Fyzikální pohony nejsou scifi

Transkript

1 Fyzikální pohony nejsou scifi Plazma, jaderná energie, fotony a jiné koně pod kapotou Jaroslav Kousal

2 Úkol pro prapra...vnuky Kapitáne, přišli jsme o warp! Přejděte na impuls!

3 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 Palivo tvoří 90% 50% 10% hmotnosti Isp [N.s/kg] Sojuz TMA

4 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)

5 Kosmické pohony status quo 1M tah [N] 1k chemické TPH KPH. FYZIKA 1 1m 1µ specifický impuls [N.s.kg ]

6 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 specifický impuls [N.s.kg ].

7 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 MW kw W specifický impuls [N.s.kg ].

8 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

9 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

10 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

11 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 N.s.kg-1 hybridní pro pohony vyšších stupňů zatím nepoužívané MON + MMH EADS S10-01, tah 10N např. Galileo, Eutelsat

12 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

13 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 atm, pracovní několik atm Isp 700 N.s.kg-1 (N2) ( N.s.kg-1) Tah typicky desítky - stovky mn, příkon W nejmenší impuls 1-10 mn.s miniaturizované verze Marotta U.K.

14 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

15 Jaderné pohony

16 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 N.s.kg-1 elektrostatické - elektronový bombard, Hallův jev, autoemisní, koloidní hlavní tah dělají ionty urychlené elektrickým polem Isp N.s.kg-1 velmi malý tah elektromagnetické (plazmové) - pulzní, magnetoplazmadynamické efekty kombinací elektrického a magnetického pole Isp N.s.kg-1 velký (okamžitý) příkon

17 Resistojety elektrotermální pohon pracovní látka zahřívána průchodem elektrickým topným tělesem může být použit pro zlepšení Isp plynových motorků (N 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

18 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

19 Zatím nejsilnější elektrický pohon letový ESEX (1999) na sondě ARGOS 26kW, 7800 N.s/kg, 2N test 2000s celkem Arcjet NASA/Ames

20 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 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)

21 Iontový motor s urychlovací mřížkou Isp N.s.kg-1 (nejvyšší z běžných typů pohonů) Ionty urychleny dvojicí mřížek s velkým rozdílem potenciálů např. 20 cm, d=1 mm

22 Iontový motor mřížkou maximální rychlost iontů s urychlovací hodin životnost přes 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

23 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, N.s.kg-1, 20mN (500W) - 90mN (2300W), hodin, v 5 km.s-1 Hayabusa - k planetce Itokawa ECR ionizace, 4x20 mn

24 Iontový motor s urychlovací mřížkou Dawn - start přelet k planetkám Vesta a Ceres vč. orbity GOCE (ESA) - start kompenzace negravitačních vlivů(2x20mn)

25 Iontový motor s Hallovým efektem drift náboje ve zkříženém elektrickém a magnetickém poli Isp 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

26 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

27 Iontový motor s Hallovým efektem vývoj menších motorů zejména v Rusku v 70.letech SMART-1 (2003) k Měsíci - motor PPS cm, max. 1200W, max. 70mN, N.s.kg-1, 5000 h, v 4 km.s-1

28 Koloidní a FEEP pohony podobné jako mřížkový iontový motor velmi malé výkony a tahy (od µn) Koloidní elektrosprej v nabité vodivé kapalině N.s.kg-1 FEEP (Field Emission Electrostatic Propulsion) ionizace polem, použitelný s Cs a In N.s.kg-1

29 Pulzní plazmové motorky (PPT) Loretzova síla spolu s tepelnou expanzí "vystřelí" plazma vzniklé erozí tyčinky paliva, obvykle teflonu (pevné palivo) Isp 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.

30 Magnetoplazmadynamické pohony s externím magnetickým polem nebo s polem samotným plazmatem Isp 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

31 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 N.s.kg (nepřímo k tahu) možnost využít pomalých i rychlých trajektorií

32 S dálkovým přenosem energie obvykle s přímou termální přeměnou např. solární, laserové

33 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

34 Gravitační prak Využití hybnosti planety (měsíce) při blízkém průletu Velké úspory v, obvykle za cenu prodloužení přeletového času Velká cesta - Voyager 1 a 2

35 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

36 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

37 Sluneční plachta využívá tlak záření (u Země 4, Pa), bez paliva velká odrazná plocha, minimální hmotnost pro praktické využití nutno vyvinout co nejlehčí odrazivé fólie foton: p=e/c Ikaros (JAXA) Nanosail-D (NASA) / Lightsail-1 (PlanSoc.)

38 Nejen pohon Echo I (1960), Echo II (1964) vliv záření na balónovou retranslační družici Mariner 10 (1973) udržování směru natočení

39 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)

40 Elektromagnetické tethery orbitální dynamo buď čerpání energie na úkor oběžné rychlosti nebo naopak nutnost uzavřít obvod přes ionosféru testy např TSS-1R (1996)

41 Další koncepty Magnetická plachta, kosmický výtah, atd.

42 Děkuji za pozornost!