The Chemical Rocket Era: Laying the Foundation for Space Exploration

טיסה לחלל החלה עם שחרור מבוקר של אנרגיה כימית.חלוצים כגון קונסטנטין טסולקובסקי, רוברט גודארד, ו- Wernher von בראון הפך מושגים תיאורטיים לחומרה עובדתית.רקטה כימית מערבה דלק וחמצן בתא של בעירה, ומייצרת גזי לחץ גבוה, עתיר, המרחיב באמצעות מזחלת גז מתכנסת-מלכדת-מצמציינת-ל.

שתי קטגוריות עיקריות הופיעו: FLT:0 (הידועות ב-FLT:1 ו-FLT:2solid-propellantFLT 3) למערכות נוזליות, כמו מנועי F-1 של שבתאי V או החללית של החללית של החללית RS-25, מציעים בקרת עקשן וסגורה - קריטי עבור משימות מאוקית וזרימת מסלול מהיר, כמו גם 2 ליטרים של צינורות חשמליים, אך לא ניתן לשלב בין רכב נוזליים עם דלק מוצקים, אך לא ניתן לשלב בין 5 מעבורות, אך ורק לאחר הסרת דלק מוצקים, או להסיר את הכביש המהירים, אך ורק לאחר הסרת דלק מוצק של 5 מעבורת דלק מוצק, אך לא יכול ל-Squaoxic.

הצלחת אפולו, תוכנית מעבורת החלל, והמשגרים המודרניים כמו פלקון 9 ואריאן 6 כולם על טילים כימיים.אבל גם כשמערכות אלה התבגרו, המהנדסים הבינו כי הפיזיקה של הבעירה מטילה מגבלות קשות על אילו מנועים כימיים יכולים להשיג בחלל עמוק.

הגבולות הקשים של ה-Combustion Propulsion

למרות הכוח שלהם, רקטות כימיות מוגבלות ביסודה על ידי צפיפות האנרגיה של תגובות כימיות.מהירות הממצה המקסימלית מוגבלת על ידי טמפרטורת הלהבה והמשקל המולקולרי של מוצרי הבעירה.עבור שילובים מונעים נפוצים - מימן / אוקסגן, RP-1 / אוקסגן, או דלקים היפרגליים - FLT:0 ספציפי אימפולסיביות של 1 (מדד יעילות: דחפים קיצוניים) לא יכולים לעמוד ב-300 שניות של קירור, אלא גם לא יכול להיות בטווח של גזים קצרים יותר.

מגבלה זו מאלצת מעצבי טילים לאמץ גישה של FLT:0mass שברירFLT 1: חלק גדול של המסה הראשונית של הרכב חייב להיות דחףlant. משוואה טילים טיסולובסקי מראה כי אפילו עלייה קטנה במיסה המונית דורש עלייה אקספוננציאלית במיסה מונעת.עבורות חלל עמוק - שימת חקירה ל יופיטר או נפטון - העומס הנדרש הופך לאיסור על פני השטח המהיר בלבד, אשר דורשות מהירות גבוהה של חודשים ללא הגבלה, אשר יש צורך, אשר יש צורך להזריק באופן יעיל.

מגבלות הנדסיות מעשיות גם להטיל מגבלות על ה- 60-eraFLT:0J-2FLT:1 מנוע המשמש את שבתאי V העליון השיג דחף ספציפי של 421 שניות, בעוד שה- מודרנית:2RL-1073-1003FLT 3 (שמשתמשים ב Centaur ובשלבים העליונים אחרים) מגיע בערך 450 שניות.

חשמל: שוברים את הכימיה

בשנות החמישים, החוקרים זיהו כי הנעה חשמלית יכולה לעקוף את תקרת האנרגיה הכימית.במקום להסתמך על גז חם, דחף חשמלי להשתמש באנרגיה חשמלית כדי להאיץ חלקיקים למהירויות גבוהות בהרבה - לעתים קרובות 20 עד 50 ק"מ / בהשוואה ל- 3 עד 5 ק"מ ל- 5 ק"מ עבור רקטות כימיות.למרות שהוא צנוע (מילונים לחידושים), אימפולס ספציפי יכול לעלות על 3,000 שניות נוספות כדי להשיג יעילות גבוהה יותר.

מערכות הנעה חשמלית נופלות בדרך כלל לשלוש קטגוריות: אלקטרוותרמאל (resistojets ו arcjets), אלקטרומגנטי (מדחף MPD), ואלקטרוסטטי (ion and Hall דחףers) הבוגר ביותר בשימוש נרחב הם מכשירים אלקטרוסטטיים, אשר פועלים על ידי חלקיקים מואשמים ישירות בתחום חשמלי.

איך Ion Thrusters Work

דחף איון הוא מחלקה של מכשירים הנעה אלקטרוסטטית.גז אצילי (בעיקר xenon נפוץ) מוזרק לתוך תא שליון שבו הוא מופצץ עם אלקטרונים מקטודה חמה.ההתנגשות מאלקטרונים מהאטומים, יצירת פלזמה של אדים טעונים חיובי ואלקטרונים חופשיים.

היתרון המרכזי הוא מהירות ממצה עצומה.לדוגמה, משימת נאס"א (FLT:0NSTARRAFLT:1 ion דחף נעשה שימוש על FLT:2Deep Space 1hilFLT 3: 3), השיג דחף ספציפי של כ 3,100 שניות, כי דחף הוא פרופורציה למוצר של זרימת המונים ומהירות ממצה, וזרימת המונים היא זעירה, וכתוצאה מכך היא הקלה ביותר של עשרות ק"מ"מ של כל כך יכול להניע את אותה תקופה של אלפי שעות.

אפקט הול אפקט Thrusters: A Practical Alternative

(הופנה מהדף מגנטי למלכוד אלקטרונים, יצירת אזור של יעילות גבוהה של יון ללא צורך במספר רשתות מאיץ: ה-FLT:0SPT-10003FLT:1 (מתפתח ברוסיה) ו-FLT:2BHT-200FLT 3 (Busek) משמשים לדוגמאות ל- 4,5 שניות נוספות, אך הן ממושכות יותר מ- 4, 000 יחידות חשמל נמוכות יותר מ-F) ו- 4.

Ion Thrusters in Real Missions

השימוש המוצלח הראשון של גינוי למניעה ראשונית היה (FLT:0)Deep Spaceve 1FLT:1 (1998–2001), אשר אישר את הטכנולוגיה לטיסה בין כוכבי הלכת:2Dawnuamine FLT: 2DepvyicFLT סדרה 3 (2007-2007-2005) השתמשו שלושה דחפורים כדי להזיז וללמוד את שני הגופים הגדולים ביותר בחגורת האסטרואיד, וסטטהור (R2DDR) למכוניות אחוריות של 5.

מעבר למסלול כדור הארץ, המשימה של ההרחבה:0.BepiColombophal1 (ESA/JAXA) משתמשת בארבעה דחפורים של יון למסעה למרקורי, מתן ה- delta-v הדרוש כדי להיכנס למסלול סביב הכוכב הפנימי ביותר.TheFLT:2PsycheFLT 3: 3 Mission (NAS, השיקה 2023), יפעיל את ההלייזרים כדי להגיע למתכת עשירה ב-NVer ב-Fer: 2, כדי לראות את המשימה העיקרית של נאס"דלהלן: 4A, 5A, 5A, 4, 4, 4, 4, 000 AV, 000 A LT5 LT5 LT5 LT5 LT5 LT5 LT5 LT5 LT).

נטייה גרעינית: חום מהאטומים

למשימות שדורשות דחף גבוה יותר ממערכות חשמל ויעילות גבוהה יותר מאשר כימיקלים, נטייה גרעינית מציעה קרקע בינונית.שני ארכיטקטורות עיקריות קיימות: חשמל תרמי וגרעין גרעיני.

טילים גרעיניים (NTP)

(החליטה של איראנית) היא בעלת דחף (מימן נוזלי באופן אטי) באמצעות גרעין כור גרעיני, שבו הטמפרטורה מגיעה ל-2,500-3,000 K. מימן מתרחבת באמצעות ערפל, ומייצרת דחף ספציפי של כ-850 עד 1000 שניות – כפול מזה של המנועים הכימיים הטובים ביותר.NTP נבדקה באופן נרחב תחת תוכנית ה-FLT:0NERVAFLTGIRECTFLTRE (1959-1972), אשר ניתן היה להוכיח מספר פעמים ו-Ftest: 4.

(NTP) הוא מועמד מוביל למשימות מאוישות עתידיות למאדים, כי הוא יכול להפחית את זמני המעבר בין כוכבי הלכת (ולכן חשיפה לקרינה) ותחת מסה דו-מנועית נמוכה יותר, טיל תרמי גרעיני יכול לקצץ את המסע למאדים מ-8-9 חודשים (כימיקלי) ל-4-5 חודשים (סוכנות המחקר של נאס"א) ל-DF2 פועל כעת בהפגנת הגנה נמוכה (R2DF) ו-ALT2 פועל על ידי נאס"א) על ידי נאס"ל-DF2D2DF) ב-ALT2D2D2D2F) ב-ALT2F) על ידי הדגמה מתקדמת של נאס"מחדשהתוכנית מחקר של נאס"א.

אספקת חשמל גרעינית (NEP)

בהנעה חשמלית גרעינית, כור מייצר חשמל (באמצעות המרה תרמואלקטרית או טורבונית) לדחפורים חשמליים – יון או משחתים של הול.המשכים האלה מדור כוח מדחף, המאפשר דחף ספציפי מאוד גבוה (2,000-5,000 שניות) עם דחף מתון. NEP הוא אטרקטיבי במיוחד עבור משימות מטען למאדים או לחיפוש עמוק בחלל שבו כוח השמש הופך חלש (מעבר לחגורת השמש, כלומר, ירידה של 10% של כורים מתחת ללחם של כוח השמש).

פרויקט נאס"א הראה כורי פשפש קטנים המתאימים לחלל, ייצור עד 10 קילוואט של חשמל עם מסה מסוימת של כ -100 ק"ג ל-NEP מטען, כור בטווח 1-10MW יהיה צורך, הדורש התקדמות משמעותית ברדיונים קלים והמרות עתידיים.

סולרי: הרכיבה את האור

בניגוד לכל הדחף לגרש מסה, מפרשים סולאריים מסתמכים על העברה של מפונדר:0 (העברה מפוטנסיםFLT:1 - אור לא-אור (מזכר גדול, אולטרה-הרוטה) (לעתים קרובות Mylar או aluminated פולימר) תופס פוטונים; הרתיעה הזעירה מכל השתקפות מקנה האצה רציפה, מה שהופך חללית שעשויה למטרה להגיע ל-10 ק"מ"מ"מ"מ"מ- אך בטווח הארוך ביותר של כדור הארץ) הוא מעל פני 10/או יותר ממרחק של זמן קצר יותר ממרחק.

הסוכנות לחקר החלל היפנית (JAXA) הפעילה בהצלחה את ה-FLT:0 (IKAROSIROSSELER-1) ב-2010, והדגימה את בקרת הגישה והאצה לעבר ונוס:2IKAROSFLT:3 השתמש בקוטר של 20 מטר עם תאי השמש המשובחים של נאס"א-סרטים עבור הדור הבא של כוח.

אתגרים עיצוב כוללים פריסת מפרש (הפליאה אולטרה-אין במזכרה באופן אמין בחלל), השפלה חומרית מקרינה אולטרה סגולה ומיקרו-מטאורואידים, ובקרת הגישה (המלח חייב להיות מוכווני יחסית לשמש כדי לנווט) עבור יישומים בין כוכביים, מפרש צריך להיות קילומטרים בקוטר ויכול להשתמש בלייזר כדי להיות מתווסף למשימות סולאריות נוספות על פני השמש על פני FIRLD:0: FLTIL: 1.

מושגים מתפתחים ומתקדמים

החוקרים ממשיכים לדחוף את גבולות ההנעה עם מושגים שמטרתם אפילו ביצועים גבוהים יותר, זמני מעבר נמוכים יותר, וגישה ליעדים מרוחקים יותר.

פלאסמה Thrusters

(ב) [ה]:0 מאגינופילאזמנאמי (MPD) משתמשים בשילוב של שדות חשמליים ומגנטיים כדי להאיץ פלזמה צפופה למהירויות גבוהות, פוטנציאל להשיג דחף גבוה ואימפולס ספציפי גבוה.בגישה MPD, זרם גדול (אלפי מנות) עובר דרך גז מדחף, יצירת שדה מגנטי המושרה על ידי מגנטית אשר מאיץ את רמות ה-F5 של פחמן אלה:

The ULLT:0 VASIMRFLT:1 (Variable Specific Impulse magnetoplasma Rocket), שפותחה על ידי Ad Astra Rocket Company, משתמשת חימום רדיו- ⁇ כדי ליצור פלזמה ונופים מגנטיים כדי להאיץ אותה. VASIMR יכול להתאים את מהירות הממצה שלה במהלך משימה, אופטימיזציה עבור כוח הכבידה גבוה ויעילות גבוהה עבור סיירות 200 קילוואט כבר יכול היה לקצר את המהירות של 39 חודשים, אך ורק כדי להפעיל באופן קבוע, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, עדיין יכול היה יכול היה יכול היה יכול היה לעבור טיפול איטי יותר, 000 כדי להפעיל את המהירות של מחזוריחות גבוהה.

אלקטרודינמיקה Tethers

טטרמינרים הם שיטת הנעה ללא מעצורים לחלליות במסלול כדור הארץ נמוך.טיל ארוך (קילומטרים מובנים) מופרס מהחללית, ותנועה דרך השדה המגנטי של כדור הארץ גורמת למתח לאורך משימת הטטר.על ידי פיזור אלקטרונים מקצה אחד, זרם זרם דרך הטטר, ייצור כוח לורץ שיכול להגביר או להמריץ את החללית ללא מנוע חשמלי גבוה של נאס"א:

לייזר ומוטיבציה אנרגיה

עבור משימות בין כוכביות, מושגים כמו FLT:0 (Break Through StarshotigFLT:1 להציע באמצעות לייזרים מבוססי קרקע כדי לדחוף מפרש קל משקל ל-20% ממהירות האור, זה ידרוש מערך של לייזרים ג'יגהאט וחומר מפרש המסוגל לשרוד קרינה אינטנסיבית - כמו מראה דיאלקטרי מותאם לאורך גל לייזר.

לשימוש בין כוכבי לכת, אנרגיה מזוינת יכולה להניע "מאור" למהירויות גבוהות באמצעות מיקרוגל או כוח לייזר.ה-FLT:0PennywiseFLT:1 מושג (אוניברסיטת קליפורניה) מציע מפרש דק שקולט אור לייזר וחום מניע לטמפרטורה גבוהה, ומייצר דחף ספציפי עד 1,000 שניות, למרות שעדיין תיאורטי, רעיונות אלה יכולים להפוך את הגישה למערכת השמש הפנימית.

Fusion ואנטי-חומר

⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

הסתברות אנטי-חומרית, אם כי רק תיאורטית, מציעה את צפיפות האנרגיה הגבוהה ביותר האפשרית - השמדה של חומר ואנטיחומר הופכת את המסה לחלוטין לאנרגיה. גרם של אנטי-חומר להגיב עם הודעות חומר רגיל על 90 טרה-גלות, המקבילה לנשק גרעיני קטן.עבור הנעה, האנרגיה יכולה להזיז את הדחף או ליצור ישירות באמצעות מוצרי השמדה (p, gamma) עבור אתגרים מגנטיים חשמליים או מלכודות מגנטיות קבועות (N)

בניית העתיד: מערכות הנעה משולבת

האבולוציה של הדחף לחללית משקפת את השאיפה הגוברת של האנושות לחקור. רקטות כימיות פתחו את הדלת למסלול והירח; הדחף החשמלי מאפשר כעת ביקורים מורחבים לאסטרואידים, באטים, ואת כוכבי הלכת החיצוניים. גרעיניים תרמיים ושמשיים יכולים לקצץ זמני נסיעה למאדים ומעבר.כל צעד דורש כעת עצירות בין דחף, יעילות, מורכבות, ועלויות.

החללית המודרנית כבר מדגימה את הגישה ההיברידית הזו:0GatewaywayFLT ( 1:1 מאחז הירח ישתמש במניעה חשמלית (המשטים) עבור תחזוקה של תחנת הרכב והקפתיתקפה, בעוד צוות מבקרים משתמש במניעה כימית של שלבים המעבר.

הבנת ערכת הכלים ההנעה מסייעת למהנדסים לתכנן משימות הממקסמות את המדע חוזר בתוך מסה ותקציבי זמן זמינים.הדוח המתמשך לדחף ספציפי יותר וחיי החיים התפעוליים ארוכים יותר ממשיך הן מסוכנויות ממשלתיות (NASA, ESA, JAXA) וחברות פרטיות: ככל שהטכנולוגיות הללו בוגרות, טיסות מטען שגרתיות לירח, משימות מונעות למאדים, ומגלי רובוטיות למרחב הבין-מרחב קרוב יותר למציאות של סוכנות החלל האירופית: 1.FR2FR.

  • (ב) [ה]: [ה] [ה]]]], [ה]], [ה],]] ⁇ [ה], [ה], [ה]]]], [הההתחילה היא], גבוהה, יעילות נמוכה (אימפולס ספציפי – 300–450 s).
  • (ב) ,0) ,(Ion Pusherpherph:1: יעילות גבוהה (3,000+ s), דחף נמוך, מצוין עבור מרחב עמוק ותחנת- Station-eping.
  • (ב) ,0) ,Nclear תרמיFLT:1: דחף מתון (~50 kN), יעילות גבוהה ( 850-1,000 s), מבטיח למשימות מאדים.
  • (ב) ,0) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) , 000 מושגי חשמל מובנים 1: MPD, VASIMR, מפרשי לייזר, tethers אלקטרודינמיקה - כלומר ביצועים גבוהים יותר.

ההיסטוריה של ההנעה היא סיפור על גבולות פיזיים גוברים באמצעות אי-הוות.כל פריצת דרך פותחת יעדים חדשים, והדור הבא של הכוננים תישא את האנושות רחוק יותר מכל טיל כימי לבדו יכול להגיע לעולם.ה-FLT:0reasons for ExplorationFLT:1 נשאר משכנע כיום כפי שהם בעידן החלוצה של הרקטות - מדע, ניצול משאבים, והדרך האנושית להזיזה את הגבולות.