Et rumfartøjs fremdriftssystem er et system af et rumfartøj , der sørger for sin acceleration . Konverterer forskellige typer energi til mekanisk energi, mens både energikilder og selve konverteringsmetoderne kan være forskellige; hver metode har sine fordele og ulemper, deres forskning og søgen efter nye muligheder fortsætter den dag i dag.
Den mest almindelige type fremdriftssystem til rumfartøjer er den kemiske raketmotor , hvor gas strømmer med høj hastighed fra en Laval-dyse . Derudover er raketinstallationer uden brændstofforbrænding, herunder elektriske raketmotorer og andre, blevet udbredt. Lovende motorer er installationer baseret på et solsejl .
Efter at have opsendt rumfartøjet ud i rummet , skal dets position i rummet korrigeres. I den indledende fase kan dette skyldes behovet for at overføre apparatet til en given bane eller bane, samt at sikre maksimal belysning af solpaneler , retningsbestemmelsen af antenner og observationssystemer. I fremtiden kan kredsløbsmanøvrer [1] udføres , der er forbundet både med brugen af apparatet til dets tilsigtede formål, og forårsaget af teknisk nødvendighed, for eksempel i tilfælde af undvigelse fra andre objekter [2] . LEO-systemer er desuden udsat for opbremsning af atmosfæren, hvorfor opretholdelse af deres kredsløb i lang tid kræver, at apparatet har et fremdriftssystem [3] . Efter at manøvremulighederne er udtømt, anses perioden for enhedens aktive levetid for afsluttet.
Opgaven for fremdriftssystemet for interplanetariske køretøjer kan være acceleration til den anden rumhastighed (nogle gange bruges det sidste trin af løftefartøjet til dette ). Korrektion af banen udføres normalt ved en række korte starter af motoren, mellem hvilke enheden er i fri flyvning. Den mest effektive måde at flytte et rumfartøj fra en cirkulær bane til en anden er en elliptisk overførselsbane, der tangerer begge cirkulære baner. For at danne det, bruges en række accelerationer i den indledende sektion, og en række decelerationer i den sidste sektion, resten af tiden bevæger enheden sig ved inerti [4] . Nogle gange bruges specielle metoder til bremsning - for eksempel på grund af planetens atmosfæres aerodynamiske modstand [5] .
Nogle typer fremdriftssystemer, såsom elektriske raketmotorer eller solsejl [6] , giver en lille stigning i hastigheden under langvarig handling. I dette tilfælde vil det interplanetariske køretøjs bane være anderledes: konstant acceleration i den første del af stien og konstant deceleration i den anden. Solsejlet som propel blev med succes testet på det japanske IKAROS- apparat [7 ] .
Interstellar rejser kræver også sine egne fremdriftssystemer. I øjeblikket eksisterer sådanne enheder ikke, men deres mulige muligheder diskuteres. Afstanden til de nærmeste stjerner til Solen er ekstrem stor, og at nå målet i rimelig tid kræver en høj flyvehastighed. Acceleration og deceleration af et interstellart rumfartøj er ikke en let opgave for designere. [otte]
Fremdriftssystemets hovedopgave er at ændre rumfartøjets hastighed. Da den nødvendige energi til dette afhænger af apparatets masse, bruger designere begrebet momentum , som er lig med produktet af masse og hastighed [9] . Således ændrer fremdriftssystemet rumfartøjets momentum.
For køretøjer, hvis fremdrivningssystem opererer på opsendelsesstedet (som f.eks. i rumfærgens transportsystem ) , skal den valgte accelerationsmetode sikre overvindelse af Jordens tyngdekraft - giv køretøjet den første flugthastighed [10] , som for Jorden er omkring 7,9 km/s. Når man bevæger sig rundt på planeten, fører påvirkningen af fremdriftssystemet til en ændring i apparatets kredsløb.
Opnåelsen af den indstillede hastighed kan sikres ved korte koblingsperioder af fremdriftssystemet ved høje accelerationer eller ved lange koblingsperioder med lave accelerationer. Samtidig er den anden metode af ringe nytte til at opsende apparatet ud i rummet, da det kræver ublu energiomkostninger at overvinde planetens tyngdekraft. Et legeme, der sendes ud i rummet i den indledende fase af banen, kan dog, ligesom et fly, bruge vingens løftekraft, indtil det når mindre tætte lag af atmosfæren.
En person er vant til virkningen af tyngdekraften, karakteriseret ved en acceleration af frit fald på omkring 9,8 m / s² eller 1 g. For et bemandet køretøj ville et ideelt fremdriftssystem være et system, der giver en konstant acceleration svarende til denne værdi, hvilket ville eliminere ubehagelige fænomener for besætningen: kvalme, muskelsvaghed, calciumudvaskning fra knoglevæv, tab af smag. Det er imidlertid vanskeligt at sikre en sådan acceleration: under opsendelsen ville dette føre til ineffektivt brændstofforbrug, og i rummet ville det ikke svare til apparatets hovedopgaver eller ville føre til for lang flyvetid.
Loven om bevarelse af momentum siger, at når et rumfartøjs momentum ændres, skal momentum af noget andet ændre sig, for at systemets samlede momentum er konstant. For fremdriftssystemer, der anvender energien fra magnetiske felter eller let tryk, eksisterer dette problem ikke, men de fleste rumfartøjer er tvunget til at have en forsyning af arbejdsvæske om bord , på grund af afvisningen, hvis momentum af selve apparatet kan ændre sig. Fremdriftssystemer, der fungerer efter dette princip, kaldes reaktive .
For at accelerere arbejdsvæsken er der brug for energi, som kan fås fra forskellige kilder. I raketmotorer med fast drivmiddel , flydende og hybrider frigives energi under komponenternes kemiske reaktion, og arbejdsvæsken er den resulterende gas, som strømmer ud af dysen under højt tryk. I en ionmotor bruges elektrisk energi til at accelerere partikler af arbejdsvæsken, opnået fra solpaneler , et atomkraftværk eller fra andre kilder. [ti]
Ved evaluering af effektiviteten af jetfremdrivningssystemer anvendes begrebet specifik impuls , som er lig med forholdet mellem den genererede impuls og arbejdsfluidens strømningshastighed. I SI-systemet har den specifikke impuls dimensionen "meter per sekund", men i praksis bruges dimensionen af MKGSS-systemet - "sekund" oftere.
En højere specifik impuls svarer til en højere udåndingshastighed af arbejdsfluidet, men den energi, der kræves for at accelerere arbejdsfluiden, er proportional med kvadratet på hastigheden, på grund af hvilken energien med en stigning i den specifikke impuls effektiviteten af fremdrivningssystemet falder. Dette er en ulempe ved højeffektmotorer, hvilket resulterer i, at de fleste højspecifikke impulsmotorer har lavt tryk, såsom elektriske raketmotorer.
Fremdriftssystemer er opdelt i flere typer afhængigt af de fysiske principper, der ligger til grund for dem.
Jetfremdrivningssystemet ændrer rumfartøjets hastighed ved at kaste arbejdsvæsken. I dette tilfælde adlyder apparatets bevægelse loven om bevarelse af momentum og dets konsekvenser.
Eksempler på jetmotorer er raketmotorer, herunder elektriske, motorer, der bruger komprimeret gas, og eksotiske varianter baseret på elektromagnetiske boostere . På opsendelsesstedet kan rumfartøjer bruge jetmotorer drevet af atmosfærisk ilt.
Kemisk raketmotorDe fleste raketmotorer er forbrændingsmotorer . Arbejdsvæsken i dem er en varm gas, som dannes ved reaktionen af brændstof med et oxidationsmiddel i forbrændingskammeret.l. I nogle tilfælde bruges en eller flere end to komponenter som brændstof. Produkterne af en kemisk reaktion fra forbrændingskammeret kommer ind i Laval-dysen, som sikrer den maksimale omdannelse af termisk energi til kinetisk energi . Gassens udgangshastighed er typisk ti gange lydens hastighed ved havoverfladen.
Kemiske raketmotorer er de mest kraftfulde blandt alle typer rumfartøjsmotorer. De bruges blandt andet ved opsendelse af køretøjer ud i rummet.
Ionraketmotorprojektet involverer opvarmning af et plasma eller ioniseret gas inde i en " magnetisk flaske " og frigive den gennem en " magnetisk dyse ". I dette tilfælde kommer plasmaet ikke i kontakt med dele af apparatet. At skabe en sådan motor er en ekstremt vanskelig opgave, men dens principper bliver allerede brugt i kernefysik eller bliver testet i laboratoriet.
Elektrisk raketmotorUd over at accelerere arbejdsvæsken på grund af gasdynamiske kræfter, er det muligt at bruge direkte påvirkning på dets partikler. Til dette bruges elektromagnetiske kræfter, og som regel vælges gas som arbejdsfluid. På grund af elektrisk energi bliver gassen først ioniseret, og derefter accelereret af et elektrisk felt og kastet ud af motoren ved høj hastighed.
Muligheden for at skabe en sådan motor i 1906 blev første gang nævnt af Robert Goddard i hans notesbog [11] . I 1911 blev en lignende idé udgivet af Konstantin Tsiolkovsky .
For elektriske raketmotorer er energieffektiviteten omvendt proportional med udstrømningshastigheden af arbejdsvæsken og det genererede tryk. På grund af dette, med den moderne udvikling af energi, er fremdriftssystemer af denne type laveffekt, men samtidig forbruger de en meget lille mængde af arbejdsvæsken.
Når man flyver i relativt tæt afstand fra Solen, kan energi til elektriske raketmotorer opnås ved hjælp af solpaneler. Når man flyver ud i det dybe rum, er det nødvendigt at bruge en anden energikilde - for eksempel en atomreaktor .
Kraftværkets evner er den vigtigste begrænsende faktor i brugen af elektriske raketmotorer, da sammen med mængden af genereret energi øges massen af selve installationen, hvilket øger rumfartøjets masse og det nødvendige tryk for dets acceleration.
Eksisterende atomkraftværker vejer omkring halvdelen af solceller med samme effekt, når de opererer i nærheden af jordens kredsløb. Kemiske generatorer bruges ikke på grund af kortere driftstider. En af de lovende muligheder for strømforsyning til rumfartøjer er overførsel af energi i form af en stråle, men spredningstab gør denne metode uegnet til langdistanceflyvninger.
Elektriske raketmotorer inkluderer:
I elektrotermiske og elektromagnetiske thrustere accelereres ioner og elektroner samtidigt, hvilket eliminerer behovet for fluxneutralisering.
Loven om bevarelse af momentum fastslår, at det er umuligt at ændre placeringen af rumfartøjets massecenter uden at kassere det arbejdende legeme. Imidlertid virker gravitationskræfter, magnetfelter og solstråling i rummet. Flere fremdriftssystemer er baseret på deres anvendelse, men på grund af fordelingen af disse kræfter i rummet er installationerne store.
Der er flere motorer, der ikke kræver en arbejdsvæske eller kræver en ekstrem lille mængde af det. Disse omfatter tøjringssystemer [12] , solsejl , der bruger let tryk, og magnetiske sejl , der reflekterer solvinden ved hjælp af et magnetfelt.
Rumfartøjet adlyder loven om bevarelse af vinkelmomentum , derfor kan en del af dette apparat, der drejer i den modsatte retning, i stedet for at rotere rundt om massecentret bruges som et fremdriftssystem. Dette kræver ikke forbrug af arbejdsvæsken, dog påvirkes apparatet af eksterne kræfter, f.eks. gravitation eller aerodynamisk [13] , hvilket periodisk kræver "aflæsning" af hovedfremdrivningssystemet på en anden måde, f.eks. , på grund af jetmotorer. Implementeringen af dette princip er kraftgyroskoper (gyrodyner). [fjorten]
En anden måde at bruge planetens gravitationsfelt på er en inertimotor. Det er baseret på ændringen i apparatets inertimoment i forskellige dele af kredsløbet, men for at opnå en håndgribelig effekt skal systemets dimensioner være tilstrækkeligt store.
Også for at ændre rumfartøjets bane bruges en tyngdekraftsmanøvre . I dette tilfælde bruges tyngdekraften af himmellegemer til acceleration eller deceleration. [15] Ved brug af en raketmotor kan effektiviteten af tyngdekraftsmanøvren øges.
Der er flere hypotetiske varianter af rumfartøjers fremdriftssystemer baseret på nye fysiske principper og muligvis ikke implementeret i praksis. Indtil videre er følgende af særlig interesse:
Nedenfor er en sammenligningstabel over forskellige typer fremdriftssystemer, herunder både dokumenterede og hypotetiske muligheder.
Den første kolonne indeholder den specifikke impuls (svarende til udstrømningshastigheden af arbejdsvæsken) eller dens ækvivalente værdi for ikke-reaktive motorer, den anden kolonne er motorens trækkraft, den tredje er motorens driftstid, den fjerde er den maksimale hastighedsstigning (for et enkelttrinssystem), mens:
Den femte kolonne angiver niveauet af teknologiberedskab:
| Type | Tilsvarende specifik impuls (km/s) |
Drivkraft ( N ) |
Arbejdstid _ |
Maks. hastighedsstigning (km/s ) |
Beredskabsniveau _ |
|---|---|---|---|---|---|
| Raketmotor med fast drivmiddel | 1-4 | 10 3 — 10 7 | minutter | ~ 7 | 9 |
| Hybrid raketmotor | 1,5-4,2 | <0,1 - 10 7 | minutter | > 3 | 9 |
| Enkeltkomponent raketmotor | 1-3 | 0,1 - 100 | millisekunder/minutter | ~ 3 | 9 |
| Raketmotor med flydende drivmiddel | 1,0-4,7 | 0,1 - 10 7 | minutter | ~9 | 9 |
| ion motor | 15 - 210 [17] | 10 -3 - 10 | måneder/år | > 100 | 9 |
| hall effekt motor | 8-50 | 10 -3 - 10 | måneder/år | > 100 | 9 [18] |
| Modstand raketmotor | 2-6 | 10 -2 - 10 | minutter | ? | 8 [19] |
| Elektrisk raketmotor termisk | 4-16 | 10 -2 - 10 | minutter | ? | otte |
| Elektrostatisk raketmotor | 100 [20] - 130 | 10 −6 [20] — 10 −3 [20] | måneder/år | ? | 8 [20] |
| Pulserende plasmadrev | ~ 20 | ~0,1 | ~2000-10000 timer | ? | 7 |
| dual-mode raketmotor | 1-4,7 | 0,1 - 10 7 | millisekunder/minutter | ~ 3 - 9 | 7 |
| sol sejl | 300.000 (let tryk) 145-750 ( solvind ) |
9 til 1 a. e. 230 pr. 0,2 a. e. 10 −10 pr. 4 St. år (for et 1 km² sejl) |
ubegrænset | > 40 | 9, 6, 5 |
| Tre-vejs raketmotor | 2,5-5,3 | 0,1 - 10 7 | minutter | ~9 | 6 [21] |
| Magnetoplasmodynamisk motor | 20-100 | 100 | uger | ? | 6 [22] |
| nuklear raketmotor | 9 [23] | 10 7 [23] | minutter [23] | > ~ 20 | 6 |
| Elektromagnetisk accelerator | 0 - ~30 | 10 4 — 10 8 | måneder | ? | 6 |
| Reb system | — | 1—10 12 | minutter | ~ 7 | 7 [24] |
| ramjet motor | 5-6 | 0,1 - 10 7 | sekunder/minutter | > 7? | 6 [25] [26] |
| Atmosfærisk luftvæskemotor | 4.5 | 10 3 — 10 7 | sekunder/minutter | ? | 6 |
| Pulserende induktiv motor | 10-80 [27] | tyve | måneder | ? | 5 [27] |
| Elektromagnetisk raketforstærker | 10-300 | 40 - 1.200 | dage/måneder | > 100 | 5 |
| Plasma motor | 10-130 | 0,1-1 | dage/måneder | > 100 | 5 |
| solar raketmotor | 7-12 | 1 - 100 | uger | > ~ 20 | 4 [28] |
| radioisotop raketmotor | 7-8 | 1,3 - 1,5 | måneder | ? | fire |
| Nuklear elektrisk raketmotor | variabel | variabel | variabel | ? | fire |
| Projekt "Orion" (nukleart "sprængstof") | 20-100 | 10 9 — 10 12 | adskillige dage | ~ 30-60 | 3 [29] [30] |
| plads elevator | — | — | ubegrænset | > 12 | 3 |
| Raketmotor SABER | 30/4,5 | 0,1 - 10 7 | minutter | 9.4 | 3 |
| Magnetisk sejl | 145-750 | 70/40 tons [31] | ubegrænset | ? | 3 |
| Mini Magnetospheric Plasma Thruster | 200 | ~1 N/kW | måneder | ? | 3 [32] |
| Beam (laser) motor | variabel | variabel | variabel | ? | 3 |
| Affyringsløkke / rumbro | — | ~10 4 | minutter | ≫ 11 - 30 | 2 |
| Daedalus-projektet | 20-1000 | 10 9 — 10 12 | flere år | ~ 15.000 | 2 |
| Gasfase nuklear jetmotor | 10-20 | 10 3 — 10 6 | ? | ? | 2 |
| Nuklear raketmotor på en homogen opløsning af salte af nukleart brændsel | 100 | 10 3 — 10 7 | en halv time | ? | 2 |
| Sejl på partikler af nukleart henfald | ? | ? | ? | ? | 2 |
| Raketmotor drevet af nukleare fissionspartikler | 15.000 | ? | ? | ? | 2 |
| Foton motor | 300.000 | 10 -5 - 1 | år/årtier | ? | 2 |
| Fusion raketmotor | 100-1000 | ? | ? | ? | 2 |
| Antimaterie Katalytisk Nuklear Pulse Raketmotor | 200-4000 | ? | ugens dage | ? | 2 |
| Bassard interstellar ramjet | 2,2-20.000 | ? | ubegrænset | ~30.000 | 2 |
| Alcubierre motor | > 300.000 | ? | ? | ubegrænset | 2 |
| warp-drev | > 300.000 | ? | ? | ubegrænset | en |
| Type | Tilsvarende specifik impuls (km/s) |
Drivkraft (N) |
Arbejdstid _ |
Maksimal hastighedsstigning (km/s ) |
Beredskabsniveau _ |