy. Ponieważ ciężar masy reakcyjnej na Ziemi jest często nieistotny przy omawianiu pojazdów w kosmosie, impuls właściwy można również omawiać w kategoriach impulsu na jednostkę masy. $)$ równa efektywnej prędkości spalin silnika (zwykle oznaczanej . W mylący sposób obie wartości są czasami nazywane impulsem specyficznym. Te dwie wartości różnią się współczynnikiem g _n , standardowe przyspieszenie ziemskie wynosi 9,80665 m/s² ( ${\ Displaystyle I _ {\ tekst {sp}} g _ {\ operatorname {n}} = v_ {e}})$ .

Rakieta o dużej prędkości wylotowej może osiągnąć ten sam impuls przy mniejszej masie reakcji. Jednak energia wymagana do tego impulsu jest proporcjonalna do prędkości spalin, więc bardziej wydajne silniki wymagają znacznie więcej energii i są zwykle mniej wydajne energetycznie. Jest to problem, jeśli silnik ma zapewniać dużą siłę ciągu. Aby wygenerować dużą ilość impulsów na sekundę, musi zużywać dużą ilość energii na sekundę. Tak więc wydajne masowo silniki wymagają ogromnych ilości energii na sekundę, aby wytworzyć duży ciąg. W rezultacie większość konstrukcji silników o dużej masie i wydajności zapewnia również niższy ciąg ze względu na niedostępność dużych ilości energii.

Napęd kosmiczny to technologie, które mogą znacznie poprawić szereg krytycznych aspektów misji. Eksploracja kosmosu polega na bezpiecznym dotarciu gdzieś (umożliwienie misji), dotarciu tam szybko (skrócony czas tranzytu), dostarczeniu tam dużej masy (zwiększenie masy ładunku ) i dotarciu tam tanio (niższy koszt). Prosty akt „dostania się” tam wymaga zastosowania kosmicznego układu napędowego, a inne wskaźniki są modyfikatorami tego podstawowego działania.

Rozwój technologii zaowocuje rozwiązaniami technicznymi poprawiającymi poziomy ciągu, Isp, moc, masę właściwą (lub moc właściwą) . ), objętość, masa systemu, złożoność systemu, złożoność operacyjna, podobieństwo z innymi systemami statków kosmicznych, możliwości produkcyjne, trwałość i koszt. Tego typu ulepszenia spowodują skrócenie czasu tranzytu, zwiększenie masy ładunku, bezpieczniejsze statki kosmiczne i obniżenie kosztów. W niektórych przypadkach rozwój technologii w tym obszarze technologii (TA) zaowocuje przełomami umożliwiającymi misje, które zrewolucjonizują eksplorację kosmosu. Nie ma jednej technologii napędowej, która przyniosłaby korzyści wszystkim misjom lub rodzajom misji. Wymagania dotyczące napędu w przestrzeni kosmicznej różnią się znacznie w zależności od ich zamierzonego zastosowania. Opisane technologie powinny obsługiwać wszystko od małych satelity i robotyczna eksploracja głębokiego kosmosu, stacje kosmiczne i misje załogowe, zastosowania na Marsie .

Definiowanie technologii

Ponadto termin „przyciąganie misji” definiuje technologię lub charakterystykę wydajności niezbędną do spełnienia wymagań planowanej misji NASA. Każdy inny związek między technologią a misją (na przykład alternatywny system napędowy) jest klasyfikowany jako „pchnięcie technologii”. Ponadto demonstracja kosmiczna odnosi się do lotu kosmicznego skalowanej wersji określonej technologii lub krytycznego podsystemu technologicznego. Z drugiej strony walidacja kosmiczna posłużyłaby jako lot kwalifikacyjny do przyszłej realizacji misji. Udany lot walidacyjny nie wymagałby żadnych dodatkowych testów kosmicznych konkretnej technologii, zanim będzie można ją zastosować w misji naukowej lub eksploracyjnej.

Domeny operacyjne

Statki kosmiczne działają w wielu obszarach kosmosu. Obejmują one manewry orbitalne, podróże międzyplanetarne i międzygwiezdne.

Orbitalny

Sztuczne satelity są najpierw wystrzeliwane na żądaną wysokość za pomocą konwencjonalnych rakiet o napędzie płynnym/stałym, po czym satelita może wykorzystywać pokładowe układy napędowe do utrzymywania stacji orbitalnych. Gdy znajdą się na pożądanej orbicie, często potrzebują jakiejś formy kontroli położenia , aby były prawidłowo skierowane względem Ziemi , Słońca i prawdopodobnie jakiegoś interesującego obiektu astronomicznego . Są również narażone na przeciąganie z rzadkiej atmosfery , tak że aby pozostać na orbicie przez długi czas, czasami potrzebna jest jakaś forma napędu, aby dokonać drobnych poprawek ( utrzymanie stacji orbitalnej ). Od czasu do czasu wiele satelitów trzeba przenosić z jednej orbity na drugą, a to również wymaga napędu. Okres użytkowania satelity zwykle kończy się, gdy wyczerpie się jego zdolność do dostosowywania swojej orbity.

Międzyplanetarny

W przypadku podróży międzyplanetarnych statek kosmiczny może wykorzystać swoje silniki do opuszczenia orbity Ziemi. Nie jest to wyraźnie konieczne, ponieważ początkowe doładowanie zapewniane przez rakietę, procę grawitacyjną, jedno-/dwuśmigłowy układ napędowy kontroli położenia wystarczą do eksploracji Układu Słonecznego (patrz New Horizons ). Gdy już to zrobi, musi w jakiś sposób dotrzeć do celu. Obecne międzyplanetarne statki kosmiczne robią to za pomocą serii krótkoterminowych korekt trajektorii. Pomiędzy tymi regulacjami statek kosmiczny po prostu porusza się po swojej trajektorii bez przyspieszania. Najbardziej oszczędnym sposobem przemieszczania się z jednej orbity kołowej na drugą jest orbita transferowa Hohmanna : statek kosmiczny zaczyna się na mniej więcej okrągłej orbicie wokół Słońca. Krótki okres pchnięcia w kierunku ruchu przyspiesza lub zwalnia statek kosmiczny na eliptyczną orbitę wokół Słońca, która jest styczna do jego poprzedniej orbity, a także do orbity celu. Statek kosmiczny spada swobodnie po tej eliptycznej orbicie, aż dotrze do celu, gdzie kolejny krótki okres ciągu przyspiesza lub zwalnia go, aby dopasować się do orbity celu. specjalne metody, takie jak hamowanie aerodynamiczne lub przechwytywanie powietrza.

Artystyczna koncepcja żagla słonecznego

Niektóre metody napędu statków kosmicznych, takie jak żagle słoneczne, zapewniają bardzo niski, ale niewyczerpany ciąg; pojazd międzyplanetarny korzystający z jednej z tych metod podążałby raczej inną trajektorią, albo stale pchając się w kierunku przeciwnym do swojego kierunku ruchu, aby zmniejszyć odległość od Słońca, albo stale pchając się wzdłuż kierunku ruchu, aby zwiększyć odległość od Słońca. Koncepcja została pomyślnie przetestowana przez japoński IKAROS .

Międzygwiezdny

zbudowano jeszcze żadnego statku kosmicznego zdolnego do krótkich (w porównaniu z życiem człowieka) podróży międzygwiezdnych , ale omówiono wiele hipotetycznych projektów. Ponieważ odległości międzygwiezdne są bardzo duże, potrzebna jest ogromna prędkość, aby statek kosmiczny dotarł do celu w rozsądnym czasie. Uzyskanie takiej prędkości podczas startu i pozbycie się jej po przylocie pozostaje ogromnym wyzwaniem dla projektantów statków kosmicznych.

Technologia napędu

Obszary technologiczne podzielone są na cztery podstawowe grupy: (1) Napęd chemiczny, (2) Napęd elektryczny, (3) Zaawansowane technologie napędowe oraz (4) Technologie wspomagające; w oparciu o fizykę układu napędowego i sposób, w jaki uzyskuje on ciąg, a także jego dojrzałość techniczną. Ponadto mogą istnieć wiarygodne, wartościowe koncepcje napędu kosmicznego, których nie przewidziano ani nie zweryfikowano w momencie publikacji, a które mogą okazać się korzystne dla przyszłych zastosowań misji.

Napęd chemiczny

Duża część używanych obecnie silników rakietowych to rakiety chemiczne ; to znaczy, uzyskują energię potrzebną do wytworzenia ciągu w wyniku reakcji chemicznych w celu wytworzenia gorącego gazu, który jest rozprężany w celu wytworzenia ciągu . Do uzyskania tych reakcji chemicznych stosuje się wiele różnych kombinacji propelentów, w tym na przykład hydrazynę , ciekły tlen , ciekły wodór , podtlenek azotu i nadtlenek wodoru . Mogą być używane jako monopropelent lub w bi-propelent .

D-Orbit © ION Satellite Carrier, napędzany silnikiem strumieniowym Dawn Aerospace z podtlenkiem azotu i propylenem B20. 2021.

Zielony napęd chemiczny

dominującą formą napędu chemicznego satelitów była hydrazyna , jednak paliwo to jest wysoce toksyczne i istnieje ryzyko, że zostanie zakazane w całej Europie. Obecnie opracowywane są nietoksyczne „zielone” alternatywy, które zastąpią hydrazynę. podtlenku azotu cieszą się dużą popularnością i wsparciem rządowym, a ich rozwojem kierują firmy komercyjne Dawn Aerospace, Impulse Space i Launcher. Pierwszym systemem opartym na podtlenku azotu, jaki kiedykolwiek przeleciał w kosmosie, był D-Orbit na pokładzie ich ION Satellite Carrier ( kosmiczny holownik ) w 2021 r., przy użyciu sześciu Dawn Aerospace B20 wystrzelone na rakiecie Falcon 9 .

Silniki reakcji

Silniki reakcyjne wytwarzają ciąg poprzez wyrzucanie masy reakcyjnej , zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona . To prawo ruchu jest najczęściej sparafrazowane w następujący sposób: „Dla każdej siły działania istnieje równa, ale przeciwna siła reakcji”.

Przykłady obejmują silniki odrzutowe , silniki rakietowe , pompy odrzutowe i bardziej rzadkie odmiany, takie jak pędniki z efektem Halla , napędy jonowe , sterowniki masowe i jądrowy napęd impulsowy .

Silniki rakietowe

Silnik Kestrel firmy SpaceX jest testowany.

Większość silników rakietowych to silniki cieplne wewnętrznego spalania (chociaż istnieją formy niepalne). Silniki rakietowe na ogół wytwarzają masę reakcyjną o wysokiej temperaturze w postaci gorącego gazu. Osiąga się to poprzez spalanie paliwa stałego, ciekłego lub gazowego z utleniaczem w komorze spalania. Ekstremalnie gorący gaz jest następnie uwalniany przez dyszę o wysokim współczynniku rozprężania . Ta dysza w kształcie dzwonu nadaje silnikowi rakietowemu charakterystyczny kształt. Efektem dyszy jest radykalne przyspieszenie masy, przekształcając większość energii cieplnej w energię kinetyczną. Powszechne są prędkości spalin sięgające nawet 10-krotności prędkości dźwięku na poziomie morza.

Silniki rakietowe zapewniają zasadniczo najwyższą moc właściwą i wysoki ciąg właściwy ze wszystkich silników używanych do napędu statków kosmicznych.

Rakiety z napędem jonowym mogą podgrzewać plazmę lub naładowany gaz wewnątrz butelki magnetycznej i uwalniać go przez dyszę magnetyczną , dzięki czemu żadna substancja stała nie musi wchodzić w kontakt z plazmą. Oczywiście, maszyna do tego jest złożona, ale badania nad syntezą jądrową rozwinęły metody, z których niektóre zaproponowano do zastosowania w systemach napędowych, a niektóre zostały przetestowane w laboratorium.

Zobacz silnik rakietowy , aby zapoznać się z listą różnych rodzajów silników rakietowych wykorzystujących różne metody ogrzewania, w tym chemiczne, elektryczne, słoneczne i jądrowe.

Napęd elektryczny

Napęd jonowy NSTAR o mocy 2,3 kW NASA dla statku kosmicznego Deep Space 1 podczas testu gorącego ognia w Jet Propulsion Laboratory

Napęd elektryczny jest powszechnie używany do utrzymywania stacji na komercyjnych satelitach komunikacyjnych oraz jako główny napęd w niektórych naukowych misjach kosmicznych ze względu na ich wysoki impuls właściwy. Jednak generalnie mają one bardzo małe wartości ciągu i dlatego muszą być obsługiwane przez długi czas, aby zapewnić całkowity impuls wymagany przez misję.

Zamiast polegać na wysokiej temperaturze i dynamice płynów w celu przyspieszenia masy reakcyjnej do dużych prędkości, istnieje wiele metod wykorzystujących siły elektrostatyczne lub elektromagnetyczne do bezpośredniego przyspieszenia masy reakcyjnej. Zwykle masą reakcyjną jest strumień jonów . Taki silnik zwykle wykorzystuje energię elektryczną, najpierw do jonizacji atomów, a następnie do wytworzenia gradientu napięcia w celu przyspieszenia jonów do dużych prędkości spalin.

Pomysł napędu elektrycznego sięga 1906 roku, kiedy Robert Goddard rozważał taką możliwość w swoim osobistym notatniku. Konstantin Ciołkowski opublikował ten pomysł w 1911 roku.

W przypadku tych napędów, przy najwyższych prędkościach spalin, wydajność energetyczna i ciąg są odwrotnie proporcjonalne do prędkości spalin. Ich bardzo duża prędkość spalin oznacza, że wymagają ogromnych ilości energii, a zatem przy praktycznych źródłach zasilania zapewniają niski ciąg, ale zużywają niewiele paliwa.

Glenn Research Center ma na celu opracowanie podstawowych technologii napędowych, które mogłyby przynieść korzyści krótko- i średnioterminowym misjom naukowym poprzez zmniejszenie kosztów, masy i / lub czasu podróży. Architektury napędowe, które szczególnie interesują GRC, to elektryczne układy napędowe, takie jak pędniki jonowe i Hall . Jeden system łączy żagle słoneczne , formę napędu bez paliwa, który opiera się na naturalnie występującym świetle gwiazd jako energię napędową, oraz silniki odrzutowe Halla. Inne opracowywane technologie napędowe obejmują zaawansowany napęd chemiczny i przechwytywanie powietrza.

W przypadku niektórych misji, szczególnie w pobliżu Słońca, energia słoneczna może być wystarczająca i była bardzo często używana, ale w przypadku innych misji dalej lub przy większej mocy energia jądrowa jest konieczna; silniki pobierające energię ze źródła jądrowego nazywane są jądrowymi rakietami elektrycznymi .

W przypadku dowolnego źródła energii elektrycznej, chemicznej, jądrowej lub słonecznej, maksymalna ilość energii, którą można wygenerować, ogranicza siłę ciągu, którą można wytworzyć, do niewielkiej wartości. Wytwarzanie energii dodaje znaczną masę do statku kosmicznego, a ostatecznie ciężar źródła zasilania ogranicza osiągi pojazdu.

Obecne generatory energii jądrowej mają w przybliżeniu połowę masy paneli słonecznych na wat dostarczonej energii, w ziemskich odległościach od Słońca. Chemiczne generatory prądu nie są używane ze względu na znacznie niższą całkowitą dostępną energię. Moc wysyłana do statku kosmicznego wykazuje pewien potencjał.

Pędnik Halla o mocy 6 kW działający w Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA

Niektóre metody elektromagnetyczne:

Pędniki jonowe (najpierw przyspieszają jony, a następnie neutralizują wiązkę jonów za pomocą strumienia elektronów emitowanego z katody zwanej neutralizatorem)
Pędniki elektrotermiczne (pola elektromagnetyczne są wykorzystywane do generowania plazmy w celu zwiększenia ciepła paliwa luzem, energia cieplna przekazywana gazowi pędnemu jest następnie przekształcana w energię kinetyczną przez dyszę o konstrukcji z materiału fizycznego lub za pomocą środków magnetycznych)
Pędniki elektromagnetyczne (jony są przyspieszane albo przez siłę Lorentza , albo przez działanie pól elektromagnetycznych, w których pole elektryczne nie jest zgodne z kierunkiem przyspieszenia)
Sterowniki masowe (do napędu)

W silnikach elektrotermicznych i elektromagnetycznych zarówno jony, jak i elektrony są przyspieszane jednocześnie, neutralizator nie jest wymagany.

Bez wewnętrznej masy reakcyjnej

Badanie NASA żagla słonecznego. Żagiel miałby pół kilometra szerokości.

Zwykle przyjmuje się, że prawo zachowania pędu implikuje, że każdy silnik, który nie wykorzystuje masy reakcyjnej, nie może przyspieszyć środka masy statku kosmicznego (z drugiej strony możliwa jest zmiana orientacji ) . Ale przestrzeń nie jest pusta, zwłaszcza przestrzeń wewnątrz Układu Słonecznego; istnieją pola grawitacyjne, pola magnetyczne , fale elektromagnetyczne , wiatr słoneczny i promieniowanie słoneczne. W szczególności wiadomo, że fale elektromagnetyczne zawierają pęd, mimo że są bezmasowe; w szczególności gęstość strumienia pędu P fali EM jest ilościowo 1/c2 ^{razy większy} od wektora Poyntinga S , tj. P = S /c2 ^, gdzie c jest prędkością światła. Metody napędu polowego , które nie opierają się na masie reakcyjnej, muszą zatem próbować wykorzystać ten fakt poprzez sprzężenie z polem przenoszącym pęd, takim jak fala EM, która istnieje w pobliżu statku. Ponieważ jednak wiele z tych zjawisk ma charakter rozproszony, odpowiednie struktury napędowe muszą być proporcjonalnie duże. ^{[ oryginalne badania? ]}

Istnieje kilka różnych napędów kosmicznych, które do działania wymagają niewielkiej lub żadnej masy reakcyjnej. Układ napędowy na uwięzi wykorzystuje długi kabel o dużej wytrzymałości na rozciąganie do zmiany orbity statku kosmicznego, na przykład poprzez interakcję z polem magnetycznym planety lub poprzez wymianę pędu z innym obiektem. Żagle słoneczne opierają się na ciśnieniu promieniowania z energii elektromagnetycznej, ale do skutecznego działania wymagają dużej powierzchni zbierającej.

Żagiel magnetyczny odbija naładowane cząstki od wiatru słonecznego za pomocą pola magnetycznego, nadając w ten sposób pęd statkowi kosmicznemu. Magsail to duża pętla nadprzewodząca przeznaczona do przyspieszania/zwalniania wiatru słonecznego i zwalniania w ośrodku międzygwiezdnym . Wariantem jest mini-magnetosferyczny układ napędowy plazmy i jego następca, żagiel Magnetoplasma , który wstrzykuje plazmę z małą szybkością w celu wzmocnienia pola magnetycznego w celu skuteczniejszego odchylania naładowanych cząstek w wietrze plazmy.

E -żagiel używałby bardzo cienkich i lekkich drutów utrzymujących ładunek elektryczny w celu odchylenia tych cząstek i mógłby mieć bardziej kontrolowaną kierunkowość.

Jako dowód słuszności koncepcji, NanoSail-D stał się pierwszym nanosatelitą, który okrążył Ziemię . W sierpniu 2017 r. NASA potwierdziła, że projekt żagla słonecznego Sunjammer został zakończony w 2014 r., Wyciągając wnioski dla przyszłych projektów żagli kosmicznych. Cubesail będzie pierwszą misją, która zademonstruje żeglugę słoneczną na niskiej orbicie okołoziemskiej i pierwszą misją, która zademonstruje pełną trójosiową kontrolę położenia żagla słonecznego.

W maju 2010 r. Japonia wypuściła również własny statek kosmiczny IKAROS napędzany żaglami słonecznymi. IKAROS z powodzeniem zademonstrował napęd i naprowadzanie i nadal lata.

Satelita lub inny pojazd kosmiczny podlega prawu zachowania momentu pędu , które ogranicza wypadkową zmianę prędkości kątowej ciała . Zatem, aby pojazd zmienił swoją względną orientację bez zużywania masy reakcyjnej, inna część pojazdu może obracać się w przeciwnym kierunku. Niezachowawcze siły zewnętrzne, głównie grawitacyjne i atmosferyczne, mogą przyczyniać się do momentu pędu nawet o kilka stopni dziennie, więc układy wtórne są zaprojektowane tak, aby „upuszczać” niepożądane energie obrotowe narastające w czasie. W związku z tym wiele statków kosmicznych wykorzystuje koła reakcyjne lub żyroskopy kontrolujące moment do kontrolowania orientacji w przestrzeni.

Proca grawitacyjna może przenosić sondę kosmiczną dalej do innych miejsc bez ponoszenia kosztów masy reakcyjnej. Wykorzystując energię grawitacyjną innych ciał niebieskich, sonda może odbierać energię kinetyczną. Jednak jeszcze więcej energii można uzyskać ze wspomagania grawitacyjnego, jeśli używane są rakiety.

Napęd wiązkowy to kolejna metoda napędu bez masy reakcyjnej. Napęd promieniowany obejmuje żagle pchane przez laser , mikrofale lub wiązki cząstek.

Zaawansowana technologia napędu

Zaawansowane, aw niektórych przypadkach teoretyczne, technologie napędowe mogą wykorzystywać fizykę chemiczną lub niechemiczną do wytwarzania ciągu, ale ogólnie uważa się, że są one o niższej dojrzałości technicznej i wiążą się z wyzwaniami, którym nie udało się sprostać. Zarówno dla eksploracji ludzi, jak i robotów, przemierzanie Układu Słonecznego to walka z czasem i odległością. Najodleglejsze planety znajdują się w odległości 4,5–6 miliardów kilometrów od Słońca, a dotarcie do nich w rozsądnym czasie wymaga znacznie wydajniejszych układów napędowych niż konwencjonalne rakiety chemiczne. Szybkie misje w wewnętrznym Układzie Słonecznym z elastycznymi datami startu są trudne i wymagają systemów napędowych, które wykraczają poza obecny stan techniki. Logistyka, a tym samym całkowita masa systemu wymagana do wspierania ciągłej eksploracji człowieka poza Ziemię do miejsc takich jak Księżyc, Mars lub obiekty bliskie Ziemi, jest zniechęcająca, chyba że zostaną opracowane i wprowadzone bardziej wydajne technologie napędu w kosmosie.

Koncepcja artysty dotycząca projektu napędu warp

Rozważano różne hipotetyczne techniki napędowe, które wymagają głębszego zrozumienia właściwości przestrzeni, w szczególności ram inercyjnych i stanu próżni . Do tej pory takie metody są wysoce spekulatywne i obejmują:

Statek z czarną dziurą
Żagiel różnicowy
Ekranowanie grawitacyjne
Napęd polowy
- Napęd średnicowy
- Napęd dysjunkcyjny
- Napęd skoku
- Napęd stronniczości
Rakieta fotonowa
Kwantowy silnik próżniowy
Nano elektrokinetyczny silnik strumieniowy
Jazda bez reakcji
- Napęd Abraham-Minkowski
- Napęd Alcubierre'a
- Dysk Deana
- EmDrive
- Teoria Heima
- Efekt Woodwarda
- Silnik bezwładnościowy Thornson (TIE)
- Żyroskopowy ster strumieniowy bezwładnościowy (GIT)

Ocena NASA programu Breakthrough Propulsion Physics Program dzieli takie propozycje na te, które są nieopłacalne dla celów napędowych, te, które mają niepewny potencjał i te, które nie są niemożliwe zgodnie z obecnymi teoriami.

Tabela metod

Poniżej znajduje się podsumowanie niektórych z bardziej popularnych, sprawdzonych technologii, a następnie coraz bardziej spekulacyjnych metod.

Pokazane są cztery liczby. Pierwsza to efektywna prędkość spalin : równoważna prędkość, z jaką paliwo opuszcza pojazd. Niekoniecznie jest to najważniejsza cecha metody napędu; ciąg i zużycie energii oraz inne czynniki mogą być. Jednakże:

jeśli delta-v jest znacznie większa niż prędkość spalin, konieczne są wygórowane ilości paliwa (patrz sekcja dotycząca obliczeń powyżej)
jeśli jest znacznie większy niż delta-v, to potrzeba proporcjonalnie więcej energii; jeśli moc jest ograniczona, jak w przypadku energii słonecznej, oznacza to, że podróż trwa proporcjonalnie dłużej

Druga i trzecia to typowe wielkości ciągu i typowe czasy spalania metody. Poza potencjałem grawitacyjnym niewielkie siły ciągu wywierane przez długi czas dadzą taki sam efekt, jak duże siły ciągu w krótkim okresie. (Ten wynik nie ma zastosowania, gdy obiekt jest pod znacznym wpływem grawitacji.)

Czwarty to maksymalna delta-v, jaką może dać ta technika (bez stopniowania). W przypadku rakietowych układów napędowych jest to funkcja ułamka masy i prędkości spalin. Udział masowy systemów rakietowych jest zwykle ograniczony przez masę układu napędowego i masę zbiornika. Aby system osiągnął ten limit, zwykle ładowność może wymagać znikomego procentu pojazdu, więc praktyczne ograniczenie w przypadku niektórych systemów może być znacznie niższe.

Metody napędu
metoda	Efektywna prędkość spalin (km/s)	Ciąg (N)	Czas strzelania	Maksymalna delta-v (km/s)	Poziom gotowości technologicznej
Rakieta na paliwo stałe	<2,5	<10 ⁷	Minuty	7	9 : Sprawdzony w locie
Rakieta hybrydowa	<4		Minuty	>3	9 : Sprawdzony w locie
Rakieta jednopaliwowa	1 – 3	0,1 – 400	Milisekundy – minuty	3	9 : Sprawdzony w locie
Rakieta na paliwo ciekłe	<4.4	<10 ⁷	Minuty	9	9 : Sprawdzony w locie
Elektrostatyczny silnik jonowy	15 – 210		Miesiące – lata	>100	9 : Sprawdzony w locie
Ster strumieniowy z efektem Halla (HET)	do 50		Miesiące – lata	>100	9 : Sprawdzony w locie
Rakieta Resistojet	2 – 6	10-2-10 ^_ _	Minuty	?	8 : Lot zakwalifikowany
Rakieta Arcjet	4 – 16	10-2-10 ^_ _	Minuty	?	8 : Kwalifikacja do lotu ^{[ potrzebne źródło ]}
Napęd elektryczny z emisją polową (FEEP)	100 – 130	10-6 – ^10-3^_	Miesiące – lata	?	8 : Lot zakwalifikowany
Impulsowy silnik plazmowy (PPT)	20	0,1	80 – 400 dni	?	7 : Prototyp demonstrowany w kosmosie
Rakieta z napędem dwusystemowym	1 – 4,7	0,1 – 10 ⁷	Milisekundy – minuty	3 – 9	7 : Prototyp demonstrowany w kosmosie
Żagle słoneczne	299792.458 , Prędkość światła	9,08/km ² przy 1 AU 908/km ² przy 0,1 AU ^10-10 / km ² przy 4 ly	Nieokreślony	>40	9: Sprawdzony lot z kontrolą położenia pod lekkim ciśnieniem 6: Model, 196 m ² 1,12 mN 400 m/s delta-v zademonstrowany w przestrzeni międzyplanetarnej
Rakieta trójpaliwowa	2,5 – 5,3 ^{[ potrzebne źródło ]}	0,1 – 10 ⁷^{[ potrzebne źródło ]}	Minuty	9	6 : Prototyp demonstrowany na ziemi
Ster strumieniowy magnetoplazmadynamiczny (MPD)	20 – 100	100	tygodnie	?	6 : Model, 1 kW zademonstrowany w przestrzeni
Rakieta jądrowo-termiczna	9	10 ⁷	Minuty	>20	6 : Prototyp demonstrowany na ziemi
Napędowe sterowniki masy	0 – 30	10 ⁴ – 10 ⁸	Miesiące	?	6 : Model, 32 MJ zademonstrowany na ziemi
Napęd uwięziowy	—	1 – 10 ¹²	Minuty	7	6 : Model, 31,7 km zademonstrowany w kosmosie
Rakieta wspomagana powietrzem	5 – 6	0,1 – 10 ⁷	Sekundy – minuty	>7?	6 : Prototyp demonstrowany na ziemi
Silnik o obiegu ciekło-powietrznym	4.5	10 ³ – 10 ⁷	Sekundy – minuty	?	6 : Prototyp demonstrowany na ziemi
Pędnik impulsowo-indukcyjny (PIT)	10 – 80	20	Miesiące	?	5 : Komponent sprawdzony w próżni
Rakieta magnetoplazmowa o zmiennym impulsie (VASIMR)	10 – 300 ^{[ potrzebne źródło ]}	40 – 1200 ^{[ potrzebne źródło ]}	Dni – miesiące	>100	5 : Komponent, 200 kW zwalidowany w próżni
Wzmacniacz oscylacyjny z polem magnetycznym	10 – 130	0,1 – 1	Dni – miesiące	>100	5 : Komponent sprawdzony w próżni
Rakieta słoneczno-termiczna	7 – 12	1 – 100	tygodnie	>20	4 : Komponent zatwierdzony w laboratorium
Rakieta radioizotopowa / Silnik parowy	7 – 8 ^{[ potrzebne źródło ]}	1,3 – 1,5	Miesiące	?	4 : Komponent zatwierdzony w laboratorium
Rakieta jądrowo-elektryczna	Zastosowano metodę napędu elektrycznego				4 : Komponent, 400 kW zatwierdzony w laboratorium
Projekt Orion ( napęd impulsowy jądrowy w bliskiej perspektywie )	20 – 100	10 ⁹ – 10 ¹²	Dni	30 – 60	3 : Zwalidowany, 900 kg dowód słuszności koncepcji
Kosmiczna winda	—	—	Nieokreślony	>12	3 : Zweryfikowany dowód słuszności koncepcji
Silniki reakcji SABRE	30/4,5	0,1 – 10 ⁷	Minuty	9.4	3 : Zweryfikowany dowód słuszności koncepcji
Żagle elektryczne	145 – 750, wiatr słoneczny	?	Nieokreślony	>40	3 : Zweryfikowany dowód słuszności koncepcji
Magżagiel w wietrze słonecznym	—	644	Nieokreślony	250-750	3 : Zweryfikowany dowód słuszności koncepcji
Magnetoplazma żagiel w wietrze słonecznym	278	700	Miesiące - Lata	250-750	4 : Komponent zatwierdzony w laboratorium
Magsail w ośrodku międzygwiezdnym	—	początkowo 88 tys	Dziesięciolecia	15 000	3 : Zweryfikowany dowód słuszności koncepcji
Zasilany wiązką / laserem	Jako metoda napędu zasilana wiązką				3 : Zatwierdzony, 71-metrowy dowód słuszności koncepcji
Uruchom pętlę / pierścień orbitalny	—	10 ⁴	Minuty	11 – 30	2 : Opracowanie koncepcji technologii
Jądrowy napęd impulsowy ( napęd projektu Daedalus )	20 – 1000	10 ⁹ – 10 ¹²	Lata	15 000	2 : Opracowanie koncepcji technologii
Rakieta z rdzeniem gazowym	10 – 20	10 ³ – 10 ⁶	?	?	2 : Opracowanie koncepcji technologii
Jądrowa rakieta ze słoną wodą	100	10 ³ – 10 ⁷	Pół godziny	?	2 : Opracowanie koncepcji technologii
Żagiel rozszczepialny	?	?	?	?	2 : Opracowanie koncepcji technologii
Rakieta z fragmentami rozszczepienia	15 000	?	?	?	2 : Opracowanie koncepcji technologii
Rakieta jądrowo-fotoniczna / Rakieta fotonowa	299792.458 , Prędkość światła	10-5-1 ^_ _	Lata – dekady	?	2 : Opracowanie koncepcji technologii
Rakieta fuzyjna	100 – 1000 ^{[ potrzebne źródło ]}	?	?	?	2 : Opracowanie koncepcji technologii
Jądrowy napęd impulsowy katalizowany antymaterią	200 – 4000	?	Dni – tygodnie	?	2 : Opracowanie koncepcji technologii
Rakieta na antymaterię	10 000 – 100 000 ^{[ potrzebne źródło ]}	?	?	?	2 : Opracowanie koncepcji technologii
Silnik strumieniowy Bussarda	2,2 – 20 000	?	Nieokreślony	30 000	2 : Opracowanie koncepcji technologii
metoda	Efektywna prędkość spalin (km/s)	Ciąg (N)	Czas strzelania	Maksymalna delta-v (km/s)	Poziom gotowości technologicznej

Uwagi do tabeli

Testowanie

Systemy napędowe statków kosmicznych są często najpierw testowane statycznie na powierzchni Ziemi, w atmosferze, ale wiele systemów wymaga komory próżniowej do pełnego przetestowania. Rakiety są zwykle testowane w ośrodku testowania silników rakietowych z dala od domów i innych budynków ze względów bezpieczeństwa. Napędy jonowe są znacznie mniej niebezpieczne i wymagają znacznie mniej rygorystycznych zabezpieczeń, zwykle potrzebna jest tylko duża komora próżniowa.

Słynne lokalizacje testów statycznych można znaleźć w Rocket Ground Test Facilities

Niektórych systemów nie można odpowiednio przetestować na ziemi, a starty próbne mogą być przeprowadzane na poligonie startowym .

Napęd planetarny i atmosferyczny

Udany test sprawdzający słuszność koncepcji Lightcraft , podzbiór napędu napędzanego wiązką

Mechanizmy wspomagania startu

Zaproponowano wiele pomysłów na mechanizmy wspomagania startu, które mogą drastycznie obniżyć koszty wejścia na orbitę. Proponowane inne niż rakietowe mechanizmy wspomagające start w kosmos obejmują:

Skyhook (wymaga suborbitalnej rakiety nośnej wielokrotnego użytku, niewykonalne przy użyciu obecnie dostępnych materiałów)
Winda kosmiczna (uwięź z powierzchni Ziemi na orbitę geostacjonarną, nie można zbudować z istniejących materiałów)
Pętla startowa (bardzo szybka zamknięta pętla obrotowa o wysokości około 80 km)
Kosmiczna fontanna (bardzo wysoki budynek podtrzymywany przez strumień mas wystrzelonych z podstawy)
Pierścień orbitalny (pierścień wokół Ziemi ze szprychami zwisającymi z łożysk)
Katapulta elektromagnetyczna ( działo kolejowe , działo cewkowe ) (pistolet elektryczny)
Uruchomienie sań rakietowych
Pistolet kosmiczny ( Projekt HARP , akcelerator taranowania ) (działo zasilane chemicznie)
odrzutowce napędzane wiązką napędzane z ziemi za pomocą wiązki
Platformy na dużych wysokościach pomagające w początkowej fazie

Silniki oddychające powietrzem

Badania ogólnie pokazują, że konwencjonalne silniki oddychające powietrzem, takie jak silniki odrzutowe lub turboodrzutowe , są zasadniczo zbyt ciężkie (mają zbyt niski stosunek ciągu do masy), aby zapewnić jakąkolwiek znaczącą poprawę wydajności po zainstalowaniu na samej rakiecie nośnej. Jednak pojazdy nośne mogą być wystrzeliwane w powietrze z oddzielnych pojazdów dźwigowych (np. B-29 , Pegasus Rocket i White Knight ), które wykorzystują takie układy napędowe. Można by również wykorzystać silniki odrzutowe zamontowane na szynie startowej.

Z drugiej strony zaproponowano bardzo lekkie lub bardzo szybkie silniki, które wykorzystują powietrze podczas wznoszenia:

SABRE – lekki turboodrzutowy silnik napędzany wodorem z chłodnicą wstępną
ATREX – lekki silnik turboodrzutowy napędzany wodorem z chłodnicą wstępną
Silnik z obiegiem ciekłego powietrza - napędzany wodorem silnik odrzutowy, który skrapla powietrze przed spaleniem go w silniku rakietowym
Scramjet – silniki odrzutowe wykorzystujące spalanie naddźwiękowe
Shcramjet - podobny do silnika odrzutowego, jednak wykorzystuje fale uderzeniowe wytwarzane przez samolot w komorze spalania, aby pomóc w zwiększeniu ogólnej wydajności.

Normalne rakiety nośne lecą prawie pionowo, po czym przewracają się na wysokości kilkudziesięciu kilometrów, po czym spalają się na boki w celu uzyskania orbity; ta początkowa pionowa wspinaczka marnuje paliwo, ale jest optymalna, ponieważ znacznie zmniejsza opór powietrza. Silniki oddychające powietrzem spalają paliwo znacznie wydajniej, co pozwoliłoby na znacznie bardziej płaską trajektorię startu. Pojazdy zazwyczaj leciałyby w przybliżeniu stycznie do powierzchni Ziemi, aż do opuszczenia atmosfery, a następnie wykonały spalenie rakiety, aby zniwelować ostateczną delta-v do prędkości orbitalnej .

W przypadku statków kosmicznych znajdujących się już na bardzo niskiej orbicie, napęd elektryczny do oddychania powietrzem wykorzystywałby gazy resztkowe w górnych warstwach atmosfery jako paliwo. Oddychający powietrzem napęd elektryczny może sprawić, że nowa klasa długotrwałych misji na niskich orbitach stanie się wykonalna na Ziemi, Marsie lub Wenus .

Planetarne przybycie i lądowanie

Wersja testowa systemu poduszek powietrznych Mars Pathfinder

Kiedy pojazd ma wejść na orbitę wokół swojej planety docelowej lub kiedy ma wylądować, musi dostosować swoją prędkość. Można to zrobić za pomocą wszystkich metod wymienionych powyżej (pod warunkiem, że mogą one generować wystarczająco duży ciąg), ale istnieje kilka metod, które mogą wykorzystać atmosfery i / lub powierzchnie planet.

Hamowanie aerodynamiczne pozwala statkowi kosmicznemu zredukować najwyższy punkt orbity eliptycznej poprzez wielokrotne ocieranie się o atmosferę w najniższym punkcie orbity. Może to zaoszczędzić znaczną ilość paliwa, ponieważ wejście na orbitę eliptyczną wymaga znacznie mniejszego delta-V w porównaniu z niską orbitą kołową. Ponieważ hamowanie odbywa się na wielu orbitach, ogrzewanie jest stosunkowo niewielkie, a osłona termiczna nie jest wymagana. Dokonano tego podczas kilku misji marsjańskich, takich jak Mars Global Surveyor , 2001 Mars Odyssey i Mars Reconnaissance Orbiter , a także co najmniej jednej misji Venus, Magellan .
Aerocapture to znacznie bardziej agresywny manewr, polegający na przekształceniu nadchodzącej orbity hiperbolicznej w orbitę eliptyczną w jednym przejściu. Wymaga to osłony termicznej i znacznie trudniejszej nawigacji, ponieważ musi zostać ukończone podczas jednego przelotu przez atmosferę, aw przeciwieństwie do hamowania aerodynamicznego żaden podgląd atmosfery nie jest możliwy. Jeśli intencją jest pozostanie na orbicie, to po przechwyceniu w powietrzu wymagany jest co najmniej jeszcze jeden manewr napędowy - w przeciwnym razie najniższy punkt powstałej orbity pozostanie w atmosferze, co spowoduje ewentualne ponowne wejście. Aerocapture nie zostało jeszcze wypróbowane na misji planetarnej, ale przeskok ponownego wejścia przez Zond 6 i Zond 7 po powrocie na Księżyc był manewrem przechwytywania powietrza, ponieważ zmienił orbitę hiperboliczną w orbitę eliptyczną. W tych misjach, ponieważ nie było próby podniesienia perygeum po przechwyceniu samolotu, powstała orbita nadal przecinała atmosferę, a ponowne wejście miało miejsce w następnym perygeum.
Ballute to nadmuchiwane urządzenie do przeciągania.
Spadochrony mogą wylądować na planecie lub księżycu z atmosferą, zwykle po tym, jak atmosfera wyczyści większość prędkości, używając osłony termicznej .
Poduszki powietrzne mogą złagodzić ostateczne lądowanie.
Lithohaming , czyli zatrzymanie przez uderzenie w nawierzchnię, zwykle odbywa się przypadkowo. Można to jednak zrobić celowo, mając nadzieję, że sonda przetrwa (patrz na przykład Deep Impact (statek kosmiczny) ), w którym to przypadku wymagane są bardzo wytrzymałe sondy.

W fikcji

W science fiction statki kosmiczne używają różnych środków do podróżowania, niektóre z nich są naukowo wiarygodne (jak żagle słoneczne lub silniki odrzutowe), inne, w większości lub całkowicie fikcyjne (jak antygrawitacja, napęd warp , spindizzy lub podróże nadprzestrzenne ).

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Przełomowy projekt fizyki napędu NASA
Różne rakiety zarchiwizowane 2010-05-29 w Wayback Machine
Bibliografia transportu Ziemia-Orbita zarchiwizowana 2016-06-15 w Wayback Machine
Spaceflight Propulsion - szczegółowa ankieta przeprowadzona przez Grega Goebela, w domenie publicznej
Uniwersytet Johnsa Hopkinsa, Centrum Analizy Informacji o Napędach Chemicznych
Narzędzie do analizy termodynamicznej silników rakietowych na paliwo ciekłe
Witryna How Things Fly w Smithsonian National Air and Space Museum
Fullerton, Richard K. „ Zaawansowane mapy drogowe i wymagania EVA ”. Materiały z 31. Międzynarodowej Konferencji Systemów Środowiskowych. 2001.
Atomic Rocket – Engines : Strona z listą i szczegółowym opisem rzeczywistych, teoretycznych i fantastycznych silników kosmicznych.