Romfremdrift

Romfremdrift er enhver teknologi som er i stand til å drive et skip gjennom verdensrommet . For å gjennomføre romfart er det nødvendig med et fremdriftssystem som kan skrive ut akselerasjon til kjøretøyene. På grunn av vakuumet i det ytre rom, må enhver akselerasjon være basert på Newtons tredje lov (eller lov om handling og reaksjon ), ifølge hvilken, "for hver kraft som virker på en kropp, utøver den en kraft med lik intensitet, men i motsatt retning." motsatt". På denne måten, hvis en gjenstand driver ut deler av massen sin i én retning, vil resten av gjenstanden bevege seg i motsatt retning. Dette er grunnlaget for jetmotorer , også kalt "jetfremdrift": i dem blir en del av skipets masse (drivstoffet) drevet ut med høy hastighet i én retning, noe som får resten av skipet til å bevege seg i motsatt retning .

Den mest brukte motoren for fremdrift av romfartøyer er rakettmotoren , siden den er i stand til å generere enorm kraft og, i motsetning til andre typer motorer, trenger den ikke atmosfærisk oksygen for å fungere. Til tross for den store kraften til rakettmotorer, er de imidlertid ikke effektive for enorme romavstander. For dette formålet utvikles ionemotorer , som takket være den høyere utgangshastigheten til drivstoffet kan være ti ganger mer effektive. Likevel er ingen kjent motor i stand til å oppnå hastigheter som er tilstrekkelige til å vurdere interstellar reise. Det er imidlertid flere alternativer til jetmotorer: de mest umiddelbare er solseil , som er i stand til å få et løft fra solstråling , solvind , til og med laserstråler eller mikrobølger sendt fra jorden . Det kan heller ikke utelukkes at andre mer eksotiske fremdriftsmetoder, som "warp drives" eller warp drives, kan være levedyktige i en fjern fremtid .

Behov for fremdriftssystemer

Kunstige satellitter må skytes opp for å bli satt i bane . Og når de har nådd sin stasjonære posisjon i nominell bane, trenger de en form for holdningskontroll slik at de kan fortsette å peke på en bestemt posisjon mellom Jorden, Solen og muligens noen astronomiske objekter av interesse. Satellitter lider vanligvis ikke av nevneverdig aerodynamisk luftmotstand (selv om det fortsatt er en tynn restatmosfære i lavere baner). Av denne grunn kan de forbli i bane i lange perioder med bare en liten mengde drivmiddel, brukt både til å drive seg selv og for å gjøre små korreksjoner. Mange satellitter trenger av og til å bevege seg fra en bane til en annen og krever derfor en viss mengde drivstoff. Når disse typer satellitter har brukt opp sin kapasitet til å utføre disse operasjonene, sies det at levetiden deres er utløpt.

Under oppskytningsfasen bruker alle romfartøyer kjemiske drivmiddelraketter , enten i flytende tilstand (separat drivmiddel og oksidant), eller fast (blandet drivmiddel og oksidant). Selv om for lave baner og middels og små belastninger er det noen nyere design, for eksempel Pegaso-raketten eller SpaceShipOne -romfartøyet ), som under den første fasen av oppskytningen drar fordel av den aerodynamiske løft og oksygenet som er tilstede i atmosfæren for forbrenning, dermed unngå å måtte bære den på selve raketten, redusere kostnadene.

Romskip som gjør interplanetariske reiser, må reise lange avstander. Av denne grunn, i tillegg til oppskytningen som kreves for å forlate jordens atmosfære (som i tilfellet med satellitter), trenger de et andre fremdriftssystem for å reise gjennom verdensrommet eller i det minste for å kunne korrigere banen deres. Interplanetariske skip utfører disse korreksjonene ved hjelp av små, kortvarige fremstøt, mens deres hovedforskyvning vanligvis er basert utelukkende på deres opprinnelige skyvekraft, og de oppfører seg ganske enkelt i fritt fall gjennom sin bane.

Den enkleste og mest effektive måten å skifte fra en bane til en annen med tanke på drivmiddelforbruket kalles Hohmann-overføring : romfartøyet starter i en sirkulær bane rundt solen, og for en kort periode gjør det et dytt i retning av bevegelse av skipet, tangent til dets bane. På denne måten øker eller bremser romfartøyet , og tar i bruk en elliptisk bane rundt solen , som tangerer den forrige banen. Romfartøyet som drives på denne måten faller fritt i denne banen til det når målet. Når romfartøyer nærmer seg en planet med en atmosfære, kan flybremsing brukes og brukes noen ganger for endelig banejustering. [ 1 ]

Andre fremdriftsmetoder , som solseil , gir en liten, men konstant skyvekraft: [ 2 ] et romfartøy med et slikt fremdriftssystem kan kanskje reise lange interplanetære avstander ved å bruke et uuttømmelig drivmiddel som solstråling. Disse skipene vil følge en annen bane enn den som er definert av Hohmann-baneoverføringen, siden de permanent kan skyves radialt fra solen mot utsiden av solsystemet.

Romfartøyer som har til hensikt å foreta interstellare turer vil trenge mer effektive fremdriftsmetoder, fordi gitt størrelsen på interstellare avstander, vil det være nødvendig med stor hastighet for å reise dem i et rimelig tidsintervall for å nå målet. Å tilegne seg disse hastighetene er en teknologisk utfordring i dag.

Fremdriftssystems effektivitet

Jordens masse genererer en gravitasjonsbrønn : for at et legeme skal unnslippe denne gravitasjonskraften, må det nå en hastighet større enn 11,2  km/s . Denne hastigheten kalles rømningshastigheten . Hvis skipet er bemannet, bør dets akselerasjon ikke avvike mye fra verdien på 1  G (9,8 m/s²), siden det er akselerasjonen som menneskekroppen er vant til. Selv om det er beskrevet tilfeller av mennesker som er i stand til å motstå akselerasjoner på opptil 15 G, når kroppen utsettes for lengre perioder med fritt fall , oppstår kvalme, muskelsvakhet, redusert smakssans, mangel på assimilering av kalsium og andre symptomer. . [ 3 ]

Fremdriftskinematikk

Et romskip endrer hastigheten v gjennom fremdriftssystemet. På grunn av treghet , jo mer masse skipet har, desto vanskeligere vil det være å akselerere det. Av denne grunn snakker vi vanligvis om farten til et skip, og for å kvantifisere endringen i momentum snakker vi om momentum . På denne måten er målet med fremdrift i rommet å skape fart. Når romfartøyet skytes opp fra jorden, må fremdriftsmetoden som brukes overvinne gravitasjonskraften for å oppnå en positiv nettoakselerasjon. Å gå i bane består av å nå en tangentiell hastighet slik at den genererer nok sentripetalkraft til å kompensere for effekten av jordens gravitasjonsfelt.

Hastigheten for endring av hastighet kalles akselerasjon , og hastigheten for endring av momentum kalles kraft . På denne måten, for å nå en viss hastighet, kan en liten akselerasjon skrives ut i lang tid, eller en stor akselerasjon kan skrives ut i en kort periode. På samme måte kan den samme impulsen oppnås med en stor kraft påført i en kort periode, eller med en mindre kraft påført over lengre tid. I fravær av ytre krefter, i henhold til lovene om bevaring av momentum , for å akselerere et legeme i et vakuum må en del av massen bevege seg i motsatt retning av resten. Denne massen som beveger seg i motsatt retning er drivstoffet, og dens masse kalles "reaksjonsmassen".

Krav til jetfremdrift

For å få en rakett til å fungere, er to ting nødvendig:

Impulsen som gis ved å drive ut en partikkel med reaktiv masse, hvis den har en masse på m med en hastighet v , er lik m•v . Men denne partikkelen støtes ut med en kinetisk energi lik m•v 2 /2, som må komme fra et sted. I en fast- , flytende- eller hybriddrevet rakett må drivstoffet brennes, gi energi, og reaksjonsproduktene tillates å strømme ut baksiden av romfartøyet, og gi reaktiv masse. I en ionethruster brukes elektrisitet til å akselerere ionene og drive dem ut. Det er andre enheter som gir elektrisk energi, for eksempel solcellepaneler eller en atomreaktor , mens ioner er ansvarlige for å gi den reaktive massen.

Fremdriftseffektivitetsparametere

Når effektiviteten til et jetfremdriftssystem er nevnt , fokuserer designere ofte på riktig bruk av reaktiv masse. Den reaktive massen må nødvendigvis bæres i raketten og må irreversibelt forbrukes når den brukes. En måte å måle mengden momentum som er mulig å få fra en gitt mengde reaktiv masse er det som kalles den spesifikke impulsen , og kaller dermed mengden momentum per vektenhet på jorden (vanligvis betegnet som ). Enheten for denne verdien er sekunder . Siden spesifikk impuls måles i vektforhold på jorden, er det ofte ikke viktig når man diskuterer kjøretøy i verdensrommet, av denne grunn snakkes det noen ganger om spesifikk impuls i form av masseenheter. Denne alternative måten å måle spesifikk impuls på ved hjelp av masseenheter (kg) gjør at den har hastighetsenheter (m/s), og den er faktisk lik partikkelhastigheten (evakueringshastigheten) til rakettmotoren (kalt typisk som ). Det er forvirrende at begge begrepene om spesifikk impuls er navngitt på lignende måte. Selv om de to verdiene skiller seg med en faktor lik G , er tyngdeakselerasjonen på jordens overflate ( ).

En rakett med høy eksoshastighet kan oppnå samme boost ved å bruke en mindre reaksjonsmasse. Derfor er energien som kreves for å drive proporsjonal med kvadratet av evakueringshastigheten til den reaktive massen, på denne måten er det nødvendig å skrive ut mye energi til den reaktive massen. Dette er et problem hvis motoren er nødvendig for å gi en stor mengde skyvekraft. For å generere en stor mengde momentum per sekund, må det brukes en stor mengde energi per sekund. En svært effektiv motor krever derfor store mengder kraft for å gi store mengder skyvekraft. Som et resultat er de fleste motorer designet for å gi lave nivåer av skyvekraft.

Jetfremdriftsberegninger

Å brenne et romfartøys rakettdrivmiddel er den beste måten å produsere en netto endring i hastighet i verdensrommet; vi kaller denne variasjonen ' delta-v '. Den totale hastighetsvariasjonen er representert som den til et kjøretøy og representerer en av de ukjente som skal løses ved bruk av den kinematiske ligningen til en rakett, der M er massen av drivstoff (eller drivstoff), P er massen til nyttelasten (inkludert den strukturelle massen til raketten), og er hastigheten på drivmiddelevakueringen gjennom dysen . Alle disse parameterne er en del av Tsiolkovsky-ligningen :

Av historiske årsaker skrives fart ofte som

hvor er den spesifikke impulsen til raketten, målt i sekunder, og er gravitasjonsakselerasjonen ved jordoverflaten. For langdistansereiser er det meste av massen til romfartøyet reaktiv masse. Fordi det er nødvendig for den reaktive massen å gi en hastighetsøkning til massen til nyttelasten. Hvis en nyttelast med masse P skulle gis en hastighetsendring på , og rakettmotoren hadde en evakueringshastighet v e , så vil den reaktive massen M bli beregnet fra Tsiolkovsky-ligningen ved å

For mindre enn v e er denne ligningen lineær, og det kan sees at det er tilstrekkelig å bruke en liten reaktiv masse. Hvis det er sammenlignbart med v e , så trengs omtrent dobbelt så mye drivmiddel som nyttelast (som inkluderer motorer, drivstofftanker, flyramme, og så videre). Etter dette punktet er veksten eksponentiell; hastigheter høyere enn evakueringshastigheten krever stadig økende forhold mellom drivmiddelmasse og nyttelast. For å oppnå dette brukes mye av den lagrede energien til å akselerere selve den reaktive massen. Det bør også huskes at motorer (etter termodynamiske regler ) aldri er 100 % effektive, de frigjør ubrukt energi, men hvis det antas 100 % effektivitet, vil en energi på

Sammenligner man med rakettligningen (som viser hvor mye energi et kjøretøy trenger) og energiligningen (som viser den totale energien som kreves) kan man se at under antakelsen om 100 % effektivitet i motoren, ender ikke all energien som tilføres i kjøretøyet, men en del av det; faktisk det meste av det ender opp med å være kinetisk energi til den evakuerte massen. For et oppdrag, for eksempel en lansering og planetlanding (landing på en annen planet), er det nødvendig å ta hensyn til at gravitasjonskrefter må overvinnes (de er motstandsdyktige mot start, og forårsaker en økning i nødvendig drivmiddel). Det er typisk å vurdere disse egenskapene og mange andre for å oppnå en korrekt effektiv delta-v i oppdraget. For eksempel, når du skyter opp et romfartøy på et oppdrag med lav bane, kreves det en delta-v på 9,3 ved 10 km/s, denne verdien er en del av datamaskinnumrene om bord.

For eksempel, hvis du vil sende 10 000 kg til Mars , er den som kreves for å nå en LEO (lav jordbane ) omtrent 3 000 m/s, ved å bruke en Hohmann-overføringsbane . Hvis det var behov for å lede skipet, ville det være behov for mye mer drivmiddel. For å passe argumentet kan boosterrakettene som brukes i dag være:

Motor Effektiv evakueringshastighet
(m/s) 		Spesifikke impuls
(er) 		Masse av drivstoff
(kg) 		Nødvendig energi
(GJ) 		Energi per kg
drivmiddel 		Minimumseffekt
per N skyvekraft
fast brensel rakett 1000 100 190 000 95 500 kJ 0,5 kW
bipropellant rakett 5000 500 8200 103 12,6MJ 2,5kw
ion drivmiddel 50 000 5000 620 775 1,25GJ 25kw

Det bør bemerkes at mer drivstoffeffektive motorer kan kreve mindre vekt av drivmiddel for de samme funksjonene; denne massen er nesten ubetydelig (i forhold til nyttelastmasse) for noen av motorene. Det skal imidlertid bemerkes at det kreves en stor mengde energi.

Jetfremdriftsmetoder

Fremdriftsmetoder kan klassifiseres etter måten å akselerere den reaktive massen. Det er noen spesielle metoder for oppskytinger, planetankomster og landinger. [ 4 ]

Rakettmotorer

De fleste rakettmotorer er forbrenningsmotorer og varmemotorer (delvis på grunn av rollen som forbrenning spiller). En rakettmotor produserer generelt høye temperaturer i den reaktive massen, og produserer en varm gass. Dette produseres ved å brenne fast, flytende eller gassformig brensel med en oksidant i et forbrenningskammer. Ekstremt varm gass får slippe ut gjennom en åpning som er i stand til å utvide gassen til en høy hastighet, åpningen kalles en "dyse" . Denne klokkeformede dysen gir raketten en karakteristisk form. Effekten av dysen forårsaker en drastisk akselerasjon av partiklene, og transformerer mesteparten av den termiske energien til kinetisk energi. Gassevakueringshastigheter ved normale trykknivåer kan lett overstige nesten 10 ganger lydhastigheten.

Plasma -emitterende raketter kan potensielt bære reaksjoner inne i en magnetisk flaske og lansere plasmaet via en magnetisk dyse , på en slik måte at det ikke er materiell kontakt med plasmaet. Selvfølgelig er maskinen for å gjøre dette kompleks, men atomfusjonsforskning har utviklet metoder, hvorav noen har blitt brukt i spekulative jetfremdriftssystemer.

Se rakettmotor for en liste over de forskjellige typene rakettmotorer som brukes i romfartsindustrien, så vel som de forskjellige formene for forbrenningskammer, inkludert kjemisk, elektrisk, solenergi og kjernefysisk.

Reaktorer for lansering

Studier viser at jetmotorer som ramjet- eller turbojetfly generelt er for tunge (kraft-til-vekt-forholdet er lavt) for enhver utvikling av utskytningsoperasjoner, av denne grunn blir de ofte lansert fra andre fartøyer som allerede er i flukt. Utskytningssystemer kan være luftoppskyting fra et fly (som fra en B-29 , Pegasus og White Knight ) hvor de benytter seg av fremdriftssystemene sine.

På den annen side er det aerojets som er lette motorer som har fordelen av å ta inn luft i oppstigningsfasen:

Raketter skytes normalt opp fra en nær vertikal posisjon og flyr i titalls kilometer før de når bane; denne første vertikale oppskytningen bruker mye drivmiddel, men er optimal fra et aerodynamisk dragsynspunkt. Aerojets brenner drivstoff mer effektivt og lar en mer tangentiell bane brukes, kjøretøyer flyr vanligvis tangensielt til jordens overflate til de forlater jordens atmosfære, på hvilket tidspunkt de utvikler en andre delta-v- rakett som kobler denne tilstanden til bane.

Akselerasjon av reaktiv masse ved elektromagnetisme

I stedet for å utsette en væske for høye temperaturer og væskedynamikk for å akselerere den reaktive massen til høye hastigheter, finnes det en rekke metoder som bruker elektrostatiske eller elektromagnetiske feltkrefter for å akselerere den reaktive massen. Generelt i denne typen motorer er den reaktive massen en strøm av ioner . Slike motorer krever en kraftig kraftkilde for å fungere, og høye evakueringshastigheter krever store mengder strøm.

For noen oppdrag kan solenergi være tilstrekkelig, og brukes svært ofte, men for andre kreves det en kjernekraftkilde; Motorer som bruker energi fra en kjernefysisk kilde kalles atomdrevne raketter. Med dagens kapasitet til å generere elektrisitet, enten det er kjemisk, kjernefysisk eller solenergi, er det en skyvekraftbegrensning med denne typen fremdrift.

Noen elektromagnetiske metoder:

Systemer uten reaktiv masse båret på raketten

Loven om bevaring av momentum sier at enhver motor som ikke bruker reaktiv masse ikke kan flytte sitt tyngdepunkt (endre orientering er imidlertid mulig). Rommet er imidlertid ikke tomt, spesielt i området av solsystemet , hvor det kan være magnetiske felt , vind og solstråling. Mange fremdriftssystemer prøver å designes på en slik måte at de drar nytte av disse funksjonene. På grunn av den diffuse naturen til disse fenomenene i solsystemet, krever motorene som utnytter disse energikildene strukturer av betydelig størrelse. Motorer med disse egenskapene trenger ikke (eller bruker i alle fall en veldig liten mengde) reaktiv masse:

For å endre orienteringen til romfartøyet i rommet er det ingen slik begrensning, men loven om bevaring av vinkelmomentum pålegger ikke begrensninger, mange satellitter bruker et svinghjul for å kontrollere orienteringen til satellitten. Denne metoden er ikke den eneste som kontrollerer holdningen til det samme, systemer som utnytter solvinden eller magnetiske krefter kan brukes til å utføre samme funksjon, noen av disse systemene kan utformes på en slik måte at de kan tjene som et sekundært system.

Se også

Referanser

  1. ^ "Surfing i en fremmed atmosfære " . Hentet 3. juli 2010 . 
  2. ↑ "Solar sailing facts- what we do" , artikkel på engelsk på nettstedet til The Planetary Society
  3. ↑ "Aerospace medicine" , artikkel på spansk på FECYT-nettstedet. Hentet 3. juli 2010
  4. ↑ Til tross for at ordet "månelanding" ble brukt på tidspunktet for månelandingene, anbefales det for øyeblikket å bruke ordet "landing" [1] med hensyn til ethvert himmellegeme, siden det ikke betyr "synde ned på månen'. planet Jorden', men 'gå ned på fast grunn'. [2] Dermed er det verbene:
    • til amerizar (fra splashdown), som – sagt om et sjøfly eller en astronautisk enhet – betyr 'å lande på sjøen'. [3]
    • amarar (fra havet), som — sagt om et sjøfly eller en astronautisk enhet — betyr 'å sitte på vannet'. [4]
    Ellers ville det i en ikke altfor fjern fremtid måtte oppfinnes en hel rekke verb for å tilpasse seg nedstigningen til hvert himmellegeme: mercurizaje , venerizaje , amartizaje , ajovizaje , ganimedizaje , ioizaje , europizaje , saturnizaje , , je eptton plu iz , je , etc.
  5. ↑ "SABRE-motoren" , artikkel på engelsk på nettstedet Reaction Engines. Hentet 5. november 2006.
  6. ↑ Harada, Kenya, et al.: "Utviklingsstudie om forkjøler for ATREX-motor" , artikkel om Institute of Space and Astronautical Science: Propulsion System Laboratory-nettstedet. Hentet 5. november 2006.
  7. ↑ «NASA kaller på industri, akademi for fremdrift i rommet» , artikkel på engelsk fra 24. oktober 2002 på NASAs nettside.

Eksterne lenker