Autor Wątek: Napęd jonowy  (Przeczytany 20521 razy)

0 użytkowników i 1 Gość przegląda ten wątek.

Offline wini

  • Weteran
  • *****
  • Wiadomości: 2588
  • LOXem i ropą! ;)
    • Kosmonauta.net
Napęd jonowy
« dnia: Lipiec 24, 2010, 17:07 »

Silnik jonowy jest typem napędu elektrycznego wykorzystywanego przez sondy kosmiczne, który wytwarza ciąg przez przyspieszanie jonów. Wyróżniamy dwa rodzaje silników jonowych: elektrostatyczny silnik jonowy oraz elektromagnetyczny silnik jonowy. Pierwszy przyspiesza jony używając siły Coulomba, drugi siły Lorentza.
Ciąg wytwarzany przez silniki jonowe jest bardzo mały w porównaniu do konwencjonalnego napędu chemicznego, jednak ma bardzo wysoki współczynnik Isp (impuls właściwy). Tak wysoki współczynnik Isp wynika z bardzo oszczędnego zużycia paliwa przez takie silniki. Jednak w zamian zużywają one duża ilość energii.
Pierwsze teoria na temat zasad działania takiego napędu pojawiła się już 1906 roku za sprawą Roberta H. Goddarda. Pierwsze eksperymenty z wykorzystaniem silników jonowych wykonane zostały w latach 1916-17 również przez Goddarda. W pełni działający silnik jonowy został zbudowany w 1959 roku w NASA Glenn Research center przez Harolda R. Kaufmana. Był podobny w budowie to elektrostatycznego rodzaju silnika i wykorzystywał rtęć jako paliwo. Suborbitalny test tego silnika odbył się w 1964 roku kiedy wystrzelono go w misji SERT 1 . Pracował zgodnie z planem przez 31 minut zanim spadł na Ziemię. Silnik Halla (odmiana silnika elektrostatycznego) był studiowany przez USA oraz ZSRR w latach 50 i 60 XX wieku. Jednak tylko w ZSRR wykonano w pełni działający silnik tego typu. Do późnych lat 90 XX wieku około 100-200 silników tego typu wypełniło swoją misje na różnego rodzaju satelitach..
Silniki jonowe używają wiązek jonów (naładowanych elektrycznie atomów i cząsteczek) do wytworzenia ciągu zgodnie z 3 prawem Newtona. Metody rozpędzania jonów różnią się w różnych silnikach jednak wszystkie wykorzystują przewagę stosunku ładunku elektrycznego do masy jonów. ten stosunek oznacza że stosunkowo mała różnica potencjałów może wytworzyć bardzo duże prędkości gazów wylotowych. Zmniejsza to ilość paliwa jaką zużywa silnik, jednak zwiększa zapotrzebowanie na energię w porównaniu do silników chemicznych. Silniki jonowe potrafią wytworzyć bardzo wysoki impuls właściwy. minusem małego ciągu tych silników jest wolne przyspieszenie pojazdów które napędzają. Dlatego też silniki te nie nadają się do wystrzeliwania ładunków na orbitę ale są idealne do długiej pracy w warunkach przestrzeni kosmicznej.


Test silnika jonowego sondy Deep Space One

Offline wini

  • Weteran
  • *****
  • Wiadomości: 2588
  • LOXem i ropą! ;)
    • Kosmonauta.net
Odp: Napęd jonowy
« Odpowiedź #1 dnia: Lipiec 24, 2010, 17:09 »
Elektrostatyczne silniki jonowe:
 
-silnik jonowy elektrostatyczny (wiki )



jest rodzajem silnika jonowego wykorzystującego metalowe siatki o dużej różnicy potencjałów elektrycznych. Zjonizowane atomy (zazwyczaj są to atomy ksenonu) są kierowane przy pomocy pola magnetycznego w kierunku siatki o dodatnim potencjale. Następnie w obszarze między siatkami są one przyspieszane. Po przekroczeniu z dużą prędkością drugiej siatki o ładunku ujemnym jony są neutralizowane elektronami przez zewnętrzną lampę katodową.

Tradycyjny silnik jonowy elektrostatyczny składający się z dwóch siatek nie jest pozbawiony wad. Główną z nich było ograniczenie różnicy potencjałów między siatka dodatnią a ujemną do 5kV. Przy większej różnicy potencjałów część jonów trafia bezpośrednio w konstrukcję drugiej siatki powodując jej erozję. Impuls właściwy Isp silnika jonowego elektrostatycznego zwykłego wynosi maksymalnie 3000 m/s. Celem rozwiązania tej przeszkody w Australian National University (ANU) we współpracy z ESA opracowano koncepcję silnika DS4G (Dual-Stage 4-Grid) w którym każda z siatek została podwojona - pierwsza z siatek dodatnich jest nisko naładowana druga wysoko naładowana. W ten sposób uzyskano bardziej precyzyjny kierunek ruchu jonów, co umożliwiło osiągnięcie łącznej różnicy napięcia 30kV. Prędkość wylotów jonów z silnika DS4G wynosi 210km/s co daje impuls właściwy Isp = 21000 m/s ponad 4 razy więcej niż najwydajniejsze opracowane do tej pory silniki jonowe.

- silnik Halla wiki

Silnik Halla jest to silnik jonowy, w którym jony gazu są przyspieszane polem elektrostatycznym. Silnik ten był wykorzystywany do podtrzymywania orbity sond radzieckich. Najbardziej spektakularnym przykładem jego zastosowania była sonda SMART-1 o impulsie właściwym równym 1640 sekundom.

Zasadniczym elementem silnika jest komora w kształcie pierścienia. Na dnie komory znajduje się anoda będąca też dystrybutorem gazu. Gaz zasilający (na przykład ksenon, krypton, cez) przedostaje się ze zbiornika przez otwory w anodzie (dowolnego rodzaju: dziurki, szparki, czasem anoda jest wykonywana z materiałów porowatych). W silnikach tego typu używa się przeważnie ksenonu ze względu na to, że jest nieaktywny chemicznie w otoczeniu wody i tlenu jak również ze względu na jego dosyć dużą masę atomową i niską energię jonizacji. Atomy ksenonu ulegają jonizacji w wyniku zderzeń z elektronami już o energii 12.12 eV.
Między anodą a znajdującą się na zewnątrz katodą przyłożone jest stałe napięcie elektryczne o wartości z przedziału 200-500 V, a w specyficznych zastosowaniach może to być nawet 600 V. Napięcie to przyspiesza jony w kierunku wylotu.
Zwojnice wewnętrzne, zewnętrzne oraz magnetowody kształtują pole magnetyczne tak by było radialne (prostopadłe do komory i do pola elektrycznego). Pole magnetyczne praktycznie nie wpływa na ruch jonów bo mają dużą masę, ale wpływa znacznie na tor ruchu elektronów, elektrony w komorze poruszają się jak w przewodniku znajdującym się w poprzecznym polu magnetycznym (efekcie Halla). W wyniku tego elektrony nie podążają wprost do anody lecz krążą przez dłuższy czas w komorze, w wyniku czego w komorze znajduje się duża liczba elektronów o energii dostatecznej do jonizacji gazu.
Wyrzucane na zewnątrz jony są neutralizowane elektronami z katody w celu przeciwdziałania elektryzowaniu i w wyniku tego przyciągania jonów i silnika, które zmniejszałoby a nawet całkowicie likwidowało wytworzoną siłę ciągu.

- FEEP alta space


zaawansowany silnik jonowy elektrostatyczny wykorzystujący ciekły metal (zwykle cez lub ind) jako paliwo. silnik ten charakteryzuje się wyjątkowo małym ciągiem dlatego wykorzystywany jest przede wszystkim w systemach wymagających wysokiej precyzji korekty lotu. Paliwo w nim jest jonizowane a następnie przyspieszane przez silne pole elektryczne. Silniki tego typu mają bardzo wysoki impuls właściwy dochodzący do 10000s przy ciągu od kilku µN do kilku mN. Taki napęd jest często jedyną opcja dla misji wymagających bardzo precyzyjnego sterowania sondami, przykładem jest misja LISA Pathfinder gdzie zastosowane silniki miały moc ciągu od 0.1µN do 150 µN. Silniejsze wersje używa się na małych komercyjnych satelitach dla korekcji lotu.
« Ostatnia zmiana: Lipiec 24, 2010, 17:21 wysłana przez wini »

Offline wini

  • Weteran
  • *****
  • Wiadomości: 2588
  • LOXem i ropą! ;)
    • Kosmonauta.net
Odp: Napęd jonowy
« Odpowiedź #2 dnia: Lipiec 24, 2010, 17:12 »
Elektromagnetyczne silniki jonowe:

- pulsacyjne silniki jonowe(Pulsed inductive thrusters, w skrócie PIT ).


Ich cechą charakterystyczną jest napęd działający impulsowo a nie w trybie ciągłym oraz możliwość pracy przy energiach rzędu megawatów. Główną częścią takiego silnika jest cewka kształcie stożka otoczona rurka przez która emitowane jest paliwo. Zwykle używanym paliwem jest amoniak. Dla każdego impulsu gromadzony jest w kondensatorach za cewką duży ładunek i dopiero wtedy jest uwalniany. Po wypuszczeniu ładunku elektrycznego do cewki generowane jest radialne pole magnetyczne. To powoduje powstanie prądu w gazie napędowym, jego jonizację i wyrzucenie w kierunku odwrotnym niż kierunek z którego nadszedł impuls. Ponieważ ruch jonów jest prostopadły do pola magnetycznego następuje ich wystrzelenie w przestrzeń. W przeciwieństwie do silników elektrostatycznych silniki typu PIT nie potrzebują elektrod (które ulegają zużyciu) i ich moc jest skalowalna przez zwykłe zwiększenie ilości impulsów na sekundę.

-Magnetoplasmadynamic thruster(MPD )


Gaz napędowy wtłaczany jest najpierw do głównej komory gdzie jest jonizowany do plazmy przez pole elektryczne wytworzone między anodą i katodą. Wytworzona plazma zaczyna przewodzić prąd pomiędzy anodą i katodą. Ten nowy prąd wytwarza pole magnetyczne wokół katody które krzyżuje się z polem elektrycznym, powodując przyspieszenie plazmy za sprawą siły Lorentza. W teorii silniki tego typu mogą wytwarzać ekstremalnie wysoki impuls właściwy z prędkością wyrzutów gazów przez dysze ponad 110,000 m/s. Technologia ta ma także potencjał na uzyskanie siły ciągu rzędu 200 Newtonów. pozwoliłoby to na używanie silników jonowych także w miejscach gdzie potrzeba szybkiej zmiany delta-v sond kosmicznych (na przykład przy wejściu na orbitę planety). Wadą tego typu silników jest duże zapotrzebowanie na energie elektryczną, rzędu setek kilowatów dla optymalnej pracy. Wymagałoby to użycia nuklearnego źródła energii. Drugim problemem jest zużywanie się katod.

- Bez-elektrodowe plazmowe silniki jonowe
Silniki te nie mają anody i katody więc ich czas pracy nie jest ograniczony zużyciem tych dwóch części. Drugą cechą charakterystyczną jest możliwość sterowaniem ciągiem i impulsem właściwym silnika. Jest to możliwe dzięki rozdzieleniu fazy jonizacji i przyspieszenia na dwie komory. Gaz jonizowany jest w pierwszej komorze za pomocą fal elektromagnetycznych a następnie przekazywany jest do komory w której następuje jego przyspieszenie za pomocą oscylujących pół elektrycznych i magnetycznych.

- elektrotermiczne silniki
silniki których działanie polega na podgrzaniu paliwa w celu jego przyspieszenia. rodzaje: resistojet, arcjet, microwave electrothermal thrusters, ion cyclotron heating thrusters (VASIMR)

- helicon double layer thruster

Jest typem silnika plazmowego. Paliwo wpierw wtłaczane jest to podłużnej komory otwartej z jednej strony gdzie za pomocą fal elektromagnetycznych wytwarzanych przez antenę radiową zamieniane jest w plazmę. Pole magnetyczne na końcu komory powoduje rozszerzenie się plazmy w skutek czego wytwarzają się jej dwie rodzaje: jedna wewnątrz komory biegnącą z "prądem" i druga biegnącą "pod prąd". Podwójna warstwa tworzy się na granicy tych dwóch plazm co powoduje przyspieszenie plazmy z komory i wytworzenie ciągu.


Porównanie osiągów niektórych typów silników:

Silniki eksperymentalne:


Źródła:
http://en.wikipedia.org/wiki/Ion_engine
http://www.alta-space.com
« Ostatnia zmiana: Lipiec 24, 2010, 17:18 wysłana przez wini »

Offline wini

  • Weteran
  • *****
  • Wiadomości: 2588
  • LOXem i ropą! ;)
    • Kosmonauta.net
Odp: Napęd jonowy
« Odpowiedź #3 dnia: Lipiec 24, 2010, 17:19 »
jak zawsze wytknięcie wszelkich błędów mile widziane

Polskie Forum Astronautyczne

Odp: Napęd jonowy
« Odpowiedź #3 dnia: Lipiec 24, 2010, 17:19 »

Offline Matias

  • Moderator Globalny
  • *****
  • Wiadomości: 8007
Odp: Napęd jonowy
« Odpowiedź #4 dnia: Lipiec 28, 2010, 15:30 »
Świetny kawałek wiedzy nam tu wyłożyłeś wini! :)

Ta technologia jest mocniej rozwinięta/rozwijana niż myślałem dotychczas. Liczę na to, że kiedyś przy zastosowaniu nuklearnego źródła energii dojdzie do jakichś testów niektórych z tych napędów (ten MPD szczególnie mnie zaciekawił).

Jak to dokładnie jest z tym Isp, podaje się to w m/s, ale widzę także coś takiego jak 'specific impulse' podawany w tej tabelce oraz przy niektórych wartościach także w sekundach?

Offline Romek63

  • Weteran
  • *****
  • Wiadomości: 1051
  • 65-ty ROK EKSPLORACJI KOSMOSU
    • Nauka - Trek.pl
Odp: Napęd jonowy
« Odpowiedź #5 dnia: Czerwiec 02, 2012, 11:00 »
Znalazłem taki artykuł na temat projektu budowy małych silników jonowych. Chyba jeszcze nikt nie zamieścił tu tej informacji:

http://kopalniawiedzy.pl/silnik-jonowy-nanosatelita-MicroThrust-CleanSpace-One-OLFAR,15552

Piszą że wystrzeliwuje jony i dodatnie i ujemne. To chyba jakieś nowe rozwiązanie - pewnie zwiększa to jego ciąg ?


 


I jeszcze coś takiego:

Cytuj
http://www.geekweek.pl/silnik-jonowy-na-mocz/362425/
Silnik jonowy na mocz

Nowy silnik ma nie posiadać żadnych ruchomych elementów, a wszystkie części konstrukcji stykające się z paliwem są szklane lub ceramiczne dzięki czemu będzie on mógł wykorzystywać niemal każde „paliwo” – nawet mocz – zamiast bardzo drogich gazów szlachetnych. Generuje on ciąg w taki sam sposób jak inne silniki jonowe – wysyłając naładowane jony z dużą siłą na zewnątrz. Jednak robi on to bez żadnych ruchomych części – gaz jest wstrzykiwany do rury, która jest bombardowana falami radiowymi o częstotliwości 13.56 MHz. Cząsteczki gazu zmieniają się w plazmę i opuszczają rurę jednym z jej końców.

W Międzynarodowej Stacji Kosmicznej istnieje system, który wyciąga wodę z moczu – produkując płyn o pH w okolicach 1. Australijscy badacze uważają, że nadałby się on idealnie do nowego silnika. Usunęłoby to sporo problemów z drogi podczas długodystansowych podróży międzyplanetarnych.
Bo, co jeszcze ważniejsze, HDLT ma być bardzo wydajny ponieważ energia używana jest tylko do tworzenia plazmy i utrzymania pola elektromagnetycznego.

Już niedługo mają rozpocząć się testy, a gotowy satelita z silnikiem HDLT ma wystartować już w ciągu 2 lat. A potem co? Możemy lecieć na Marsa – co dzięki nowemu silnikowi ma zająć tylko 3 miesiące.

Brzmi to bardzo ciekawie. Czekam na więcej informacji odnośnie tego pomysłu.

A tu też bardzo pozytywna wiadomość  :)

Cytuj
Firma ATK otrzymuje kontrakt na rozwój innowacyjnych paneli słonecznych
http://www.kosmonauta.net/badania-rozwoj/menu-artykuly-badania-rozwoj/sprzet/4877-2012-12-01-panele-s%C5%82oneczne-atk



ATK zostało niedawno wybrane przez NASA w ramach Space Technology Program do realizacji innowacyjnego rozwiązania technologicznego dla eksploracji kosmosu. Firma zaproponowała lekkie panele słoneczne mające uzyskiwać dziesięciokrotnie więcej mocy z promieniowania słonecznego.[...]
Dodatkowym atutem ma być ich mała masa na jednostkę powierzchni. Większa moc pozwoli również zasilać elektryczny napęd w satelitach.
Myślę że takie panele super się przydadzą do zasilania silników jonowych. Pozwolą wyraźnie zwiększyć ich moc oraz rozpowszechnią ich stosowanie. I to nie tylko do satelitów ale także do sond kosmicznych przeznaczonych do badania Układu Słonecznego.


Offline Romek63

  • Weteran
  • *****
  • Wiadomości: 1051
  • 65-ty ROK EKSPLORACJI KOSMOSU
    • Nauka - Trek.pl
Odp: Napęd jonowy
« Odpowiedź #6 dnia: Styczeń 02, 2013, 18:19 »
A tu jeszcze miły polski akcent w tym temacie  :)

Cytuj
Kryptonowy silnik plazmowy dla sond kosmicznych
http://www.kosmonauta.net/index.php/Technologie/Hardware/2011-10-06-krypton.html

Zbudowany egzemplarz silnika typu Halla to prototypowe urządzenie, obecnie przygotowywane do testów w warunkach próżniowych. „Jeśli testy wypadną pomyślnie, czeka nas jeszcze optymalizacja silnika i cała seria badań kwalifikacyjnych. Zgłoszenie projektu do ESA w ramach II konkursu PECS, czyli Porozumienia o Europejskim Państwie Współpracującym, zawartego między Polską a ESA, zaowocowało pozytywną oceną.


Dr Jacek Kurzyna z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy
w Warszawie prezentuje elektryczny silnik plazmowy typu Halla do sond kosmicznych,
zoptymalizowany do pracy z kryptonem.


Aż nie chce mi się wierzyć że w Polsce można skonstruować coś co odniesie światowy sukces  :D Obym się mylił.


Rekordowy silnik jonowy
http://www.geekweek.pl/rekordowy-silnik-jonowy/373295/
http://kopalniawiedzy.pl/silnik-jonowy-NEXT-NASA-ksenon,17246
Cytuj
Inżynierowie NASA z Glenn Research Center opracowali jonowy silnik o nazwie NEXT (NASA’s Evolutionary Xenon Thruster), który ustanowił właśnie nowy rekord w długości działania. To właśnie on zasilać będzie sondy kosmiczne w przyszłości.
Silnik NEXT działał nieprzerwanie przez 43 tysiące godzin (niemal 5 lat) zużywając przez ten czas zaledwue 770 kilogramów paliwa – ksenonu – i dostarczając w tym czasie 30 milionów niutonosekund impulsu (popędu siły).


Silnik jonowy w pigułce – najważniejsze informacje o przełomowym napędzie rakietowym
http://gadzetomania.pl/2013/04/25/silnik-jonowy-w-pigulce-najwazniejsze-informacje-o-przelomowym-napedzie-rakietowym

Offline ekoplaneta

  • Weteran
  • *****
  • Wiadomości: 8158
Odp: Napęd jonowy
« Odpowiedź #7 dnia: Styczeń 02, 2013, 18:29 »
Może dałoby się coś takiego przypiąć do kolejnej sondy do Jowisza czy Saturna. Niestety ESA dla JUICE planuje zwykły napęd chemiczny, a szkoda bo ich (czy już nasz?) SMART testował właśnie silniki jonowe  :P

Offline Adam.Przybyla

  • Weteran
  • *****
  • Wiadomości: 6000
  • Realista do bólu;-)
Odp: Napęd jonowy
« Odpowiedź #8 dnia: Styczeń 02, 2013, 18:55 »
Może dałoby się coś takiego przypiąć do kolejnej sondy do Jowisza czy Saturna. Niestety ESA dla JUICE planuje zwykły napęd chemiczny, a szkoda bo ich (czy już nasz?) SMART testował właśnie silniki jonowe  :P
             ... nie jest tak zle, Bepi leci z napedem jonowym. W strone jowisza wymagane byloby jednak lepsze zaopatrzenie w energie. Dlatego bez reaktorkow jadrowcych nie liczylbym na wykorzystanie jonowcow do lotow w tamte okolice. BTW, ciekwe zestawienie parametrow silnikow, takze jonowych:
http://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_orbital_rocket_engines. Z powazaniem
                                                                                                                                                        Adam Przybyla
https://twitter.com/AdamPrzybyla
JID: adam.przybyla@gmail.com

Offline ekoplaneta

  • Weteran
  • *****
  • Wiadomości: 8158
Odp: Napęd jonowy
« Odpowiedź #9 dnia: Styczeń 03, 2013, 08:27 »
A czy RTG wystarczy do zasilania silników jonowych?

Offline Adam.Przybyla

  • Weteran
  • *****
  • Wiadomości: 6000
  • Realista do bólu;-)
Odp: Napęd jonowy
« Odpowiedź #10 dnia: Styczeń 03, 2013, 09:57 »
A czy RTG wystarczy do zasilania silników jonowych?
              ... hmmm, nie wiem czy inni to potwierdza, ale moim zdaniem sa za slabe i za drogie:
http://en.wikipedia.org/wiki/Radioisotope_thermoelectric_generator#Efficiency
Z powazaniem
                               Adam Przybyla
https://twitter.com/AdamPrzybyla
JID: adam.przybyla@gmail.com

Scorus

  • Gość
Odp: Napęd jonowy
« Odpowiedź #11 dnia: Styczeń 03, 2013, 13:18 »
Jak to dokładnie jest z tym Isp, podaje się to w m/s, ale widzę także coś takiego jak 'specific impulse' podawany w tej tabelce oraz przy niektórych wartościach także w sekundach?

Można i tak i tak.
http://en.wikipedia.org/wiki/Specific_impulse#Units

Offline jmvh

  • Weteran
  • *****
  • Wiadomości: 3168
Odp: Napęd jonowy
« Odpowiedź #12 dnia: Styczeń 03, 2013, 15:36 »
A czy RTG wystarczy do zasilania silników jonowych?

Do bardziej praktycznego użycia potrzeba silników jonowych o odpowiednio wysokim Isp uzyskiwanym przy zasilaniu ze źródła o mocy poniżej kilowata (obecnie prace idą raczej w drugą stronę...) oraz bardziej zaawansowanych generatorów, jak konstruowane przez NASA ASRG. Było o tym przy okazji studiów nad Innovative Interstellar Explorer.

Offline Romek63

  • Weteran
  • *****
  • Wiadomości: 1051
  • 65-ty ROK EKSPLORACJI KOSMOSU
    • Nauka - Trek.pl
Odp: Napęd jonowy
« Odpowiedź #13 dnia: Styczeń 03, 2013, 17:05 »
A czy RTG wystarczy do zasilania silników jonowych?
              ... hmmm, nie wiem czy inni to potwierdza, ale moim zdaniem sa za slabe i za drogie:
Za drogie być może, ale czy za słabe ? Są w stanie zasilać np. MSL Curiosity przez lata, a do silników jonowych miałyby za małą moc ?  :o

Scorus

  • Gość
Odp: Napęd jonowy
« Odpowiedź #14 dnia: Styczeń 03, 2013, 17:18 »
Kiedyś konkurentem propozycji misji na Plutona z APL (obecny New Horizons) była propozycja misji z RTG i napędem jonowym opracowana przez JPL. Miało to pozwolić na uniknięcie przelotu koło Jowisza i przedłużenie okna startowego.

Polskie Forum Astronautyczne

Odp: Napęd jonowy
« Odpowiedź #14 dnia: Styczeń 03, 2013, 17:18 »