Iontový motor
Iontový motor je jedna z možných pohonných jednotek kosmických lodí a sond. Stejně jako další raketové motory pracuje na principu akce a reakce. Využívá paprsek iontů urychlených na rychlosti v řádu desítek km/s. Tím dosahuje mnohem vyššího specifického impulsu než chemické rakety – ať už na tuhá, nebo kapalná paliva. Snad úplně první kosmickou sondou využívající po delší dobu iontový motor byla Deep Space 1 , která provedla i mnoho technických úkonů.[1]
Za oficiálního otce konceptu elektrického raketového pohonu je považován K. E. Ciolkovskij. Ten v roce 1911 spekuloval o tom, že by elektrické pole mohlo být využito pro urychlování částic a tak vytvářet tah rakety. První doložený záznam, ve kterém bylo uvažováno o elektrostatickém urychlování nabitých částic, byl ale nalezen v deníku Roberta H. Goddarda, kde ručně psaný zápis této myšlenky měl datum 6. září 1906. První experimenty s iontovými raketami byly uskutečněny právě Goddardem na Clarkově universitě v letech 1916–1917. V roce 1917 si Goddard nechává patentovat předchůdce iontového motoru. Technika byla doporučena pro podmínky blížící se vakuu ve velkých výškách, ale tah byl demonstrován s ionizovaným vzdušným proudem za atmosférického tlaku.
První iontový motor vyvinul na základě duoplazmatronu v šedesátých letech Harold R. Kaufman v NASA. Roku 1964 byl s tímto motorem proveden suborbitální let na palubě lodi Space Electric Rocket Test 1 (SERT 1). Motor pracoval 31 minut a poté loď spadla zpět na Zem.
Typy iontových motorů
Existuje a používá se několik typů iontových motorů a další se vyvíjejí.
- Elektrostatický iontový motor
- Autoemisní elektrický motor
- Hallův motor
- Šroubovitý dvojvrstvý motor
- Motor s dutou elektrodou
- Pulzně buzený motor
- Air Breathing[2]
Obecná konstrukce
Nejjednodušším typem iontového motoru je elektrostatický iontový motor v němž jsou kladné ionty těžkého inertního plynu argonu nebo páry rtuti urychlovány rozdílem elektrického potenciálu elektrodami ve tvaru mřížky. Za výstupní tryskou jsou ionty neutralizovány elektronovým dělem pro zachování celkové elektrické neutrality motoru.
Zdroje energie
K výhodám iontového pohonu patří to, že jako zdroj energie se nevyužívá chemických reakcí paliva, nýbrž elektrické energie, kterou lze získat ze solárních článků nebo radioizotopového termoelektrického generátoru. Nezvyšuje se tak hmotnost motoru a váha pracovní látky tak tvoří menší část celkové hmotnosti pohonné jednotky. Nově vyvíjený typ iontového motoru Air Breathing, na kterém se podílejí firmy SpaceLab EU a Výzkumný a zkušební letecký ústav, využívá urychlení zbytkové zemské atmosféry.[2] Tím je umožněno družicím zůstávat delší dobu na velmi nízkých oběžných drahách.
Využití energie
Ionty v motoru jsou urychlovány na rychlosti v řádech desítek až stovek km/s, a tudíž jeho palivová účinnost je výrazně vyšší než u chemických motorů (s maximální výstupní rychlostí 3–4 km/s). To znamená vyšší specifický impuls. S menší hmotností neseného paliva je motor schopen urychlit kosmickou loď na vyšší rychlost.
Za ideálních podmínek je kladnému iontu udělena rychlost:
Ve skutečnosti je rychlost o něco nižší a také vektor rychlosti jednotlivých iontů má určitý rozptyl výstupního úhlu vzhledem k nárazům na výstupní mřížku.
Tah motoru
Přesto, že iontový motor má specifický impulz kolem 30 kN·s/kg, což je asi desetkrát více než u klasických pohonů, jeho nevýhodou je nízký tah. Tento typ pohonu obvykle sondám uděluje zrychlení v řádu 0,01 m/s2, proto je v současnosti používán pouze v dlouhodobých misích. V rámci projektu HiPEP byl vyvíjen iontový pohon s vyšším tahem, byl však pro pozastavení financování přerušen.
Životnost
Životnost iontového motoru je ovlivněna rychlostí nárazů urychlených částic na elektrody a množstvím nesené pracovní látky. Poslední výzkumy naznačují, že je možné téměř zcela eliminovat efekt opotřebení mřížky. Vzhledem k nízkému zrychlení sond je nutná doba provozu několik měsíců až let. Velikost urychlujícího napětí musí být přizpůsobena očekávané životnosti. Není možné využívat příliš velké rozdíly napětí proto, že by se elektrody rychle opotřebovaly. Obvykle se používá napětí kolem 5 kV.
Mise s iontovým pohonem
- Deep Space 1 — sonda NASA, která vůbec poprvé iontový pohon testovala
- Smart 1 — první sonda ESA s Hallovým motorem
- Hayabusa — sonda JAXA, která testovala nové technologie pro budoucí sondy
- Dawn
- Zond 2
- GOCE
- Hajabusa 2
- BepiColombo
Odkazy
Reference
- ↑ This Thruster can Propel a Spacecraft Almost Indefinitely [online]. Spojené státy americké: YouTube (Science Channel), 2016-06-11, rev. 2017 [cit. 2018-03-30]. Dostupné online. (english)
- ↑ a b Iontové motory pro družice z Česka [online]. 29.11.2018 [cit. 2018-12-05]. Dostupné online.
Externí odkazy
Obrázky, zvuky či videa k tématu Iontový motor na Wikimedia Commons
Média použitá na této stránce
DS1 Ion Engine Diagram.
Caption from the source webpage:
The ion propulsion system (IPS), provided by NSTAR (NASA SEP Technology Application Readiness), uses a hollow cathode to produce electrons to collisionally ionize xenon. The Xe+ is electrostatically accelerated through a potential of up to 1280 V and emitted from the 30-cm thruster through a molybdenum grid. A separate electron beam is emitted to produce a neutral plasma beam. The power processing unit (PPU) of the IPS can accept as much as 2.5 kW, corresponding to a peak thruster operating power of 2.3 kW and a thrust of 92 mN. Throttling is achieved by balancing thruster and Xe feed system parameters at lower power levels, and at the lowest thruster power, 500 W, the thrust is 20 mN. The specific impulse decreases from 3100 s at high power to 1900 s at the minimum throttle level.
This image of a xenon ion engine, photographed through a port of the vacuum chamber where it was being tested at NASA's Jet Propulsion Laboratory, shows the faint blue glow of charged atoms being emitted from the engine.
The ion propulsion engine is the first non-chemical propulsion to be used as the primary means of propelling a spacecraft. The first flight in NASA's New Millennium Program, Deep Space 1 is designed to validate 12 new technologies for scientific space missions of the next century. Ion propulsion was first proposed in the 1950s and NASA performed experiments on this highly efficient propulsion system in the 1960s, but it was not used aboard an American spacecraft until the 1990s.
Deep Space 1 was launched in October 1998 as part of NASA's New Millennium Program, which is managed by JPL for NASA's Office of Space Science, Washington, DC. The California Institute of Technology in Pasadena manages JPL for NASA.
The almost imperceptible thrust from the ion propulsion system is equivalent to the pressure exerted by a sheet of paper held in the palm of your hand. The ion engine is very slow to pick up speed, but over the long haul it can deliver 10 times as much thrust per pound of fuel as more traditional rockets.
Unlike the fireworks of most chemical rockets using solid or liquid fuels, the ion drive emits only an eerie blue glow as ionized (electrically charged) atoms of xenon are pushed out of the engine. Xenon is the same gas found in photo flash tubes and many lighthouse bulbs.Schematic of a Hall effect thruster electric propulsion device. This is a cross-section of a radially-symmetric device.