211service.com
En mer effektiv rymdfarkostmotor
NASA-ingenjörer har testat klart ett nytt jonframdrivningssystem för rymdfarkoster som kretsar runt jorden och interplanetära. Systemet är kraftfullare och bränslesnålare än sina föregångare, vilket gör att det kan resa längre än någonsin tidigare.
Jonkraft: NASA:s nya jonframdrivningssystem testas vid Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, CA.
Jonframdrivning fungerar genom att elektriskt ladda, eller jonisera, en gas som använder kraft från solpaneler och avger den joniserade gasen för att driva rymdfarkosten i motsatt riktning. Konceptet utvecklades först för över 50 år sedan, och den första rymdfarkost som använde tekniken var Deep Space 1 ( DS1 ) 1998. Sedan dess har det bara funnits ett fåtal andra icke-kommersiella rymdfarkoster som har använt jonframdrivning: NASA:s Gryningsuppdrag till det yttre solsystemet, lanserat 2007; det japanska djupa rymd-asteroidprovet returuppdrag kallat Hayabusa , lanserades 2003; och European Space Agency lanserade SMART-1 rymdfarkost 2003, kraschade den på månen 2006. (Det finns många kommersiella kommunikationssatelliter som använder jonpropeller.)*
Att bygga det nya jonframdrivningssystemet under NASA:s Evolutionary Xenon Thruster ( NÄSTA ) program, ingenjörer på NASA Glenn Research Center i Cleveland, OH, modifierade och förbättrade designen av motorerna som används för DS1 och Dawn. Vi gjorde det fysiskt större, men lättare, minskade systemets komplexitet för att förlänga dess livslängd, och totalt sett förbättrade dess effektivitet, säger Michael Patterson, huvudutredare för projektet.
Patterson presenterade ett papper som beskrev motorn vid Gemensam framdrivningskonferens och utställning hölls denna vecka i Denver. Han säger att hans team skulle kunna börja bygga en uppdragsfärdig version av motorn i januari 2010, vilket skulle ta cirka 36 månader att slutföra.
Kemiska framdrivningssystem används oftast för rymdfarkoster, men de kräver stora mängder bränsle och är ineffektiva för djupa rymduppdrag. Man är begränsad i vad man kan ta med sig till rymden eftersom man måste bära en raket som mestadels är bränsle, säger Alexander Bruccoleri, forskare på flyg- och astronautikavdelningen vid MIT. Dessutom, säger han, måste man kompensera för vikten och storleken på drivmedelstanken genom att bygga en rymdfarkost som är tunn eller inte har många strukturer för att förstärka den.
Som ett alternativ utforskar flera forskargrupper elektriska framdrivningssystem. Även om dessa motorer producerar mycket mindre dragkraft än kemiska motorer, är de mycket effektiva, vilket gör dem idealiska för långdistansuppdrag till asteroider, kometer eller planeter som Jupiter och Merkurius. En av de största utmaningarna inom elektrisk framdrivning är dock systemets höga effekt och livslängd, säger Daniel Brent White, en annan forskare inom flyg- och astronautik vid MIT.
*Tack vare läsarnas kommentarer har denna information korrigerats för att inkludera de europeiska och japanska uppdragen.
Den nya jonmotorn bygger på de elektriska framdrivningssystem som används av båda DS1 och Dawn, säger Patterson. Den använder samma metod för att uppnå dragkraft: xenongas strömmar in i en reaktionskammare inuti motorn och joniseras av elektroner; elektromagneter placerade runt denna kammare förbättrar joniseringens effektivitet. Elektroder placerade nära motorns propeller (känd som jonoptik) används sedan för att accelerera jonerna elektrostatiskt och skjuta ut dem ur avgaserna för att driva rymdfarkosten framåt.
Ingenjörerna från Glenn Research Center optimerade den mekaniska designen av motorns magneter och jonoptik och gjorde andra modifieringar, inklusive att minska antalet thrusters, för att göra systemet kraftfullare och mer effektivt. Motorn har en högre effektnivå och ett större strypdynamikområde – den kan gå från mycket hög effekt till mycket låg effekt – så att den kan fungera under längre tidsperioder och bättre utföra sitt uppdrag, säger Patterson.
Michael Huggins, direktoratet för rymd- och missilframdrivning vid Air Force Research Laboratory vid Edwards Air Force Base i Kalifornien, säger att det är viktigt att hitta sätt att göra framdrivningssystem effektivare, mindre och mer ekonomiska. Det faktum att NASA tittar på mer effektiva enheter för interplanetära uppdrag är definitivt det rätta svaret, säger han.
Det finns dock potentiella nackdelar med jonisk framdrivning. Till exempel kan solenergi inte användas för långt från solen. Solenergi kommer bara inte att fungera till avstånd som Neptunus, säger White, som presenterade ett dokument vid samma konferens om att använda kärnenergi som en kraftkälla för djupa rymduppdrag. Även om detta skulle ge mycket kraft i rymden, skulle säkerhetsproblem göra det politiskt utmanande att skjuta upp en kärnkraftsdriven rymdfarkost.
Den enda konkurrent vi egentligen har är avancerad kemisk teknik, säger Patterson. Fördelen som vi har är att vi är väldigt bränslesnåla. Således, för komplexa planetariska uppdrag som kräver mycket energi, säger Patterson, övergår USA och dess internationella partner, inklusive Japan och europeiska länder, till jonframdrivningsmotorer.