En mere effektiv rumfartøjsmotor

NASA-ingeniører er færdige med at teste et nyt ion-fremdrivningssystem til jord-kredsløb og interplanetariske rumfartøjer. Systemet er mere kraftfuldt og brændstoføkonomisk end dets forgængere, hvilket gør det muligt at rejse længere end nogensinde før.

Ionkraft: NASAs nye ion-fremdrivningssystem er ved at blive testet på Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, CA.

Ionfremdrift fungerer ved elektrisk opladning eller ionisering af en gas, der bruger strøm fra solpaneler og udsender den ioniserede gas for at drive rumfartøjet i den modsatte retning. Konceptet blev først udviklet for over 50 år siden, og det første rumfartøj, der brugte teknologien, var Deep Space 1 ( DS1 ) i 1998. Siden da har der kun været få andre ikke-kommercielle rumfartøjer, der har brugt ionfremdrift: NASAs Dawn mission til det ydre solsystem, lanceret i 2007; den japanske deep space asteroid prøve returmission kaldet Hayabusa , lanceret i 2003; og Den Europæiske Rumorganisation lancerede SMART-1 rumfartøj i 2003, styrtede det ned på månen i 2006. (Der er mange kommercielle kommunikationssatellitter, der bruger ion-thrustere.)*

At bygge det nye ion-fremdrivningssystem under NASAs Evolutionary Xenon Thruster ( NÆSTE ) program, ingeniører hos NASA's Glenn Research Center i Cleveland, OH, ændrede og forbedrede designet af de motorer, der blev brugt til DS1 og Dawn. Vi gjorde det fysisk større, men lettere, reducerede systemets kompleksitet for at forlænge dets levetid og forbedrede generelt dets effektivitet, siger Michael Patterson, hovedefterforsker på projektet.

Patterson præsenterede et papir, der beskrev motoren på Fælles fremdriftskonference og udstilling afholdt denne uge i Denver. Han siger, at hans team kunne begynde at bygge en missionsklar version af motoren i januar 2010, hvilket ville tage omkring 36 måneder at færdiggøre.

Kemiske fremdriftssystemer er mest almindeligt brugt til rumfartøjer, men de kræver store mængder brændstof og er ineffektive til dybe rummissioner. Du er begrænset i, hvad du kan bringe til rummet, fordi du skal bære en raket, der for det meste er brændstof, siger Alexander Bruccoleri, forsker i luftfarts- og astronautikafdelingen ved MIT. Derudover, siger han, skal man kompensere for vægten og størrelsen af ​​drivmiddeltankene ved at bygge et rumfartøj, der er spinkelt eller ikke har mange strukturer til at forstærke det.

Som et alternativ er flere forskergrupper i gang med at udforske elektriske fremdriftssystemer. Selvom disse motorer producerer meget mindre fremdrift end kemiske motorer, er de meget effektive, hvilket gør dem ideelle til langdistancemissioner til asteroider, kometer eller planeter som Jupiter og Merkur. En af de største udfordringer inden for elektrisk fremdrift er imidlertid systemets høje effekt og levetid, siger Daniel Brent White, en anden forsker i luftfart og astronautik ved MIT.

*Takket være læsernes kommentarer blev disse oplysninger rettet til at omfatte de europæiske og japanske missioner.

Den nye ionmotor bygger på de elektriske fremdriftssystemer, der bruges af begge DS1 og Dawn, siger Patterson. Den bruger samme metode til at opnå fremdrift: xenongas strømmer ind i et reaktionskammer inde i motoren og ioniseres af elektroner; elektromagneter placeret rundt om dette kammer øger effektiviteten af ​​ionisering. Elektroder placeret nær motorens thrustere (kendt som ionoptik) bruges derefter til at accelerere ionerne elektrostatisk og skyde dem ud af udstødningen for at skubbe rumfartøjet fremad.

Glenn Research Centers ingeniører optimerede det mekaniske design af motorens magneter og ionoptik og foretog andre modifikationer, herunder reduktion af antallet af thrustere, for at gøre systemet mere kraftfuldt og mere effektivt. Motoren har et højere effektniveau og et større reguleringsdynamikområde – den kan gå fra meget høj effekt til meget lav effekt – så den kan fungere i længere tid og bedre udføre sin mission, siger Patterson.

Michael Huggins, direktoratet for rum- og missilfremdrift i Air Force Research Laboratory ved Edwards Air Force Base i Californien, siger, at det er vigtigt at finde måder at gøre fremdrivningssystemer mere effektive, mindre og mere økonomiske. Det faktum, at NASA kigger på mere effektive enheder til interplanetariske missioner, er bestemt det rigtige svar, siger han.

Der er dog potentielle ulemper ved ionisk fremdrift. For eksempel kan solenergi ikke bruges for langt fra solen. Solenergi vil bare ikke fungere til afstande som Neptun, siger White, der på samme konference præsenterede et papir om at bruge atomenergi som en strømkilde til dybe rummissioner. Selvom dette ville give masser af kraft i det dybe rum, ville sikkerhedshensyn gøre det politisk udfordrende at opsende et atomdrevet rumfartøj.

Den eneste konkurrent, vi virkelig har, er avanceret kemisk teknologi, siger Patterson. Fordelen, vi har, er, at vi er meget brændstoføkonomiske. Således, til komplekse planetariske missioner, der kræver masser af energi, siger Patterson, går USA og dets internationale partnere, herunder Japan og europæiske nationer, over til ionfremdrivningsmotorer.

skjule