Technologie pohonu v prostoru - In-space propulsion technologies

Navrženo technologie pohonu ve vesmíru popsat pohonné technologie, které by mohly splnit budoucnost vesmírná věda a průzkum potřeby. Účelem těchto pohonných technologií je poskytovat účinné průzkum naší Sluneční Soustava a umožní návrhářům misí plánovat mise „létat kdykoli a kdekoli a splnit řadu vědeckých cílů v cílech“ as větší spolehlivostí a bezpečností. Vzhledem k široké škále možných misí a kandidátských technologií pohonu je otázka, které technologie jsou pro budoucí mise „nejlepší“, obtížná. Mělo by se vyvinout portfolio pohonných technologií, které by poskytovaly optimální řešení pro různorodý soubor misí a cílů.[1][2][3]

Vesmírný pohon začíná tam, kde horní stupeň z nosná raketa odejde; vykonávající funkce primární pohon, řízení reakce, vedení stanice, přesné míření, a orbitální manévrování. The hlavní motory použito v prostor poskytnout primární hnací sílu pro oběžná dráha, planetární trajektorie a navíc planetové přistání a výstup. Systémy pro řízení reakce a orbitální manévrování poskytují hnací sílu pro údržbu oběžné dráhy, řízení polohy, udržování stanice a řízení polohy kosmické lodi.[1][2][3]

Současná technologie

Velká část raketové motory dnes používané chemické rakety; to znamená, že získávají energii potřebnou k vytvoření tahu chemické reakce k vytvoření horkého plynu, který je expandován k výrobě tah. Významné omezení chemický pohon je, že má relativně nízkou hodnotu specifický impuls (Isp), což je poměr tahu vyprodukovaného na hmotnost pohonné látky jistě potřeba rychlost průtoku.[1]

NASA 2,3 kW NSTAR iontový propeler pro Deep Space 1 kosmická loď během zkoušky horkým ohněm v laboratoři tryskového pohonu.

Významného zlepšení (nad 30%) ve specifickém impulsu lze dosáhnout použitím kryogenní pohonné hmoty, jako kapalný kyslík a kapalný vodík, například. Historicky tyto pohonné látky nebyly použity dále horní stupně. Kromě toho existuje řada koncepcí pro vyspělé pohonné technologie, jako např elektrický pohon, se běžně používají pro uchovávání stanic na komerčních stanicích komunikační satelity a pro některé primární pohon vědecké vesmírné mise protože mají výrazně vyšší hodnoty specifického impulzu. Obecně však mají velmi malé hodnoty tahu, a proto musí být provozovány po dlouhou dobu, aby poskytly celkový impuls požadovaný misí.[1][4][5][6]

Některé z těchto technologií nabízejí výkon, který je výrazně lepší než výkon dosažitelný chemickým pohonem.

Metriky

Vesmírný pohon představuje technologie, které mohou výrazně zlepšit řadu kritických aspektů mise. Průzkum vesmíru jde o to dostat se někam bezpečně (umožnění mise), rychle se tam dostat (zkrácené přepravní časy), dostat tam hodně hmoty (zvýšit užitečné zatížení hmota) a levně se tam dostat (nižší náklady). Jednoduché jednání „dostat se tam“ vyžaduje použití pohonného systému v prostoru a další metriky jsou modifikátory této základní akce.[1][3]

Výsledkem vývoje technologií budou technická řešení, která zlepší úroveň tahu, Isp, výkon, měrná hmotnost, (nebo měrný výkon ), objem, hmotnost systému, složitost systému, provozní složitost, shodnost s jinými systémy kosmických lodí, vyrobitelnost, životnost a náklady. Tyto typy vylepšení přinesou snížené časy přepravy, zvýšenou hmotnost užitečného zatížení, bezpečnější kosmické lodě a snížené náklady. V některých případech bude vývoj technologií v této technologické oblasti (TA) mít za následek průlomy umožňující poslání, které způsobí revoluci v průzkumu vesmíru. Neexistuje žádná jednotlivá technologie pohonu, která by byla přínosem pro všechny mise nebo typy misí. Požadavky na pohon v prostoru se velmi liší podle zamýšleného použití. Popsané technologie by měly podporovat vše od malých satelity a robotický průzkum vesmíru na vesmírné stanice a lidské mise k aplikacím na Marsu.[1][3]

Rozdělení technologické oblasti

Technologické oblasti jsou rozděleny do čtyř základních skupin: (1) chemický pohon, (2) nechemický pohon, (3) pokročilé pohonné technologie a (4) podpůrné technologie; na základě fyziky pohonného systému a toho, jak odvozuje tah, jakož i jeho technické vyspělosti. Kromě toho mohou existovat věrohodné záslužné koncepty pohonu v prostoru, které se v době publikace nepředpokládají ani nezkontrolovaly a které se mohou ukázat jako prospěšné pro budoucí aplikace mise.[1]

Definování technologií

Dále pojem „mise pull“ definuje technologii nebo výkonnostní charakteristiku nezbytnou ke splnění plánovaného požadavku mise NASA. Jakýkoli jiný vztah mezi technologií a misí (například alternativní pohonný systém) je kategorizován jako „technologický tlak“. Vesmírná demonstrace také odkazuje na vesmírný let zmenšené verze konkrétní technologie nebo subsystému kritické technologie. Na druhou stranu by ověření vesmíru sloužilo jako kvalifikační let pro budoucí implementaci mise. Úspěšný ověřovací let by nevyžadoval žádné další vesmírné testování konkrétní technologie, než může být přijata pro vědeckou nebo průzkumnou misi.[1]

Výzva

Pro lidské i robotické zkoumání je procházení sluneční soustavou bojem proti času a vzdálenosti. Nejvzdálenější planety jsou vzdálené 4,5–6 miliard kilometrů od Slunce a jejich dosažení v jakémkoli rozumném čase vyžaduje mnohem schopnější pohonné systémy než běžné chemické rakety. Rychlé mise vnitřní sluneční soustavy s flexibilními daty startu jsou obtížné a vyžadují pohonné systémy, které přesahují dnešní současný stav techniky. Logistika, a tedy celková hmota systému potřebná k podpoře trvalého lidského průzkumu mimo Zemi do destinací, jako je Měsíc, Mars nebo objekty blízké Zemi, jsou skličující, pokud nebudou vyvinuty a nasazeny účinnější technologie pohonu ve vesmíru.[1][7]

Primární technologie pohonu

The Glenn Research Center si klade za cíl vyvinout primární technologie pohonu, které by mohly prospět vědeckým misím v blízké a střednědobé perspektivě snížením nákladů, hmotnosti nebo doby cestování. Pohonné architektury zvláštního zájmu pro GRC jsou elektrický pohon systémy, jako např Ion a sál trysky. Jeden systém kombinuje sluneční plachty, forma pohonu bez pohonu, který se spoléhá na přirozeně se vyskytující hvězdné světlo pro pohonnou energii, a Hallovy trysky. Mezi další vyvíjené pohonné technologie patří pokročilý chemický pohon a aerocapture.[3][8][9]

Viz také

Reference

  1. ^ A b C d E F G h i Tento článek zahrnujepublic domain materiál z Národní úřad pro letectví a vesmír dokument: Meyer, Mike. „Plán vesmírných pohonných systémů. (Duben 2012)“ (PDF).
  2. ^ A b Mason, Lee S. "Praktický přístup k zahájení vývoje štěpné povrchové energie. „sborník z Mezinárodního kongresu o pokroku v jaderných elektrárnách (ICAPP’06), Americká nukleární společnost, La Grange Park, IL, 2006b, papír. Svazek 6297. 2006.
  3. ^ A b C d E Leone, Dan (Vesmírné technologie a inovace) (20. května 2013). „Bankovnictví NASA na solární elektrický pohon pomalu, ale stabilně tlačí“. Vesmírné novinky. SpaceNews, Inc.
  4. ^ Tomsik, Thomas M. "Nedávné pokroky a aplikace v technologii zhušťování kryogenních pohonných hmot „NASA TM 209941 (2000).
  5. ^ Oleson, S. a J. Sankovic. "Pokročilý elektrický pohon Hall pro budoucí vesmírnou dopravu "Pohon kosmické lodi. Svazek 465. 2000.
  6. ^ Dunning, John W., Scott Benson a Steven Oleson. „Program elektrického pohonu NASA.“ 27. mezinárodní konference o elektrickém pohonu, Pasadena, CA, IEPC-01-002. 2001.
  7. ^ Huntsberger, Terry; Rodriguez, Guillermo; Schenker, Paul S. (2000). „Robotické výzvy pro robotický a lidský průzkum Marsu“. Robotika 2000: 340–346. CiteSeerX  10.1.1.83.3242. doi:10.1061/40476(299)45. ISBN  978-0-7844-0476-8.
  8. ^ Solární elektrický pohon (SEP). Glenn Research Center. NASA. 2019
  9. ^ Výzkum iontového pohonného systému Archivováno 2006-09-01 na Wayback Machine. Glenn Research Center. NASA. 2013

Další čtení